出品：科普中国

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，推荐科研经历，塑造科学世界。让大家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很多方面。能源以多种多样的形式存在于大家的身边，根据获得方法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得的能源形式，像煤炭、石油、风能、太阳能等；与之相对的二次能源，则是借助一次能源转化而来，电能便是最典型的代表，由煤炭发电、水力发电等方法而来。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。

能源需要不断攀升，消耗能源对环境的影响也渐渐增大，在这个背景下，大家对清洗能源的向往愈发强烈。在海量能源形式中，氢能崭露头角，被叫做“21世纪终极能源”。究其缘由，其一，氢能储能密度高，单位水平蕴含能量约是汽油3倍。其二，燃烧产物只有水，清洗环保。其三，氢能的来源广泛，水作为氢的材料近乎无穷无尽。

氢能制备方法多样，有“绿氢”与“灰氢”之别

氢能也是一种二次能源。现在，主流的制氢方法主要有化石燃料重整制氢、工业副产氢与电解水制氢等。

化石燃料重整制氢，是以天然气、煤炭等化石材料，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，是一种尤为重要的制氢方法，但该生产过程中会伴生很多二氧化碳等温室气体排放，因此这种方法产出的氢称为“灰氢”；工业副产氢事实上是“变废为宝”，是将化工、钢铁等工业生产步骤里产生的焦炉煤气、氯碱尾气等富含氢气的副产物，经过净化、提纯操作，将氢气离别提取出来，不过其产量受制于上游工业规模与工况。

电解水制氢是借助电能驱动水分解为氢气和氧气，当所用电能来自太阳能、风能等清洗的可再生能源时，制氢全过程近乎零碳排放，因此所产出的氢气被叫做“绿氢”。绿氢作为氢能家族里当之无愧的“环保担当”，承载着将来大规模清洗能源替代的期望。

电解制氢主要可以分为碱性电解水制氢，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，本钱相对低、运行稳定，现在已经大规模应用，缺点是电解效率相对较低。质子交换膜电解水制氢具备电解效率高、气体纯度高、响应速度快等优势，且可在不同功率下灵活运行，不过质子交换膜等重点材料本钱偏高，限制了大规模推广。

传统的高温电解办法，面临高耗能问题

前面两种电解技术的运行温度一般较低，而固体氧化物电解水制氢的工作温度较高，一般在500℃-1000℃之间，水在这个温度区间以气态形式存在，因此该技术也被叫做高温电解水蒸气制氢，以下简称高温电解。

在高温环境下，水蒸气分子愈加“活跃”，电解反应的速度也大幅提高，因此高温电解技术可以减少电解所需的电能消耗，提高电解制氢的效率。应该注意的是“高温环境”至关要紧，假如温度不到工作范围，高温电解的效率就会很低甚至制不出氢气。因此，高温电解技术还需要消耗能源来保持“高温环境”。

高耗能问题怎么办？大家想到了一个新思路！

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，马上太阳能转化为化学能储存在燃料中，从而便捷清洗能源的长期存储和转运流通。高温电解的热能消耗也是团队一直关注的问题，假如使用化石燃料来提供这部分热能，那“绿氢”就变成“灰氢”了，假如使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借助聚光太阳能来为高温电解提供热能。现在，国际上一般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，该方法可以称之为“间接耦合式太阳能高温电解”。但，现在的管式蒸汽发生器换热较差，致使光热转换的效率比较低。

针对该问题，研究团队提出了同时增强换热面积和换热系数的策略。换热面积和换热系数是影响传热的两个要紧原因，以冬天取暖为例，家的暖气面积越大，你就感觉屋子越暖和，这是换热面积在起用途；而假如把普通暖气改为暖风机，屋子也会非常快热起来，这就是换热系数在起用途。

根据该思路，研究团队**第一用了多孔介质来增大“暖气面积”，然后又用了喷雾换热技术把普通“暖气”升级为“暖风机”，从而达到提升光热转换效率的目的。**等等，你说假如衣服直接能发热，是否就无需暖气了？是的，研究团队除去升级太阳能蒸汽发生器的性能，还提出了一种全新的策略，那就是直接将聚光太阳能照射在电解池上，让电解池自己发热来保持高温环境，如此就能防止热能输送损失了，大家把这种方法称为“直接耦合式太阳能高温电解”。

直接耦合式太阳能高温电解制氢原理样机

（图片来源：中国科学院电工研究所）

新策略使电解制氢效率大幅提升

研究团队在国家自然科学基金，北京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**相比于用传统加热方法提升了近12倍，并使包含电解能耗和保持高温的能耗在内的电解总能耗减少了76%。**这一能耗水平的减少主要得益于热量的“精确输送”，就像刚刚说的“衣服发热”一样。

迈出第一步后，大家任重而道远

现在，原理样机的研制和测试已经验证了该技术的可行性和优越性，但要真的推广该技术的大规模应用，研究团队可谓任重道远。仅就达成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，有着很复杂的机理和工程问题。

不过，千里之行，始于足下，大家相信，科技革新之火将会照亮清洗能源的探索征途。研究团队全体科研职员定将再接再厉，用坚守与智慧，托举民族能源事业，铸就辉煌将来。

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