第一作者：Xuanjie Wang，理海大学
通讯作者：Lenan Zhang, Xinyue Liu, Yayuan Liu
共同通讯单位：麻省理工学院，康奈尔大学，约翰霍普金斯大学，密歇根州立大学
论文DOI: 10.1039/D4EE06203E
太阳能驱动的电解水技术在大规模绿色氢能生产方面展现出巨大潜力。然而，该过程对水资源的高消耗不仅提高了绿氢生产成本，还加剧了全球水资源短缺风险。尽管海水是一种几乎无限的水源，但其电解过程能效和稳定性仍存在挑战。本研究设计了一种光热蒸馏-电解水耦合装置（HSD-WE），成功实现了太阳能驱动下高效海水电解制氢。该装置充分利用太阳能全光谱能量，光伏电能用于水电解制备氢气，光伏板余热驱动海水蒸馏制备高纯水。以太阳光和海水为输入，在标准日照（1 kW/m2）条件下实现了12.6%的太阳能-氢气（STH）转换效率，氢气产量达到35.9 L/m2/h，同时副产1.2 L/m2/h高纯水。该方法能够实现可持续的绿氢生产，摆脱了对外部高纯水和电力的依赖，兼具高能效和良好的技术经济可行性，为低成本绿氢生产提供了切实可行的解决方案。
由可再生能源驱动电解水制取的绿色氢能，正成为重工业、长途运输和化工等难减排领域的"脱碳利器"。然而，传统电解水制氢每生产1公斤氢气至少消耗9公斤纯净水，不仅增加生产成本，也与全球约40亿人面临水资源短缺的现实形成冲突。海水电解制氢是解决氢气生产中淡水资源消耗的重要途径之一，发展潜力巨大，但现有方法普遍依赖昂贵催化剂或额外的海水预处理，带来高能耗和额外碳排放。本研究提出一种新型的太阳能驱动海水制氢方法，通过光伏-光热协同转化机制，成功实现了"海水+阳光→绿色氢能+高纯水"的一体化生产，为解决绿氢生产中水-能源耦合难题提供了可行方案。
1. 全光谱太阳能利用：高能光子转换为电能，低能光子通过光热效应驱动界面蒸馏，实现光伏组件冷却与海水淡化。
2. 高效光伏-电解槽耦合：构建了硅基太阳能电池阵列光伏系统，并优化串联电池数量使其与电解槽更好匹配，将太阳能到氢气转换效率提升至12.6%。
3. 高效绿氢生产的经济可行性：依托被动运行模式和低成本材料选择，光热蒸馏-电解水耦合装置有望将绿氢成本降至$1/kg以下，展现出卓越的经济可行性。
图1 光热蒸馏-电解水耦合装置实现全光谱太阳能利用
HSD-WE装置将高能光子（超出光伏电池带隙的部分）转换为电能（绿色区域），驱动电解水制氢，而光热效应产生的热能（黄色区域）则被用于界面蒸馏以淡化海水，为电解系统提供水源（图1a）。光伏组件为水电解过程提供电能，其背面集成界面蒸发器，兼具光伏组件冷却与海水淡化功能。通过引入重力驱动的海水单向流动，可有效抑制蒸发器盐分积累，确保系统长期稳定运行。此外，蒸发器与电解槽之间存在空气隙，避免海水直接接触电催化剂，进一步提升系统耐久性（图1b）。运行过程中，蒸馏产生的水蒸气在质子交换膜（PEM）电解槽阳极侧冷凝，冷凝水进入电解槽用于制氢。同时，冷凝过程释放的潜热能够提升反应温度，从而提高水电解效率。
图2 光热蒸馏-电解水耦合装置设计及性能表征
HSD-WE装置采用紧凑集成式设计，由光伏组件、毛细芯、聚碳酸酯间隔层、双极板（BPs）、气体扩散层（GDLs）、质子交换膜、垫圈、散热器及端板等组成（图2a, b）。通过对比发现，集成蒸发冷却后的光伏组件电流-电压（I-V）特性得到显著优化（图2c中的红色曲线）。图2d展示了界面蒸发器的抗盐设计，利用两个储液槽之间高度差（约6 cm）驱动海水单向流动，能够有效抑制蒸发器盐分积累（图2e）。使用10.5 wt%浓缩海水连续蒸发10小时后，表面无任何盐结晶析出（图2f, 2g）。此外，提高PEM电解槽工作温度可显著提升电解性能（图2h）。在1.65 V工作电压下，当温度从23 ℃升至60 ℃时，电解电流从278 mA升至495 mA，提升了接近一倍。
图3 光伏组件与PEM电解槽的I-V特性耦合
光伏组件与PEM电解槽的I-V特性直接影响太阳能到氢气（STH）转换效率。在相同太阳能吸收面积条件下，增加串联太阳能电池数量会降低短路电流，同时提高开路电压，从而改变PEM电解槽极化曲线与光伏组件I-V曲线的交点（图3a中A和B）。图3b给出了不同太阳能电池数量下基于高热值（HHV）计算的STH效率，呈先上升后下降的趋势，并在电池数量为4时达到峰值。图3c给出了500 mA电流下PEM电解槽过电位对STH效率的影响，当过电位小于1 V时，STH效率较为稳定，为系统最优运行区间（图3c中绿色区域）。
图4 实验室环境中性能测试
在实验室环境中，使用太阳模拟器对HSD-WE装置产氢性能进行测试。实验中监测储液槽质量变化，从而获得海水蒸发速率（图4a）。光伏组件的I-V曲线（图4b蓝色曲线）与PEM电解槽极化曲线（图4b红色曲线）交点对应用于水电解的总电量，此时基于高热值（HHV）计算STH效率达到12.6%。图4c展示了HSD-WE装置内部温度的变化。此外，实验中利用水体积置换法测量氢气产量动态变化如图4d所示，图4e则直观展示了氢气收集过程。通过I-V曲线交点、干氢与湿氢收集数据分别计算基于高热值（图4f蓝色柱状图）和基于Gibbs自由能（图4f红色柱状图）的STH效率，展示了HSD-WE装置的整体性能，为光伏-电解水耦合系统优化提供重要依据。
图5 户外环境中性能测试
在美国马萨诸塞州剑桥市的户外环境中，对HSD-WE装置进行了部分晴天条件下的实地测试（图5a）。测试过程中实时监测装置内部温度和环境温度变化（图5b），记录太阳辐照强度（红色曲线）与氢气产率（蓝色曲线）随时间的变化（图5c）。计算结果表明HSD-WE装置在户外环境下STH效率也能达到12.3%。图5d展示了户外环境下连续稳定的氢气生成过程。
图6 光热蒸馏-电解水耦合装置经济可行性分析
HSD-WE装置展现出显著的经济优势，其氢气生产成本随运行时间延长而逐步降低。相比传统水电解（WE）受高纯水和电力消耗导致的高运营成本（OPEX）限制，HSD-WE在运行一年后即可实现更低制氢成本，并在三年后将制氢成本降至$5/kg，十五年后进一步降低至$1/kg以下，彰显经济可行性（图6a）。基于实验测得的STH效率预测，HSD-WE的全球年均绿氢产量可达233 kWh/m2。图6b展示了HSD-WE在部分代表性城市的预估年均绿氢产量，体现出不同地理区域的广泛应用潜力。
本研究开发了一种高效、低成本的太阳能驱动海水电解制氢系统，为绿色氢能的可持续发展提供了创新解决方案。该设计整合了光伏发电与光热蒸馏的双重功能，充分利用太阳能全光谱，实现了"海水+阳光→绿色氢能+高纯水"的协同转化：光伏组件将高能光子转化为电能驱动电解反应，同时利用低能光子产生的余热进行海水淡化。以真实海水和太阳能为输入，实现了超过12%的STH转换效率，氢气产量达到35.9 L/m2/h。装置依托全被动运行模式和低成本材料，展现出卓越的经济可行性，有望将绿氢成本降至$1/kg以下。通过充分利用地球上最丰富的资源——太阳光与海水，本研究为解决传统电解水制氢过程中的高电力消耗与淡水短缺问题提供了一条可持续的技术路径，推动绿色氢能向低成本、高能效方向发展。
声明
“邃瞳科学云”直播服务
扫描二维码下载
邃瞳科学云APP
