有一些方法允許利用基于清潔能源的水的熱分解生產(chǎn)氫，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、水能、海洋熱能、潮汐和波浪能以及核能。在本文中，我們重點(diǎn)介紹了基于太陽能和風(fēng)能的制氫工藝。下圖1總結(jié)了上述制氫方法。下圖2展示了通過清潔能源生產(chǎn)清潔氫氣的過程。

圖1：不同的制氫方法

圖2：利用太陽能和風(fēng)能生產(chǎn)清潔氫的過程。

下面具體介紹基于風(fēng)能和太陽能的不同制氫工藝！

一、太陽能電解系統(tǒng)

該系統(tǒng)由光伏電池組成，光伏電池產(chǎn)生電能為電解裝置供電，如下圖3所示。

圖3：光伏電解裝置原理圖

二、光伏/熱(PV/T)-混合電解系統(tǒng)

太陽能光伏熱(PV/T)電解系統(tǒng)由光伏板和PEM電解組成。PV/T電解系統(tǒng)由以下部分組成：PV-熱陣列、變換器DC/DC和電解單元。下圖5為PV/ T-混合電解系統(tǒng)。

圖5：所提出系統(tǒng)的原理圖

使用PEM電解電池(PEMEC)對(duì)PV/T系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。PV/T為PEMEC提供必要的電流并預(yù)熱給水。利用PEMEC制氫的年度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下圖6所示。

圖6：PV和PV/T月制氫量的比較。

建立了PV/T-PEMEC系統(tǒng)的模型。該模型有助于研究太陽輻照、水溫、水質(zhì)量流量等不同因素對(duì)產(chǎn)氫的影響。

一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究調(diào)查了通過混合PV/T利用太陽能生產(chǎn)氫，這允許獲得電能和熱能。電能用于為堿性電解水供電，熱能用于加熱固定在光伏板背面的循環(huán)水，如下圖7所示。對(duì)不同電解水溫度下的制氫裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在配置下，系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率約為154 mL/min，系統(tǒng)效率約為21%，日產(chǎn)氫量約為221 L/天。

圖7：實(shí)驗(yàn)裝置與熱電偶位置。

三、風(fēng)能電解系統(tǒng)

一種風(fēng)電解裝置，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變流器(交/直流)和水電解槽。許多應(yīng)用可以使用風(fēng)能系統(tǒng)執(zhí)行以下配置:

●直接配置：風(fēng)能發(fā)電電解。該應(yīng)用適用于有風(fēng)電場(chǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

●使用這種配置生產(chǎn)氫氣：混合風(fēng)電/電網(wǎng)電解。這種應(yīng)用允許電網(wǎng)在無風(fēng)時(shí)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輔助能源。

●第三種配置包括使用風(fēng)能生產(chǎn)氫氣，多余的風(fēng)能提供給電網(wǎng)。

●第四種情況與第三種配置相對(duì)應(yīng)，該配置具有氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以通過燃料電池產(chǎn)生電力。

下圖8顯示了風(fēng)電解系統(tǒng)的不同組成部分。

圖8：風(fēng)電解系統(tǒng)原理。

一項(xiàng)研究闡述了利用水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(HAWT)為一種堿性電解（AWE）的電解提供動(dòng)力，并利用多余的氫氣通過燃料電池發(fā)電。研究發(fā)現(xiàn)，它的總效率為60%。一項(xiàng)關(guān)于風(fēng)能/氫氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究為10戶家庭提供了3天的電力。與其他能源相比，風(fēng)能的電力成本更高。因此，將采取許多措施來降低風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的成本。實(shí)際上，由于風(fēng)速波動(dòng)，已經(jīng)引入斬波電路來調(diào)節(jié)每個(gè)電解系統(tǒng)的輸入電量。

這可以提高這種系統(tǒng)的使用壽命和效率。此外，使用垂直軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(VAWT)為電解系統(tǒng)供電的實(shí)驗(yàn)工作也給出了可接受的結(jié)果。

四、PEM電解/光催化

用異相光催化劑也可以生產(chǎn)氫氣。該過程基于光電催化或直接光催化。這個(gè)過程的原理是在附帶光的作用下在電極之間產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移電子。當(dāng)電極由諸如半導(dǎo)體(SC)之類的光活性材料制造時(shí)，這可以執(zhí)行。光陽極由N型SC制成，而光電陰極由P型SC制成。光電化學(xué)電池(PEC)的原理如下圖9所示。

光催化系統(tǒng)的原理是基于太陽能的水分解，驅(qū)動(dòng)光材料，產(chǎn)生光激發(fā)的載流子，以簡(jiǎn)單的步驟產(chǎn)生氫氣，如下:

●化學(xué)反應(yīng)允許從水分子中提取H2和O2。

●光伏-光電化學(xué))系統(tǒng)

PC系統(tǒng)是一種基于太陽輻照的簡(jiǎn)單的水分解方法(見下圖10)。

在光催化過程中，水的分解出現(xiàn)在均相中，不需要透明電極。PC系統(tǒng)在水分解過程中有一個(gè)局限性：

V-PEC由單個(gè)光電極PEC結(jié)構(gòu)組成，由PV電池供電，如下圖11a所示。在PEC系統(tǒng)中，光陽極和光電陰極由光活性半導(dǎo)體材料制成。用低電壓裂解水。入射太陽輻射使幾代載流子和空穴(N型光陽極)、電子(P型光電陰極)移動(dòng)到半導(dǎo)體電極-液體界面進(jìn)行反應(yīng)，如圖11b、c所示。PEC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要?dú)怏w進(jìn)行分離，因?yàn)镠2和O2的生成是在不同的電極兩側(cè)分離的。

圖11。光電化學(xué)(PEC)系統(tǒng)方案:(a)由光伏電池供電的光電極PEC系統(tǒng)，(b)并聯(lián)的雙光電極PEC系統(tǒng)，(c)串聯(lián)的雙光電極PEC系統(tǒng)。

●光生物學(xué)。

在生物光解系統(tǒng)中，從水中提取H2和O2是由于太陽能。該過程可分為正向或反向生物光解：

●在間接生物光解過程中，內(nèi)源性底物分解代謝并產(chǎn)生用于間接過程的電子。

在將剩余的電子轉(zhuǎn)移到光系統(tǒng)后，氫化酶允許在幾乎零二氧化碳排放的情況下生產(chǎn)氫氣。生物光解過程根據(jù)這一反應(yīng)向大氣中釋放氧氣：

六、熱解系統(tǒng)

基于太陽能的熱分解系統(tǒng)或水的熱分解已被應(yīng)用于提高效率和最小化制氫成本。與太陽能電解制氫的成本相比，利用高溫電解水和氣的太陽熱解離制氫的成本更低。聚光器產(chǎn)生的熱能可用于加熱熱解系統(tǒng)中的水或化石燃料。事實(shí)上，天然氣在高溫下的熱分解是更合適的制氫方法。

七、熱化學(xué)系統(tǒng)

熱化學(xué)過程是通過熱源(熱水瓶)與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，將水分解成氫和氧。所使用的化學(xué)物質(zhì)在稱為熱化學(xué)循環(huán)的過程中被回收。

在這種方法中，水被加熱到非常高的溫度，這是2500左右，直到它分解成氫和氧。因此，這一過程需要三個(gè)條件：

八、蒸汽電解

在蒸汽電解過程中，蒸汽(H2O (G))的解離所需的能量比液態(tài)水(H2O (L)要少。此外，對(duì)于高溫，加熱可以取代水分解所需的部分電能。這種熱量的貢獻(xiàn)使氫氣生產(chǎn)成本降低，效率高。

圖12：電化學(xué)電池的展示。

文章來源：氫眼所見

注：以獲得轉(zhuǎn)載權(quán)