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(yáng)能、風(fēng)能、地熱能、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(yáng)能和風(fēng)能的制氫工藝。下圖1總結了上述制氫方法。下圖2展示了通過(guò)清潔能源生產(chǎn)清潔氫氣的過(guò)程。

圖1：不同的制氫方法

圖2：利用太陽(yáng)能和風(fēng)能生產(chǎn)清潔氫的過(guò)程。

下面具體介紹基于風(fēng)能和太陽(yáng)能的不同制氫工藝！

一、太陽(yáng)能電解系統

該系統由光伏電池組成，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

太陽(yáng)能光伏熱(PV/T)電解系統由光伏板和PEM電解組成。PV/T電解系統由以下部分組成：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。

圖5：所提出系統的原理圖

使用PEM電解電池(PEMEC)對PV/T系統的性能進(jìn)行了測試。PV/T為PEMEC提供必要的電流并預熱給水。利用PEMEC制氫的年度實(shí)驗數據如下圖6所示。

圖6：PV和PV/T月制氫量的比較。

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

一項實(shí)驗研究調查了通過(guò)混合PV/T利用太陽(yáng)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。對不同電解水溫度下的制氫裝置進(jìn)行了實(shí)驗研究。結果表明，在配置下，系統的產(chǎn)氫速率約為154 mL/min，系統效率約為21%，日產(chǎn)氫量約為221 L/天。

圖7：實(shí)驗裝置與熱電偶位置。

三、風(fēng)能電解系統

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

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

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

●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應，該配置具有氫氣存儲系統，可以通過(guò)燃料電池產(chǎn)生電力。

下圖8顯示了風(fēng)電解系統的不同組成部分。

圖8：風(fēng)電解系統原理。

一項研究闡述了利用水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(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(guò)燃料電池發(fā)電。研究發(fā)現，它的總效率為60%。一項關(guān)于風(fēng)能/氫氣系統的實(shí)驗研究為10戶(hù)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(lái)降低風(fēng)力發(fā)電系統的成本。實(shí)際上，由于風(fēng)速波動(dòng)，已經(jīng)引入斬波電路來(lái)調節每個(gè)電解系統的輸入電量。

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

四、PEM電解/光催化

用異相光催化劑也可以生產(chǎn)氫氣。該過(guò)程基于光電催化或直接光催化。這個(gè)過(guò)程的原理是在附帶光的作用下在電極之間產(chǎn)生和轉移電子。當電極由諸如半導體(SC)之類(lèi)的光活性材料制造時(shí)，這可以執行。光陽(yáng)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。

光催化系統的原理是基于太陽(yáng)能的水分解，驅動(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)反應允許從水分子中提取H2和O2。

●光伏-光電化學(xué))系統

PC系統是一種基于太陽(yáng)輻照的簡(jiǎn)單的水分解方法(見(jiàn)下圖10)。

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

V-PEC由單個(gè)光電極PEC結構組成，由PV電池供電，如下圖11a所示。在PEC系統中，光陽(yáng)極和光電陰極由光活性半導體材料制成。用低電壓裂解水。入射太陽(yáng)輻射使幾代載流子和空穴(N型光陽(yáng)極)、電子(P型光電陰極)移動(dòng)到半導體電極-液體界面進(jìn)行反應，如圖11b、c所示。PEC系統的優(yōu)點(diǎn)是不需要氣體進(jìn)行分離，因為H2和O2的生成是在不同的電極兩側分離的。

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

●光生物學(xué)。

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

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

在將剩余的電子轉移到光系統后，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(guò)程根據這一反應向大氣中釋放氧氣：

六、熱解系統

基于太陽(yáng)能的熱分解系統或水的熱分解已被應用于提高效率和最小化制氫成本。與太陽(yáng)能電解制氫的成本相比，利用高溫電解水和氣的太陽(yáng)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

熱化學(xué)過(guò)程是通過(guò)熱源(熱水瓶)與化學(xué)反應相結合，將水分解成氫和氧。所使用的化學(xué)物質(zhì)在稱(chēng)為熱化學(xué)循環(huán)的過(guò)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(guò)程需要三個(gè)條件：

八、蒸汽電解

在蒸汽電解過(guò)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(lái)源：氫眼所見(jiàn)

注：以獲得轉載權