高溫電解制氫太耗能了？沒關(guān)系， 我們想到了一個新思路！

能源是現(xiàn)代文明的“動脈”，驅(qū)動和聯(lián)結(jié)著生活的方方面面。能源以多種多樣的形式存在于我們的身邊，按照獲取方式不同可以分為一次能源和二次能源。

一次能源是指可以從自然界直接獲取的能源形式，像煤炭、石油、風(fēng)能、太陽能等；與之相對的二次能源，則是利用一次能源轉(zhuǎn)化而來，電能便是最典型的代表，由煤炭發(fā)電、水力發(fā)電等方式而來。無論是一次能源還是二次能源都為人類的生產(chǎn)生活提供著澎湃的驅(qū)動力。

能源需求不斷攀升，消耗能源對環(huán)境的影響也逐漸增大，在這個背景下，人們對清潔能源的向往愈發(fā)強烈。在眾多能源形式中，氫能脫穎而出，被稱為“21世紀(jì)終極能源”。究其原因，其一，氫能儲能密度高，單位質(zhì)量蘊含能量約是汽油3倍。其二，燃燒產(chǎn)物只有水，清潔環(huán)保。其三，氫能的來源廣泛，水作為氫的原料近乎無窮無盡。

氫能制備方式多樣，有“綠氫”與“灰氫”之別

氫能也是一種二次能源。目前，主流的制氫方式主要有化石燃料重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫以及電解水制氫等。

化石燃料重整制氫，是以天然氣、煤炭等化石原料，通過蒸汽重整或者部分氧化重整等化學(xué)反應(yīng)，從中提取氫氣，是一種非常重要的制氫方式，但該生產(chǎn)過程中會伴生大量二氧化碳等溫室氣體排放，因此這種方式產(chǎn)出的氫稱為“灰氫”；工業(yè)副產(chǎn)氫實際上是“變廢為寶”，是將化工、鋼鐵等工業(yè)生產(chǎn)流程里產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣等富含氫氣的副產(chǎn)物，經(jīng)過凈化、提純操作，將氫氣分離提取出來，不過其產(chǎn)量受制于上游工業(yè)規(guī)模與工況。

電解水制氫是利用電能驅(qū)動水分解為氫氣和氧氣，當(dāng)所用電能來自太陽能、風(fēng)能等清潔的可再生能源時，制氫全過程近乎零碳排放，因此所產(chǎn)出的氫氣被稱為“綠氫”。綠氫作為氫能家族里當(dāng)之無愧的“環(huán)保擔(dān)當(dāng)”，承載著未來大規(guī)模清潔能源替代的希望。

電解制氫主要可以分為堿性電解水制氫，質(zhì)子交換膜電解水制氫和固體氧化物電解水制氫等。堿性電解水制氫技術(shù)成熟，成本相對低、運行穩(wěn)定，目前已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，缺點是電解效率相對較低。質(zhì)子交換膜電解水制氫具有電解效率高、氣體純度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，且可在不同功率下靈活運行，不過質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵材料成本偏高，限制了大規(guī)模推廣。

傳統(tǒng)的高溫電解方法，面臨高耗能問題

前面兩種電解技術(shù)的運行溫度通常較低，而固體氧化物電解水制氫的工作溫度較高，通常在500℃-1000℃之間，水在這個溫度區(qū)間以氣態(tài)形式存在，因此該技術(shù)也被稱為高溫電解水蒸氣制氫，以下簡稱高溫電解。

在高溫環(huán)境下，水蒸氣分子更加“活躍”，電解反應(yīng)的速度也大幅提升，因此高溫電解技術(shù)可以降低電解所需的電能消耗，提升電解制氫的效率。需要注意的是“高溫環(huán)境”至關(guān)重要，如果溫度不到工作范圍，高溫電解的效率就會非常低甚至制不出氫氣。因此，高溫電解技術(shù)還需要消耗能源來維持“高溫環(huán)境”。

高耗能問題如何解決？我們想到了一個新思路！

筆者所在的團隊是中國科學(xué)院電工研究所李鑫研究員團隊，主要的研究方向是太陽能燃料的制備，即將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在燃料中，從而方便清潔能源的長期存儲和轉(zhuǎn)運流通。高溫電解的熱能消耗也是團隊一直關(guān)注的問題，如果采用化石燃料來提供這部分熱能，那“綠氫”就變成“灰氫”了，如果采用電能來提供這部分熱能，那高溫電解省電的優(yōu)勢又蕩然無存。

因此，研究團隊在該方向的主要工作是利用聚光太陽能來為高溫電解提供熱能。目前，國際上通常是用聚光太陽能來產(chǎn)生高溫蒸汽，再將蒸汽通入電解池進行高溫電解，該方式可以稱之為“間接耦合式太陽能高溫電解”。但是，目前的管式蒸汽發(fā)生器換熱較差，導(dǎo)致光熱轉(zhuǎn)換的效率比較低。

針對該問題，研究團隊提出了同時增強換熱面積和換熱系數(shù)的方案。換熱面積和換熱系數(shù)是影響傳熱的兩個重要因素，以冬季取暖為例，家里的暖氣面積越大，你就感覺屋子越暖和，這是換熱面積在起作用；而如果把普通暖氣改為暖風(fēng)機，屋子也會很快熱起來，這就是換熱系數(shù)在起作用。

按照該思路，研究團隊**首先使用了多孔介質(zhì)來增大“暖氣面積”，然后又使用了噴霧換熱技術(shù)把普通“暖氣”升級為“暖風(fēng)機”，從而達到提高光熱轉(zhuǎn)換效率的目的。**等等，你說如果衣服直接能發(fā)熱，是不是就不需要暖氣了？是的，研究團隊除了升級太陽能蒸汽發(fā)生器的性能，還提出了一種全新的方案，那就是直接將聚光太陽能照射在電解池上，讓電解池自身發(fā)熱來維持高溫環(huán)境，這樣就能避免熱能輸送損失了，我們把這種方式稱為“直接耦合式太陽能高溫電解”。

直接耦合式太陽能高溫電解制氫原理樣機

（圖片來源：中國科學(xué)院電工研究所）

新方案使電解制氫效率大幅提高

研究團隊在國家自然科學(xué)基金，北京市自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院電工研究所基金的支持下，完成了國際首臺直接耦合式太陽能高溫電解制氫原理樣機和國內(nèi)首套峰值功率為5kW的間接耦合式太陽能高溫電解制氫系統(tǒng)。

5kW級間接耦合式太陽能高溫電解制氫系統(tǒng)，

（圖片來源：中國科學(xué)院電工研究所）

其中，“直接耦合”技術(shù)使同等規(guī)模的固體氧化物電解池啟動速度**相比于使用傳統(tǒng)加熱方式提高了近12倍，并使包括電解能耗和維持高溫的能耗在內(nèi)的電解總能耗降低了76%。**這一能耗水平的降低主要得益于熱量的“精準(zhǔn)輸送”，就像剛才說的“衣服發(fā)熱”一樣。

邁出第一步后，我們?nèi)沃囟肋h

目前，原理樣機的研制和測試已經(jīng)驗證了該技術(shù)的可行性和優(yōu)越性，但是要真正推廣該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，研究團隊可謂任重道遠。僅就實現(xiàn)聚光太陽能和電堆之間的集成優(yōu)化就是一個交叉學(xué)科問題，有著非常復(fù)雜的機理和工程問題。

不過，千里之行，始于足下，我們相信，科技創(chuàng)新之火將會照亮清潔能源的探索征途。研究團隊全體科研人員定將再接再厲，用堅守與智慧，托舉民族能源事業(yè)，鑄就輝煌未來。

來源丨中國科普博覽

作者丨張強強（中國科學(xué)院電工研究所）初審 | 陳嘉琦、李書豪復(fù)審 | 魏星華終審 | 韓永林