天然气重整是目前全球氢能生产的主要技术路线，我国约15%~20%的氢气生产来源于天然气。太阳能天然气热化学制富氢燃料，不仅将间歇、波动、低能流密度的太阳能以稳定、高密度的燃料化学能形式存储，并且有望实现太阳能与传统天然气热化学基础设施的有机结合，是太阳能稳定利用与低碳清洁燃料生产的重要途径与国际研究热点。然而，太阳能天然气热化学受限于较高反应温度（~900℃）导致的较大聚光反应耦合不可逆性，太阳能制燃料效率（当前国际水平~34%）尚难以满足规模化应用需求，制约着该技术的进一步发展。
针对太阳能高温、高不可逆性、低效热化学转化挑战，工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室开展了太阳能甲烷（天然气主要成分）热化学制燃料机理与方法研究。不同于传统研究多关注太阳能热化学的能量“数量”转化，本研究利用团队提出的聚光太阳能能质能势理论，从能量的“质”与“势”出发，通过反应解耦、路径重构等研究思路，提出了太阳能甲烷分步转化制燃料方法（见图1）。反应路径的改善使得太阳能热化学转化过程中的能量与能质重新分布，将反应温度从~900℃降低至~750℃，进而有效降低了聚光反应耦合不可逆损失。研制了10kWth级太阳能反应器技术样机，在超过11h的长周期稳定运行实验下，H2与CO的燃料选择性接近100%，太阳能到燃料转化效率42.8%（见图2）。
目前，热化学装置在我国天然气基础设施中占据核心地位。本研究有效降低了太阳能天然气热化学反应温度，并提升了太阳能到燃料转化效率，为减小聚光镜场面积与制燃料成本，实现太阳能与传统天然气热化学基础设施的结合提供了新的技术方案。
本研究获得国家自然科学基金(52225601、52090061)资助，相关研究成果发表于能源化工领域国际权威期刊Chemical Engineering Journal (IF：13.4)。
图1 太阳能甲烷分步转化制燃料方法
图2 产物选择性与太阳能到燃料转化效率