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不同的再生能源制氫方式介紹

　更新時間：2023-08-25 點擊量：2112

有一些方法允許利用基于清潔能源的水的熱分解生產氫，如太陽能、風能、地熱能、生物質能、水能、海洋熱能、潮汐和波浪能以及核能。在本文中，我們重點介紹了基于太陽能和風能的制氫工藝。下圖1總結了上述制氫方法。下圖2展示了通過清潔能源生產清潔氫氣的過程。

圖1：不同的制氫方法

圖2：利用太陽能和風能生產清潔氫的過程。

下面具體介紹基于風能和太陽能的不同制氫工藝！

一、太陽能電解系統

該系統由光伏電池組成，光伏電池產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

水的電解是將水(H2O)分解為H2和O2氣體的電化學水分解過程，如下圖4所示。氫離子和氧離子通過水分別到達陰極和陽極。產生的氫氣有很多應用，例如燃料電池應用和焊接應用，當與O2混合得到氫氧氣體。該方法可生產大量高純度氫氣，且不影響環境。這個制氫過程是由太陽能供電的。

圖4：電解水原理圖

目標是將電解槽的效率提高到90%以上，目前的效率約為75%。當使用可再生能源作為電能時，電解槽產生的氫氣過程沒有溫室氣體排放。

上圖3所示的pv電解裝置由一個三結太陽能電池和兩個串聯的電解(PEM)單元組成。使用水冷卻系統將電池冷卻至25℃，并在基于白光的太陽模擬器下照射，使用氙弧燈獲得與AM 1.5D太陽照射相對應的照度。

兩個電解單元與PV電池串聯。水被泵入電解單元的陽極室，電解單元的陰極沒有輸入流。水和O2從電解裝置的陽極室流向第二電解裝置的陽極室。氫氣從電解裝置的陰極側流向第二電解裝置的陰極側。產生的H2和O2從第二個電解裝置收集，剩余的水收集在一個水箱中，然后再循環到系統中。

電解裝置的溫度幾乎固定在80°C，這與工業水電解的標準條件相對應。

二、光伏/熱(PV/T)-混合電解系統

太陽能光伏熱(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輻照、水溫、水質量流量等不同因素對產氫的影響。

一項實驗研究調查了通過混合PV/T利用太陽能生產氫，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水，如下圖7所示。對不同電解水溫度下的制氫裝置進行了實驗研究。結果表明，在配置下，系統的產氫速率約為154 mL/min，系統效率約為21%，日產氫量約為221 L/天。

圖7：實驗裝置與熱電偶位置。

三、風能電解系統

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

●直接配置：風能發電電解。該應用適用于有風電場的偏遠地區。

●使用這種配置生產氫氣：混合風電/電網電解。這種應用允許電網在無風時作為風力發電機的輔助能源。

●第三種配置包括使用風能生產氫氣，多余的風能提供給電網。

●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，可以通過燃料電池產生電力。

下圖8顯示了風電解系統的不同組成部分。

圖8：風電解系統原理。

一項研究闡述了利用水平軸風力渦輪發電機(HAWT)為一種堿性電解（AWE）的電解提供動力，并利用多余的氫氣通過燃料電池發電。研究發現，它的總效率為60%。一項關于風能/氫氣系統的實驗研究為10戶家庭提供了3天的電力。與其他能源相比，風能的電力成本更高。因此，將采取許多措施來降低風力發電系統的成本。實際上，由于風速波動，已經引入斬波電路來調節每個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，使用垂直軸風力渦輪發電機(VAWT)為電解系統供電的實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氫氣。該過程基于光電催化或直接光催化。這個過程的原理是在附帶光的作用下在電極之間產生和轉移電子。當電極由諸如半導體(SC)之類的光活性材料制造時，這可以執行。光陽極由N型SC制成，而光電陰極由P型SC制成。光電化學電池(PEC)的原理如下圖9所示。

圖9：PEC電池的原理(a)；光陽極帶金屬陰極(B)；光電陰極帶金屬陽極(C)。

光催化系統的原理是基于太陽能的水分解，驅動光材料，產生光激發的載流子，以簡單的步驟產生氫氣，如下:

●太陽光被光陽極吸收，然后產生電子和空穴。

●電子和空穴在電極之間轉移。

●化學反應允許從水分子中提取H2和O2。

基于水分解系統的氫氣生產可闡述如下:

●光觸媒)系統

●光電化學)系統

●光伏-光電化學)系統

PC系統是一種基于太陽輻照的簡單的水分解方法(見下圖10)。

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

●由于在水分解過程中需要額外的能量來立即分離H2和O2，因此效率較低。

●在PC系統的照明下，由于相同的反應速率而沒有水的分裂，可以引起光穩態。

●對于大型項目企業，PC系統的安裝是復雜的。

圖10：太陽能氫基光催化系統(PC)方案

V-PEC由單個光電極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)移動到半導體電極-液體界面進行反應，如圖11b、c所示。PEC系統的優點是不需要氣體進行分離，因為H2和O2的生成是在不同的電極兩側分離的。