由可再生能源驅(qū)動(dòng)電解水制取的綠色氫能，正成為重工業(yè)、長(zhǎng)途運(yùn)輸和化工等難減排領(lǐng)域的"脫碳利器"。然而，傳統(tǒng)電解水制氫每生產(chǎn)1公斤氫氣至少消耗9公斤純凈水，不僅增加生產(chǎn)成本，也與全球約40億人面臨水資源短缺的現(xiàn)實(shí)形成沖突。海水電解制氫是解決氫氣生產(chǎn)中淡水資源消耗的重要途經(jīng)之一，發(fā)展?jié)摿薮?，但現(xiàn)有方法普遍依賴昂貴催化劑或額外的海水預(yù)處理，帶來高能耗和額外碳排放。

近日，由麻省理工學(xué)院等高校組成的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種光熱蒸餾-電解水耦合裝置（HSD-WE），成功實(shí)現(xiàn)了太陽能驅(qū)動(dòng)下高效海水電解制氫。該裝置充分利用太陽能全光譜能量，光伏電能用于水電解制備氫氣，光伏板余熱驅(qū)動(dòng)海水蒸餾制備高純水。以太陽光和海水為輸入，在標(biāo)準(zhǔn)日照（1 kW/m2）條件下實(shí)現(xiàn)了12.6%的太陽能-氫氣（STH）轉(zhuǎn)換效率，氫氣產(chǎn)量達(dá)到35.9 L/m2/h，同時(shí)副產(chǎn)1.2 L/m2/h高純水。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)的綠氫生產(chǎn)，擺脫了對(duì)外部高純水和電力的依賴，兼具高能效和良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，為低成本綠氫生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的解決方案。相關(guān)工作以“Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”為題發(fā)表于Energy & Environmental Science。

圖1光熱蒸餾-電解水耦合裝置實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換為電能（綠色區(qū)域），驅(qū)動(dòng)電解水制氫，而光熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱能（黃色區(qū)域）則被用于界面蒸餾以淡化海水，為電解系統(tǒng)提供水源（圖1a）。光伏組件為水電解過程提供電能，其背面集成界面蒸發(fā)器，兼具光伏組件冷卻與海水淡化功能。通過引入重力驅(qū)動(dòng)的海水單向流動(dòng)，可有效抑制蒸發(fā)器鹽分積累，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。此外，蒸發(fā)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(jìn)一步提升系統(tǒng)耐久性（圖1b）。運(yùn)行過程中，蒸餾產(chǎn)生的水蒸氣在質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽陽極側(cè)冷凝，冷凝水進(jìn)入電解槽用于制氫。同時(shí)，冷凝過程釋放的潛熱能夠提升反應(yīng)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(shè)計(jì)及性能表征

HSD-WE裝置采用緊湊集成式設(shè)計(jì)，由光伏組件、毛細(xì)芯、聚碳酸酯間隔層、雙極板（BPs）、氣體擴(kuò)散層（GDLs）、質(zhì)子交換膜、墊圈、散熱器及端板等組成（圖2a, b）。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，集成蒸發(fā)冷卻后的光伏組件電流-電壓（I-V）特性得到顯著優(yōu)化（圖2c中的紅色曲線）。圖2d展示了界面蒸發(fā)器的抗鹽設(shè)計(jì)，利用兩個(gè)儲(chǔ)液槽之間高度差（約6 cm）驅(qū)動(dòng)海水單向流動(dòng)，能夠有效抑制蒸發(fā)器鹽分積累（圖2e）。使用10.5 wt%濃縮海水連續(xù)蒸發(fā)10小時(shí)后，表面無任何鹽結(jié)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性能（圖2h）。在1.65 V工作電壓下，當(dāng)溫度從23℃升至60℃時(shí)，電解電流從278 mA升至495 mA，提升了接近一倍。

圖3光伏組件與PEM電解槽的I-V特性耦合

光伏組件與PEM電解槽的I-V特性直接影響太陽能到氫氣（STH）轉(zhuǎn)換效率。在相同太陽能吸收面積條件下，增加串聯(lián)太陽能電池?cái)?shù)量會(huì)降低短路電流，同時(shí)提高開路電壓，從而改變PEM電解槽極化曲線與光伏組件I-V曲線的交點(diǎn)（圖3a中A和B）。圖3b給出了不同太陽能電池?cái)?shù)量下基于高熱值（HHV）計(jì)算的STH效率，呈先上升后下降的趨勢(shì)，并在電池?cái)?shù)量為4時(shí)達(dá)到峰值。圖3c給出了500 mA電流下PEM電解槽過電位對(duì)STH效率的影響，當(dāng)過電位小于1 V時(shí)，STH效率較為穩(wěn)定，為系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間（圖3c中綠色區(qū)域）。

圖4實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中性能測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，使用太陽模擬器對(duì)HSD-WE裝置產(chǎn)氫性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)儲(chǔ)液槽質(zhì)量變化，從而獲得海水蒸發(fā)速率（圖4a）。光伏組件的I-V曲線（圖4b藍(lán)色曲線）與PEM電解槽極化曲線（圖4b紅色曲線）交點(diǎn)對(duì)應(yīng)用于水電解的總電量，此時(shí)基于高熱值（HHV）計(jì)算STH效率達(dá)到12.6%。圖4c展示了HSD-WE裝置內(nèi)部溫度的變化。此外，實(shí)驗(yàn)中利用水體積置換法測(cè)量氫氣產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化如圖4d所示，圖4e則直觀展示了氫氣收集過程。通過I-V曲線交點(diǎn)、干氫與濕氫收集數(shù)據(jù)分別計(jì)算基于高熱值（圖4f藍(lán)色柱狀圖）和基于Gibbs自由能（圖4f紅色柱狀圖）的STH效率，展示了HSD-WE裝置的整體性能，為光伏-電解水耦合系統(tǒng)優(yōu)化提供重要依據(jù)。

圖5戶外環(huán)境中性能測(cè)試

在美國馬薩諸塞州劍橋市的戶外環(huán)境中，對(duì)HSD-WE裝置進(jìn)行了部分晴天條件下的實(shí)地測(cè)試（圖5a）。測(cè)試過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度變化（圖5b），記錄太陽輻照強(qiáng)度（紅色曲線）與氫氣產(chǎn)率（藍(lán)色曲線）隨時(shí)間的變化（圖5c）。計(jì)算結(jié)果表明HSD-WE裝置在戶外環(huán)境下STH效率也能達(dá)到12.3%。圖5d展示了戶外環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定的氫氣生成過程。

圖6光熱蒸餾-電解水耦合裝置經(jīng)濟(jì)可行性分析

HSD-WE裝置展現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，其氫氣生產(chǎn)成本隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而逐步降低。相比傳統(tǒng)水電解（WE）受高純水和電力消耗導(dǎo)致的高運(yùn)營(yíng)成本（OPEX）限制，HSD-WE在運(yùn)行一年后即可實(shí)現(xiàn)更低制氫成本，并在三年后將制氫成本降至$5/kg，十五年后進(jìn)一步降低至$1/kg以下，彰顯經(jīng)濟(jì)可行性（圖6a）。基于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的STH效率預(yù)測(cè)，HSD-WE的全球年均綠氫產(chǎn)量可達(dá)233 kWh/m2。圖6b展示了HSD-WE在部分代表性城市的預(yù)估年均綠氫產(chǎn)量，體現(xiàn)出不同地理區(qū)域的廣泛應(yīng)用潛力。

本文亮點(diǎn)

1. 全光譜太陽能利用：高能光子轉(zhuǎn)換為電能，低能光子通過光熱效應(yīng)驅(qū)動(dòng)界面蒸餾，實(shí)現(xiàn)光伏組件冷卻與海水淡化。
2. 高效光伏-電解槽耦合：構(gòu)建了硅基太陽能電池陣列光伏系統(tǒng)，并優(yōu)化串聯(lián)電池?cái)?shù)量使其于電解槽更好匹配，將太陽能到氫氣轉(zhuǎn)換效率提升至12.6%。
3. 高效綠氫生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性：依托被動(dòng)運(yùn)行模式和低成本材料選擇，光熱蒸餾-電解水耦合裝置有望將綠氫成本降至$1/kg以下，展現(xiàn)出卓越的經(jīng)濟(jì)可行性。

理海大學(xué)助理教授Xuanjie Wang為本文第一作者，康奈爾大學(xué)助理教授Lenan Zhang、密歇根州立大學(xué)助理教授Xinyue Liu、約翰霍普金斯大學(xué)助理教授Yayuan Liu為本文共同通訊作者。

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2025/ee/d4ee06203e