近日，电工研究所李鑫研究团队提出了直接耦合式太阳能高温电解制氢技术并成功研制出原理样机。
氢能在非化石能源中占有举足轻重的地位。在多种制氢方式中，高温电解具有较高的制氢效率，与太阳能结合可以实现氢气的洁净制备，有潜力成为氢气的主要制备方式。当前国际上太阳能与高温电解的耦合方式均为间接耦合，即先利用太阳能产生高温蒸汽，再将高温蒸汽通入固体氧化物电解池（SOEC）发生电化学反应制取氢气。这种方式存在设备集成度低、热能传输损失大的问题。
研究团队创新性提出直接耦合式太阳能高温电解的概念和设计方案。通过深入研究高强度、非均匀入射辐射在多孔电极内部的传输特性和聚光工况下，微尺度流动与多孔结构辐射换热的耦合机理，成功研制出直接耦合式太阳能高温电解原理样机，首次揭示了聚光太阳能对电解池浓差极化的影响机理。相比于同规模下电加热SOEC，该技术将SOEC的启动速度提高了近12倍，电解能耗降低达76％。
团队还开发了间接耦合模式下的新型太阳能高温雾化蒸汽发生器。利用雾化气液两相流在多孔吸热体内部的热质传递强化机制，将蒸汽发生器的出口温度提升到877oC，对应的热效率提升为60.92％，大幅领先同类产品。基于该太阳能蒸汽发生器，团队进一步搭建了5kW级的太阳能高温电解制氢系统，实测电解效率为95.2％（基于氢气低位热值），水蒸汽转化率为92％。相比于传统使用电或化石燃料产生蒸汽的电解系统，太阳能高温电解制氢系统可以节电30％。
该研究工作得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金和所基金的支持。相关研究成果发表在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）和《能源转换和管理》（Energy Conversion and Management）期刊上。
论文链接1：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156255
论文链接2：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.118023
直接式太阳能高温电解原理样机
直接式太阳能高温电解与电加热高温电解的系统效率对比
5kW级的太阳能高温电解制氢系统
太阳能高温电解系统与传统高温电解系统的电解能耗对比