高温电解制氢太耗能了？没关系，我们想到了一个新思路！

出品：

作者：张强强（中国科学院电工研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

能源是现代文明的“动脉”，驱动和联结着生活的方方面面。能源以多种多样的形式存在于我们的身边，按照获取方式不同可以分为一次能源和二次能源。

一次能源是指可以从自然界直接获取的能源形式，像煤炭、石油、风能、太阳能等；与之相对的二次能源，则是利用一次能源转化而来，电能便(biàn)是(shì)最(zuì)典(diǎn)型的代表，由(yóu)煤(méi)炭(tàn)发(fā)电、水力发电等方式而来。无论是一次能源还是二次能源都为人类的生产生活提供着澎湃的驱动力。

能源需求不断攀升，消耗能源对环境的影响也逐渐增大，在这个背景下，人们对清洁能源的向往愈发强烈。在众多能源形式中，氢能脱颖而出，被称为“21世纪终极能源”。究其原因，其一，氢能储能密度高，单位质量蕴含能量约是汽油3倍。其二，燃烧产物只有水，清洁环保。其三，氢能的来源广泛，水作为氢的原料近乎无穷无尽。

氢能制备方式多样，有“绿氢”与“灰氢”之别

氢能也是一(yī)种二(èr)次(cì)能(néng)源(yuán)。目(mù)前(qián)，主流(liú)的(de)制(zhì)氢(qīng)方(fāng)式(shì)主要(yào)有(yǒu)化(huà)石(shí)燃(rán)料(liào)重(zhòng)整(zhěng)制(zhì)氢(qīng)、工(gōng)业(yè)副(fù)产(chǎn)氢(qīng)以(yǐ)及(jí)电(diàn)解(jiě)水(shuǐ)制(zhì)氢(qīng)等(děng)。

化(huà)石(shí)燃(rán)料(liào)重(zhòng)整(zhěng)制(zhì)氢(qīng)，是(shì)以(yǐ)天(tiān)然(rán)气(qì)、煤(méi)炭(tàn)等化石原料，通过蒸汽重整或者部分氧化重整等化学反应，从中提取氢气，是一种非常重要的制氢方式，但该生产过程中会伴生大量二氧化碳等温(wēn)室(shì)气(qì)体(tǐ)排(pái)放(fàng)，因(yīn)此(cǐ)这(zhè)种(zhǒng)方(fāng)式(shì)产(chǎn)出(chū)的(de)氢(qīng)称(chēng)为(wèi)“灰(huī)氢(qīng)”；工业副产氢实际上是“变废为宝”，是将化工(gōng)、钢(gāng)铁(tiě)等(děng)工(gōng)业(yè)生(shēng)产(chǎn)流(liú)程(chéng)里(lǐ)产(chǎn)生(shēng)的(de)焦(jiāo)炉(lú)煤(méi)气(qì)、氯(lǜ)碱(jiǎn)尾(wěi)气(qì)等(děng)富(fù)含(hán)氢(qīng)气(qì)的(de)副(fù)产(chǎn)物(wù)，经(jīng)过(guò)净(jìng)化(huà)、提(tí)纯(chún)操(cāo)作(zuò)，将(jiāng)氢(qīng)气(qì)分(fēn)离(lí)提(tí)取(qǔ)出(chū)来(lái)，不(bù)过(guò)其(qí)产(chǎn)量(liàng)受(shòu)制(zhì)于(yú)上(shàng)游(yóu)工(gōng)业(yè)规(guī)模(mó)与工况。

电解水制氢是利用电能驱动水分解为氢气和氧气，当所用电能来自太阳能、风能等清洁的可再生能源时，制氢全过程近乎零碳排放，因此所产出的氢气被称为“绿氢”。绿氢作为氢能家族里当之无愧的“环保担当”，承载着未来大规模清洁能源替代的希望。

电解制氢主要可以分为碱(jiǎn)性(xìng)电(diàn)解(jiě)水(shuǐ)制(zhì)氢(qīng)，质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢等。碱性电解水制氢技术成熟，成本相对低、运行稳定，目前已经大规模应用，缺点是电解效率相对较低。质子交换膜电解水制氢具有电解效率高、气体纯度高、响应速度快等优势，且可(kě)在(zài)不(bù)同(tóng)功(gōng)率(lǜ)下(xià)灵(líng)活(huó)运(yùn)行(xíng)，不(bù)过(guò)质(zhì)子(zi)交(jiāo)换(huàn)膜(mó)等(děng)关键材料成本偏高，限制了大规模推广。

传统的高温电解方法，面临高耗能问题

前面两种电解技术的运行温度通常较低，而固体氧化物电解水制氢的工作温度较高，通常在500℃-1000℃之间，水在这个温度区间以气态(tài)形(xíng)式(shì)存(cún)在(zài)，因(yīn)此(cǐ)该(gāi)(gāi)技(jì)(jì)术(shù)(shù)也(yě)(yě)被(bèi)(bèi)称(chēng)(chēng)为(wèi)(wèi)高(gāo)(gāo)温(wēn)(wēn)电(diàn)(diàn)解(jiě)(jiě)水(shuǐ)(shuǐ)蒸(zhēng)(zhēng)气(qì)(qì)制(zhì)(zhì)氢(qīng)(qīng)，以(yǐ)(yǐ)下(xià)(xià)简(jiǎn)(jiǎn)称(chēng)(chēng)高(gāo)(gāo)温(wēn)电(diàn)解(jiě)。

在(zài)高(gāo)温(wēn)环(huán)境(jìng)下(xià)，水(shuǐ)蒸(zhēng)气(qì)分(fēn)子(zi)更(gèng)加“活跃”，电解反应(yīng)的(de)速(sù)度(dù)也(yě)大(dà)幅(fú)提(tí)升(shēng)，因(yīn)此(cǐ)高(gāo)温(wēn)电(diàn)解(jiě)技(jì)术(shù)可(kě)以(yǐ)降(jiàng)低(dī)(dī)电(diàn)(diàn)解(jiě)(jiě)所(suǒ)(suǒ)需(xū)(xū)的(de)(de)电(diàn)(diàn)能(néng)(néng)消(xiāo)耗(hào)，提(tí)升(shēng)电(diàn)解(jiě)制(zhì)氢(qīng)的(de)效(xiào)率(lǜ)。需(xū)要(yào)注(zhù)(zhù)意(yì)的(de)是(shì)“高(gāo)温(wēn)环(huán)境(jìng)”至(zhì)关重(zhòng)要(yào)，如(rú)果(guǒ)温度不到工作范围，高温电解的效率就会非常低甚至制不出氢气。因此，高温(wēn)电(diàn)解(jiě)技(jì)术(shù)还(hái)需(xū)要(yào)消(xiāo)耗(hào)能(néng)源(yuán)来(lái)维(wéi)持(chí)“高(gāo)温(wēn)环(huán)境(jìng)”。

高(gāo)耗(hào)能(néng)问(wèn)题(tí)如(rú)何(hé)解(jiě)决(jué)？我(wǒ)们(men)想(xiǎng)到(dào)了(le)一(yī)个(gè)新(xīn)思路！

笔者所在的团队是中国科学院电工研究所李鑫研究员团队，主要的研究方向是太阳能燃料的制备，即将太阳能转化为化学能储存在燃料中，从而方便清洁能源的(de)长(zhǎng)期(qī)存(cún)储(chǔ)和(hé)转(zhuǎn)运(yùn)流(liú)通(tōng)。高(gāo)温(wēn)电(diàn)解(jiě)的(de)热(rè)能(néng)消(xiāo)耗(hào)也(yě)是(shì)团(tuán)队(duì)一(yī)直(zhí)关注(zhù)的(de)问(wèn)题(tí)，如(rú)果(guǒ)采用(yòng)化(huà)石(shí)燃(rán)料(liào)来(lái)提(tí)供(gōng)这(zhè)部(bù)分(fēn)热(rè)能(néng)，那(nà)“绿(lǜ)氢(qīng)”就(jiù)变(biàn)成“灰氢”了，如果采用电能来提供这部分热能，那高温电解省电的优势又荡然无存。

因此，研究团队在该方向的主要工作是利用聚光太阳能来为高温电解提供热能。目前，国际上通常是用聚光太阳能来产生高温蒸汽，再将蒸汽通入电解池进行高温电解，该方式可以称之为“间接耦合式太阳(yáng)能(néng)高(gāo)温(wēn)电(diàn)解(jiě)”。但(dàn)是(shì)，目(mù)前(qián)的(de)管(guǎn)式(shì)蒸(zhēng)汽(qì)发(fā)生(shēng)器(qì)换(huàn)热(rè)较(jiào)差(chà)，导(dǎo)致(zhì)光(guāng)热(rè)转(zhuǎn)换(huàn)的(de)效(xiào)率(lǜ)比(bǐ)较(jiào)低(dī)。

针(zhēn)对(duì)该问题，研究团队提出了同时增强换热面积和换热系数的方案。换热面积和换热系数是影响传热的两个重要因素，以冬季取暖为例，家里的暖气面积越大，你就感觉(jué)屋(wū)子(zi)越暖和，这是换热面积在起作用；而如果把普通暖气改为暖风机，屋子也会很快热起来，这就是换热系数在起作用。

按照该思路，研究团队**首先使用了多孔介质来增大“暖气面积”，然后又使用了喷雾换热技术把普通“暖气”升级为“暖风机”，从而达到提高光热转换效率的目的。**等等，你说如果衣服直接能发热，是不是就不需要暖气了？是的，研究团队除了升级太阳能蒸汽发生器的性能，还提出了一种全新的方案，那就是直接将聚光太(tài)阳(yáng)能(néng)照(zhào)射(shè)在(zài)电(diàn)解(jiě)池(chí)上(shàng)，让(ràng)电(diàn)解(jiě)池(chí)自(zì)身(shēn)发(fā)热(rè)来(lái)维(wéi)持(chí)高(gāo)温(wēn)环(huán)境(jìng)，这(zhè)样(yàng)就(jiù)能(néng)避(bì)免(miǎn)热(rè)能(néng)输(shū)送(sòng)损(sǔn)失(shī)了(le)，我(wǒ)们(men)把(bǎ)这(zhè)种(zhǒng)方式称为“直接耦合式太阳能高温电解”。

直(zhí)接(jiē)耦(ǒu)合(hé)式(shì)太(tài)阳(yáng)能(néng)高(gāo)温(wēn)电(diàn)解(jiě)制(zhì)氢(qīng)原(yuán)理(lǐ)样(yàng)机(jī)

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)电(diàn)工(gōng)研(yán)究(jiū)所(suǒ)）

新(xīn)方(fāng)案(àn)使(shǐ)电(diàn)解(jiě)制(zhì)氢(qīng)效(xiào)率(lǜ)大(dà)幅(fú)提高

研究团队在国家自然科学基金，北京市自然科学基金和中国科学院电工研究所基金的支持下，完成了国际首台直接耦合式太阳能高温电解制氢原理样机和国内首套峰值功率为5kW的间接耦合式太阳能高温电解制氢系统。

5kW级间接耦合式太阳能高温电解制氢系统，

（图片来源：中国科学院电工研究所）

其中，“直接耦合”技术使同等规模的固体氧化物电解池启动速度(dù)**相(xiāng)比(bǐ)于(yú)使(shǐ)用(yòng)传(chuán)统(tǒng)加(jiā)热(rè)方(fāng)式(shì)提(tí)高(gāo)了(le)近(jìn)12倍(bèi)，并(bìng)使(shǐ)包(bāo)括(kuò)电(diàn)解(jiě)能(néng)耗(hào)和(hé)维(wéi)持(chí)高(gāo)温的能耗在内的电解总能耗降低了76%。**这一能耗水平的降低主要得益于热量的“精准输送”，就像刚才说的“衣服发热”一样。

迈出第一步后，我们任重而道远

目前，原(yuán)理(lǐ)样(yàng)机(jī)的(de)研(yán)制(zhì)和(hé)测(cè)试(shì)已(yǐ)经(jīng)验(yàn)证(zhèng)了(le)该(gāi)技(jì)术(shù)的(de)可(kě)行(xíng)性(xìng)和(hé)优(yōu)越(yuè)性(xìng)，但(dàn)是(shì)要(yào)真(zhēn)正(zhèng)推(tuī)广(guǎng)该(gāi)技(jì)术(shù)的(de)大(dà)规模应用，研究团队可谓任重道远。仅就实现聚光太阳能和电堆之间的集成优化就是一个交叉学科问题，有着非常复杂的机理和工程问题。

不过，千里之行，始于足下，我们相信，科技创新之火将会照亮清洁能源的探索征途。研究团队全体科研人员定将再接再厉，用坚守与智慧，托举民族能源事业，铸就辉煌未来。