高溫電解制氫太耗能了？沒(méi)關(guān)系， 我們想到了一個(gè)新思路！

能源是現(xiàn)代文明的“動(dòng)脈”，驅(qū)動(dòng)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(yáng)能等；與之相對(duì)的二次能源，則是利用一次能源轉(zhuǎn)化而來(lái)，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(lái)。無(wú)論是一次能源還是二次能源都為人類(lèi)的生產(chǎn)生活提供著澎湃的驅(qū)動(dòng)力。

能源需求不斷攀升，消耗能源對(duì)環(huán)境的影響也逐漸增大，在這個(gè)背景下，人們對(duì)清潔能源的向往愈發(fā)強(qiáng)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(chǔ)能密度高，單位質(zhì)量蘊(yùn)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(lái)源廣泛，水作為氫的原料近乎無(wú)窮無(wú)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(guò)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(guò)程中會(huì)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(shí)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(guò)凈化、提純操作，將氫氣分離提取出來(lái)，不過(guò)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(dòng)水分解為氫氣和氧氣，當(dāng)所用電能來(lái)自太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔的可再生能源時(shí)，制氫全過(guò)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(wú)愧的“環(huán)保擔(dān)當(dāng)”，承載著未來(lái)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(duì)低、運(yùn)行穩(wěn)定，目前已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，缺點(diǎn)是電解效率相對(duì)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(shì)，且可在不同功率下靈活運(yùn)行，不過(guò)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(wèn)題

前面兩種電解技術(shù)的運(yùn)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(gè)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(jiǎn)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(huì)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(lái)維持“高溫環(huán)境”。

高耗能問(wèn)題如何解決？我們想到了一個(gè)新思路！

筆者所在的團(tuán)隊(duì)是中國(guó)科學(xué)院電工研究所李鑫研究員團(tuán)隊(duì)，主要的研究方向是太陽(yáng)能燃料的制備，即將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在燃料中，從而方便清潔能源的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)運(yùn)流通。高溫電解的熱能消耗也是團(tuán)隊(duì)一直關(guān)注的問(wèn)題，如果采用化石燃料來(lái)提供這部分熱能，那“綠氫”就變成“灰氫”了，如果采用電能來(lái)提供這部分熱能，那高溫電解省電的優(yōu)勢(shì)又蕩然無(wú)存。

因此，研究團(tuán)隊(duì)在該方向的主要工作是利用聚光太陽(yáng)能來(lái)為高溫電解提供熱能。目前，國(guó)際上通常是用聚光太陽(yáng)能來(lái)產(chǎn)生高溫蒸汽，再將蒸汽通入電解池進(jìn)行高溫電解，該方式可以稱之為“間接耦合式太陽(yáng)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(duì)該問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了同時(shí)增強(qiáng)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(gè)重要因素，以冬季取暖為例，家里的暖氣面積越大，你就感覺(jué)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(jī)，屋子也會(huì)很快熱起來(lái)，這就是換熱系數(shù)在起作用。

按照該思路，研究團(tuán)隊(duì)**首先使用了多孔介質(zhì)來(lái)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(jí)為“暖風(fēng)機(jī)”，從而達(dá)到提高光熱轉(zhuǎn)換效率的目的。**等等，你說(shuō)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(tuán)隊(duì)除了升級(jí)太陽(yáng)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(yáng)能照射在電解池上，讓電解池自身發(fā)熱來(lái)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(yáng)能高溫電解”。

直接耦合式太陽(yáng)能高溫電解制氫原理樣機(jī)

（圖片來(lái)源：中國(guó)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(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金，北京市自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院電工研究所基金的支持下，完成了國(guó)際首臺(tái)直接耦合式太陽(yáng)能高溫電解制氫原理樣機(jī)和國(guó)內(nèi)首套峰值功率為5kW的間接耦合式太陽(yáng)能高溫電解制氫系統(tǒng)。

5kW級(jí)間接耦合式太陽(yáng)能高溫電解制氫系統(tǒng)，

（圖片來(lái)源：中國(guó)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(dòng)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(shuō)的“衣服發(fā)熱”一樣。

邁出第一步后，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)

目前，原理樣機(jī)的研制和測(cè)試已經(jīng)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)可謂任重道遠(yuǎn)。僅就實(shí)現(xiàn)聚光太陽(yáng)能和電堆之間的集成優(yōu)化就是一個(gè)交叉學(xué)科問(wèn)題，有著非常復(fù)雜的機(jī)理和工程問(wèn)題。

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

來(lái)源丨中國(guó)科普博覽

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