导读
据瑞士洛桑联邦理工学院官网近日报道，该校研究人员以低成本的方式在给定区域聚集太阳辐射以生成大量氢气。他们开发出的系统能以17%转化率以及前所未有的功率和电流密度，将太阳能转化为氢气。背景
传统的矿物燃料例如石油和煤，都属于不可再生资源，经过亿万年才能形成，短期内无法恢复。随着大规模的开发利用，其储量会越来越少，最终面临枯竭。此外，矿物燃料燃烧后会产生大量有害气体和温室气体，不仅会污染环境，还会造成温室效应。
为了减少对于矿物燃料的依赖，人类正在探索各种新能源，例如太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等。它们可循环再生，取之不尽，用之不竭，而且清洁环保。
太阳能发电装置（图片来源：维基百科）
利用海浪发电的涡轮机（图片来源：OIST）
此外，氢气也被认为是一种非常重要的新一代清洁能源。氢气燃烧的产物是水，不会对环境造成任何污染。同时，氢气燃烧的热值高居各种燃料之冠，据测定，每千克氢燃烧放出的热量为1.4*10^8J，为石油热值的3倍多。氢气可通过风能或者太阳能电解水的方式持续生产。生产出的氢气可存储起来，用于氢燃料电池汽车或者根据需要转化为电力。
但是对于研究人员来说，让氢气在大规模应用时变得可靠且便宜，是一项极具挑战性的任务。高效的太阳能制氢需要稀有且昂贵的材料（无论是对太阳能电池还是催化剂来说），来采集能量然后再转化这些能量。
创新
近日，瑞士洛桑联邦理工学院可再生能源科学与工程（LRESE）实验室的科学家们提出一个想法：以低成本的方式在给定区域聚集太阳辐射以生成大量氢气。他们开发出一种改进的光电化学系统，使用时结合聚集的太阳光以及智能热管理系统，能以17%转化率以及前所未有的功率和电流密度，将太阳能转化为氢气。此外，他们的技术稳定，并可以应对日常太阳辐射的随机动态变化。前不久，他们的研究成果发表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上。
（图片来源： Marc Delachaux / EPFL）
技术
论文合著者之一的 Saurabh Tembhurne 表示：“在我们的设备中，一薄层的水用于冷却太阳能电池。系统的温度保持相对较低，使太阳能电池可以表现出更好的性能。”
LRESE 的研究员 Fredy Nandjou 补充道：“与此同时，水获得的热量转移至催化剂，从而改善化学反应并提升氢气的生产率。”因此，在转换过程的每一步中，氢气的生产都得到了优化。
科学家们采用 LRESE 独特的太阳光模拟器，来演示他们设备的稳定性能。实验室级的演示成果让人感到非常有前景。设备一直在升级，现在已经在 EPFL 洛桑校区进行户外测试。研究团队安装了一个直径为7米的抛物面反射镜，它能千倍地聚焦太阳辐射并驱动设备。首个测试正在进行中。
研究人员利用开放的接口去监测系统的瞬间性能。作为他们研究的一部分，科学家们也进行了技术和经济可行性研究，并开发了一个称为“SPECDO（太阳能光电化学设备优化）”的开源软件项目。这个项目可以帮助工程师们设计低成本的光电化学系统组件，利用太阳能制氢。此外，他们还提供了一个称为“SPECDC（太阳能光电化学设备对比）”的动态基准测试工具，用于对比和评估所有的光电化学系统示例。
价值
科学家们经过评估认为，他们的系统可运行超过3万小时，约4年，无需更换任何部件。如果更换某些部件的话，该系统可以运行达20年。他们的太阳能聚光器可以旋转并追踪天空中的太阳，从而保持产出最大化。
LRESE 领头人以及该项目负责人 Sophia Haussener 解释道：“在晴天，我们的系统每天可以产生1千克氢气，这些氢气足够一辆氢动力汽车行驶100千米到150千米。”
对于分布式、大规模的氢气生产来说，几个聚光器系统可以结合到一起，在化工厂生产氢气，或者为氢气站生产氢气。Tembhurne 和 Haussener 正在计划通过一个称为“SoHHytec”的衍生公司，让他们的技术从实验室走向工业生产。
关键字
太阳能、氢气、开源软件、新能源
【1】Tembhurne, Nandjou and Haussener. A thermally synergistic photo-electrochemical hydrogen generator operating under concentrated solar irradiation. Nature Energy, 2019 DOI: 10.1038/s41560-019-0373-7
【2】https://actu.epfl.ch/news/record-solar-hydrogen-production-with-concentrated/
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