氫能在非化石能源中占據(jù)重要地位。在多種制氫方式中，高溫電解具有較高的制氫效率，與太陽(yáng)能結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)氫氣的潔凈制備，有望成為氫氣的主要制備方式。國(guó)際上，太陽(yáng)能與高溫電解的耦合方式均為間接耦合，即利用太陽(yáng)能產(chǎn)生高溫蒸汽，進(jìn)而將高溫蒸汽通入固體氧化物電解池以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而制取氫氣。而這一方式存在設(shè)備集成度較低、熱能傳輸損失較大等問題。近日，中國(guó)科學(xué)院團(tuán)隊(duì)提出了直接耦合式太陽(yáng)能高溫電解制氫技術(shù)并研制出原理樣機(jī)。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出直接耦合式太陽(yáng)能高溫電解的概念和設(shè)計(jì)方案。通過研究高強(qiáng)度、非均勻入射輻射在多孔電極內(nèi)部的傳輸特性和聚光工況下微尺度流動(dòng)與多孔結(jié)構(gòu)輻射換熱的耦合機(jī)理，該團(tuán)隊(duì)研制出直接耦合式太陽(yáng)能高溫電解原理樣機(jī)，揭示了聚光太陽(yáng)能對(duì)電解池濃差極化的影響機(jī)理。與同規(guī)模下電加熱固體氧化物電解池相比，該技術(shù)使固體氧化物電解池啟動(dòng)速度提高了近12倍，并使電解能耗降低了76%。

同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了間接耦合模式下的新型太陽(yáng)能高溫霧化蒸汽發(fā)生器。利用霧化氣液兩相流在多孔吸熱體內(nèi)部的熱質(zhì)傳遞強(qiáng)化機(jī)制，研究將蒸汽發(fā)生器的出口溫度提升到877-°C，對(duì)應(yīng)的熱效率提升了60.92%。基于這一太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步搭建了5kW級(jí)的太陽(yáng)能高溫電解制氫系統(tǒng)。這一系統(tǒng)實(shí)測(cè)電解效率為95.2%，水蒸汽轉(zhuǎn)化率為92%。相比于傳統(tǒng)使用電或化石燃料產(chǎn)生蒸汽的電解系統(tǒng)，太陽(yáng)能高溫電解制氫系統(tǒng)可節(jié)電30％。