能源是现代文明的“动脉”，驱动和联结着生活的方方面面。能源以多种多样的形式存在于我们的身边，按照获取方式不同可以分为一次能源和二次能源。
一次能源是指可以从自然界直接获取的能源形式，像煤炭、石油、风能、太阳能等；与之相对的二次能源，则是利用一次能源转化而来，电能便是最典型的代表，由煤炭发电、水力发电等方式而来。无论是一次能源还是二次能源都为人类的生产生活提供着澎湃的驱动力。
能源需求不断攀升，消耗能源对环境的影响也逐渐增大，在这个背景下，人们对清洁能源的向往愈发强烈。在众多能源形式中，氢能脱颖而出，被称为“21世纪终极能源”。究其原因，其一，氢能储能密度高，单位质量蕴含能量约是汽油3倍。其二，燃烧产物只有水，清洁环保。其三，氢能的来源广泛，水作为氢的原料近乎无穷无尽。
氢能制备方式多样，有“绿氢”与“灰氢”之别
氢能也是一种二次能源。目前，主流的制氢方式主要有化石燃料重整制氢、工业副产氢以及电解水制氢等。
化石燃料重整制氢，是以天然气、煤炭等化石原料，通过蒸汽重整或者部分氧化重整等化学反应，从中提取氢气，是一种非常重要的制氢方式，但该生产过程中会伴生大量二氧化碳等温室气体排放，因此这种方式产出的氢称为“灰氢”；工业副产氢实际上是“变废为宝”，是将化工、钢铁等工业生产流程里产生的焦炉煤气、氯碱尾气等富含氢气的副产物，经过净化、提纯操作，将氢气分离提取出来，不过其产量受制于上游工业规模与工况。
电解水制氢是利用电能驱动水分解为氢气和氧气，当所用电能来自太阳能、风能等清洁的可再生能源时，制氢全过程近乎零碳排放，因此所产出的氢气被称为“绿氢”。绿氢作为氢能家族里当之无愧的“环保担当”，承载着未来大规模清洁能源替代的希望。
电解制氢主要可以分为碱性电解水制氢，质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢等。碱性电解水制氢技术成熟，成本相对低、运行稳定，目前已经大规模应用，缺点是电解效率相对较低。质子交换膜电解水制氢具有电解效率高、气体纯度高、响应速度快等优势，且可在不同功率下灵活运行，不过质子交换膜等关键材料成本偏高，限制了大规模推广。
传统的高温电解方法，面临高耗能问题
前面两种电解技术的运行温度通常较低，而固体氧化物电解水制氢的工作温度较高，通常在500℃-1000℃之间，水在这个温度区间以气态形式存在，因此该技术也被称为高温电解水蒸气制氢，以下简称高温电解。
在高温环境下，水蒸气分子更加“活跃”，电解反应的速度也大幅提升，因此高温电解技术可以降低电解所需的电能消耗，提升电解制氢的效率。需要注意的是“高温环境”至关重要，如果温度不到工作范围，高温电解的效率就会非常低甚至制不出氢气。因此，高温电解技术还需要消耗能源来维持“高温环境”。
高耗能问题如何解决？我们想到了一个新思路！
笔者所在的团队是中国科学院电工研究所李鑫研究员团队，主要的研究方向是太阳能燃料的制备，即将太阳能转化为化学能储存在燃料中，从而方便清洁能源的长期存储和转运流通。高温电解的热能消耗也是团队一直关注的问题，如果采用化石燃料来提供这部分热能，那“绿氢”就变成“灰氢”了，如果采用电能来提供这部分热能，那高温电解省电的优势又荡然无存。
因此，研究团队在该方向的主要工作是利用聚光太阳能来为高温电解提供热能。目前，国际上通常是用聚光太阳能来产生高温蒸汽，再将蒸汽通入电解池进行高温电解，该方式可以称之为“间接耦合式太阳能高温电解”。但是，目前的管式蒸汽发生器换热较差，导致光热转换的效率比较低。
针对该问题，研究团队提出了同时增强换热面积和换热系数的方案。换热面积和换热系数是影响传热的两个重要因素，以冬季取暖为例，家里的暖气面积越大，你就感觉屋子越暖和，这是换热面积在起作用；而如果把普通暖气改为暖风机，屋子也会很快热起来，这就是换热系数在起作用。
按照该思路，研究团队**首先使用了多孔介质来增大“暖气面积”，然后又使用了喷雾换热技术把普通“暖气”升级为“暖风机”，从而达到提高光热转换效率的目的。**等等，你说如果衣服直接能发热，是不是就不需要暖气了？是的，研究团队除了升级太阳能蒸汽发生器的性能，还提出了一种全新的方案，那就是直接将聚光太阳能照射在电解池上，让电解池自身发热来维持高温环境，这样就能避免热能输送损失了，我们把这种方式称为“直接耦合式太阳能高温电解”。
直接耦合式太阳能高温电解制氢原理样机
（图片来源：中国科学院电工研究所）
新方案使电解制氢效率大幅提高
研究团队在国家自然科学基金，北京市自然科学基金和中国科学院电工研究所基金的支持下，完成了国际首台直接耦合式太阳能高温电解制氢原理样机和国内首套峰值功率为5kW的间接耦合式太阳能高温电解制氢系统。
5kW级间接耦合式太阳能高温电解制氢系统，
（图片来源：中国科学院电工研究所）
其中，“直接耦合”技术使同等规模的固体氧化物电解池启动速度**相比于使用传统加热方式提高了近12倍，并使包括电解能耗和维持高温的能耗在内的电解总能耗降低了76%。**这一能耗水平的降低主要得益于热量的“精准输送”，就像刚才说的“衣服发热”一样。
迈出第一步后，我们任重而道远
目前，原理样机的研制和测试已经验证了该技术的可行性和优越性，但是要真正推广该技术的大规模应用，研究团队可谓任重道远。仅就实现聚光太阳能和电堆之间的集成优化就是一个交叉学科问题，有着非常复杂的机理和工程问题。
不过，千里之行，始于足下，我们相信，科技创新之火将会照亮清洁能源的探索征途。研究团队全体科研人员定将再接再厉，用坚守与智慧，托举民族能源事业，铸就辉煌未来。
来源丨中国科普博览、科普中国