氢能在非化石能源中占据重要地位。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，有望成为氢气的主要制备方式。国际上，太阳能与高温电解的耦合方式均为间接耦合，即利用太阳能产生高温蒸汽，进而将高温蒸汽通入固体氧化物电解池以发生电化学反应从而制取氢气。而这一方式存在设备集成度较低、热能传输损失较大等问题。近日，中国科学院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研制出原理样机。

该团队创新性地提出直接耦合式太阳能高温电解的概念和设计方案。通过研究高强度、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，该团队研制出直接耦合式太阳能高温电解原理样机，揭示了聚光太阳能对电解池浓差极化的影响机理。与同规模下电加热固体氧化物电解池相比，该技术使固体氧化物电解池启动速度提高了近12倍，并使电解能耗降低了76%。

同时，该团队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，研究将蒸汽发生器的出口温度提升到877-℃，对应的热效率提升了60.92%。基于这一太阳能蒸汽发生器，该团队进一步搭建了5kW级的太阳能高温电解制氢系统。这一系统实测电解效率为95.2%，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节电30%。

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)上。研究工作得到国家自然科学基金和北京市自然科学基金等的支持。

论文链接：

1、【https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156255】

2、【https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.118023】

直接式太阳能高温电解原理样机