麻省理工学院工程师设计出高效制氢的“光热制氢”系统 ，效率或突破40%

麻省理工学院的工程师们设计了一个能够高效制氢的“光热制氢”系统。该系统利用太阳的热能来分解水并产生氢气。

氢能被很多人认为是实现碳中和的最关键一环。但目前全球生产的氢能大多以灰氢(化石能源为原料的氢)为主。如何高效、低成本实现大规模绿氢(无碳排放氢气)是摆在能源行业面前的重要任务。

麻省理工认为，光热制氢(STCH)提供了一种完全零排放的替代方案，因为它完全依赖可再生太阳能来推动氢气生产。但到目前为止，现有的STCH设计效率有限：只有约7%的太阳光用于生成氢气，而且产量较低且成本较高。

麻省理工学院的团队迈出了实现太阳制造燃料的重要一步，他们估计新设计可以利用太阳热能的40%来生成更多氢气。效率的提高可以降低系统的总成本，使STCH成为一个有潜力的可扩展、经济实惠的选择。

该研究的首席科学家、麻省理工学院机械工程教授Ahmed Ghoniem表示：“我们将氢气视为未来的燃料，需要低成本、大规模生成氢气。为了改善经济效益，我们必须提高效率，并确保提高太阳能制氢的效率。”

Ghoniem的研究合著者包括麻省理工学院博士后Aniket Patankar，材料科学与工程教授Harry Tuller，滑铁卢大学的Xiao-Yu Wu以及韩国的Ewha女子大学的Wonjae Choi。

麻省理工学院的STCH系统将与现有的太阳能光热系统匹配，STCH系统吸收接收器的热量，将其用于分解水并生产氢气。这个过程与电解不同，电解使用电而不是热来分解水。

STCH系统的核心是一个两步热化学反应。在第一步中，以蒸汽形式存在的水暴露在金属中。这导致金属从蒸汽中夺取氧气，留下氢气。这种金属“氧化”类似于金属在水的存在下生锈，但发生得快得多。一旦分离出氢气，被氧化(或生锈)的金属会在真空中重新加热，这有助于逆转生锈过程并再生金属。去除氧气后，金属可以冷却并再次暴露在蒸汽中以生产更多氢气。这个过程可以重复数百次。

麻省理工学院的这一套系统旨在优化这个过程。整个系统类似于一个运行在圆形轨道上的方形反应器列车。在实际应用中，这个轨道将设置在太阳能热源(如CSP塔)周围。列车中的每个反应器将容纳经历可逆性生锈过程的金属。

每个反应器首先会通过一个高温站，暴露在高达1500摄氏度的太阳热能中。这种极端高温会有效地将氧气从反应器的金属中抽出。然后，金属会处于“还原”状态，准备从蒸汽中夺取氧气。为了实现这一点，反应器会移动到一个温度约为1000摄氏度的冷却站，暴露在蒸汽中以产生氢气。

其他类似的STCH设计都遇到了一个常见的障碍：如何处理从冷却的反应器中释放的热量。如果不回收和重复使用这些热量，系统的效率将太低，无法实际应用。第二个挑战涉及创建一个高能效的真空环境，以便金属可以在其中去除锈。一些原型设计系统使用机械泵来产生真空，尽管这些泵对于大规模氢气生产来说既耗能又昂贵。

为解决这些挑战，麻省理工学院的设计采用了几种节能的解决方案。为了回收那些本来会从系统中逃逸的大部分热量，位于圆形轨道相对的反应器允许通过热辐射互相交换热量;热反应器被冷却，而冷反应器则被加热。这使热量保留在系统内。

研究人员还添加了第二组反应器，将绕着第一列火车循环运行，以相反的方向移动。这些外部反应器将在通常较低的温度下运行，用于排出内部反应器中的氧气，而无需消耗能源的机械泵提供能源。

这些外部反应器将携带第二种容易氧化的金属。随着它们的循环，外部反应器将吸收内部反应器中的氧气，有效地去除原金属的锈，而无需使用能耗高昂的真空泵。两列反应器将持续运行，并分别生成纯氢气和氧气。

研究人员对概念设计进行了详细的模拟，并发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从7%提高到40%。

Ghoniem表示：“我们必须考虑利用系统中的每一点能量，并最小化成本。”在接下来的一年里，该团队将建造该系统的原型机。

Patankar解释道：“当设计实际运行时，这个系统将被安置在太阳能场站中间的一栋小建筑内。在建筑内，可能有一列或多列每列约有50个反应器的列车。我们认为这可以是一个模块化系统，可以通过向传送带上添加反应器来扩大氢气生产规模。”

这项工作得到了麻省理工学院机械工程研究与教育中心和南方科技大学的支持。

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