EES：效率超過12％的太陽能海水制氫新技術

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由可再生能源驅動電解水製取的綠色氫能，正成為重工業、長途運輸和化工等難減排領域的"脫碳利器"。然而，傳統電解水制氫每生產1公斤氫氣至少消耗9公斤純淨水，不僅增加生產成本，也與全球約40億人面臨水資源短缺的現實形成衝突。海水電解制氫是解決氫氣生產中淡水資源消耗的重要途經之一，發展潛力巨大，但現有方法普遍依賴昂貴催化劑或額外的海水預處理，帶來高能耗和額外碳排放。

近日，由麻省理工學院等高校組成的研究團隊設計了一種光熱蒸餾–電解水耦合裝置（HSD-WE），成功實現了太陽能驅動下高效海水電解制氫。該裝置充分利用太陽能全光譜能量，光伏電能用於水電解制備氫氣，光伏板餘熱驅動海水蒸餾製備高純水。以太陽光和海水為輸入，在標準日照（1 kW/m²）條件下實現了12.6%的太陽能–氫氣（STH）轉換效率，氫氣產量達到35.9 L/m²/h，同時副產1.2 L/m²/h高純水。該方法能夠實現可持續的綠氫生產，擺脫了對外部高純水和電力的依賴，兼具高能效和良好的技術經濟可行性，為低成本綠氫生產提供了切實可行的解決方案。相關工作以“Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”為題發表於Energy & Environmental Science。

圖1 光熱蒸餾–電解水耦合裝置實現全光譜太陽能利用

HSD-WE裝置將高能光子（超出光伏電池帶隙的部分）被轉換為電能（綠色區域），驅動電解水制氫，而光熱效應產生的熱能（黃色區域）則被用於介面蒸餾以淡化海水，為電解系統提供水源（圖1a）。光伏元件為水電解過程提供電能，其背面整合介面蒸發器，兼具光伏元件冷卻與海水淡化功能。透過引入重力驅動的海水單向流動，可有效抑制蒸發器鹽分積累，確保系統長期穩定執行。此外，蒸發器與電解槽之間存在空氣隙，避免海水直接接觸電催化劑，進一步提升系統耐久性（圖1b）。執行過程中，蒸餾產生的水蒸氣在質子交換膜（PEM）電解槽陽極側冷凝，冷凝水進入電解槽用於制氫。同時，冷凝過程釋放的潛熱能夠提升反應溫度，從而提高水電解效率。

圖2 光熱蒸餾–電解水耦合裝置設計及效能表徵

HSD-WE裝置採用緊湊整合式設計，由光伏元件、毛細芯、聚碳酸酯間隔層、雙極板（BPs）、氣體擴散層（GDLs）、質子交換膜、墊圈、散熱器及端板等組成（圖2a, b）。透過對比發現，整合蒸發冷卻後的光伏元件電流–電壓（I-V）特性得到顯著最佳化（圖2c中的紅色曲線）。圖2d展示了介面蒸發器的抗鹽設計，利用兩個儲液槽之間高度差（約6 cm）驅動海水單向流動，能夠有效抑制蒸發器鹽分積累（圖2e）。使用10.5 wt%濃縮海水連續蒸發10小時後，表面無任何鹽結晶析出（圖2f, 2g）。此外，提高PEM電解槽工作溫度可顯著提升電解效能（圖2h）。在1.65 V工作電壓下，當溫度從23 ℃升至60 ℃時，電解電流從278 mA升至495 mA，提升了接近一倍。

圖3 光伏元件與PEM電解槽的I-V特性耦合

光伏元件與PEM電解槽的I-V特性直接影響太陽能到氫氣（STH）轉換效率。在相同太陽能吸收面積條件下，增加串聯太陽能電池數量會降低短路電流，同時提高開路電壓，從而改變PEM電解槽極化曲線與光伏元件I-V曲線的交點（圖3a中A和B）。圖3b給出了不同太陽能電池數量下基於高熱值（HHV）計算的STH效率，呈先上升後下降的趨勢，並在電池數量為4時達到峰值。圖3c給出了500 mA電流下PEM電解槽過電位對STH效率的影響，當過電位小於1 V時，STH效率較為穩定，為系統最優執行區間（圖3c中綠色區域）。

圖4 實驗室環境中效能測試

在實驗室環境中，使用太陽模擬器對HSD-WE裝置產氫效能進行測試。實驗中監測儲液槽質量變化，從而獲得海水蒸發速率（圖4a）。光伏元件的I-V曲線（圖4b藍色曲線）與PEM電解槽極化曲線（圖4b紅色曲線）交點對應用於水電解的總電量，此時基於高熱值（HHV）計算STH效率達到12.6%。圖4c展示了HSD-WE裝置內部溫度的變化。此外，實驗中利用水體積置換法測量氫氣產量動態變化如圖4d所示，圖4e則直觀展示了氫氣收集過程。透過I-V曲線交點、幹氫與溼氫收集資料分別計算基於高熱值（圖4f藍色柱狀圖）和基於Gibbs自由能（圖4f紅色柱狀圖）的STH效率，展示了HSD-WE裝置的整體效能，為光伏–電解水耦合系統最佳化提供重要依據。

圖5 戶外環境中效能測試

在美國馬薩諸塞州劍橋市的戶外環境中，對HSD-WE裝置進行了部分晴天條件下的實地測試（圖5a）。測試過程中即時監測裝置內部溫度和環境溫度變化（圖5b），記錄太陽輻照強度（紅色曲線）與氫氣產率（藍色曲線）隨時間的變化（圖5c）。計算結果表明HSD-WE裝置在戶外環境下STH效率也能達到12.3%。圖5d展示了戶外環境下連續穩定的氫氣生成過程。

圖6 光熱蒸餾–電解水耦合裝置經濟可行性分析

HSD-WE裝置展現出顯著的經濟優勢，其氫氣生產成本隨執行時間延長而逐步降低。相比傳統水電解（WE）受高純水和電力消耗導致的高運營成本（OPEX）限制，HSD-WE在執行一年後即可實現更低制氫成本，並在三年後將制氫成本降至$5/kg，十五年後進一步降低至$1/kg以下，彰顯經濟可行性（圖6a）。基於實驗測得的STH效率預測，HSD-WE的全球年均綠氫產量可達233 kWh/m²。圖6b展示了HSD-WE在部分代表性城市的預估年均綠氫產量，體現出不同地理區域的廣泛應用潛力。

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