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不同的再生能源制氢方式介绍

　更新时间：2023-08-25 点击量：1056

有一些方法允许利用基于清洁能源的水的热分解生产氢，如太阳能、风能、地热能、生物质能、水能、海洋热能、潮汐和波浪能以及核能。在本文中，我们重点介绍了基于太阳能和风能的制氢工艺。下图1总结了上述制氢方法。下图2展示了通过清洁能源生产清洁氢气的过程。

图1：不同的制氢方法

图2：利用太阳能和风能生产清洁氢的过程。

下面具体介绍基于风能和太阳能的不同制氢工艺！

一、太阳能电解系统

该系统由光伏电池组成，光伏电池产生电能为电解装置供电，如下图3所示。

图3：光伏电解装置原理图

水的电解是将水(H2O)分解为H2和O2气体的电化学水分解过程，如下图4所示。氢离子和氧离子通过水分别到达阴极和阳极。产生的氢气有很多应用，例如燃料电池应用和焊接应用，当与O2混合得到氢氧气体。该方法可生产大量高纯度氢气，且不影响环境。这个制氢过程是由太阳能供电的。

图4：电解水原理图

目标是将电解槽的效率提高到90%以上，目前的效率约为75%。当使用可再生能源作为电能时，电解槽产生的氢气过程没有温室气体排放。

上图3所示的pv电解装置由一个三结太阳能电池和两个串联的电解(PEM)单元组成。使用水冷却系统将电池冷却至25℃，并在基于白光的太阳模拟器下照射，使用氙弧灯获得与AM 1.5D太阳照射相对应的照度。

两个电解单元与PV电池串联。水被泵入电解单元的阳极室，电解单元的阴极没有输入流。水和O2从电解装置的阳极室流向第二电解装置的阳极室。氢气从电解装置的阴极侧流向第二电解装置的阴极侧。产生的H2和O2从第二个电解装置收集，剩余的水收集在一个水箱中，然后再循环到系统中。

电解装置的温度几乎固定在80°C，这与工业水电解的标准条件相对应。

二、光伏/热(PV/T)-混合电解系统

太阳能光伏热(PV/T)电解系统由光伏板和PEM电解组成。PV/T电解系统由以下部分组成：PV-热阵列、变换器DC/DC和电解单元。下图5为PV/ T-混合电解系统。

图5：所提出系统的原理图

使用PEM电解电池(PEMEC)对PV/T系统的性能进行了测试。PV/T为PEMEC提供必要的电流并预热给水。利用PEMEC制氢的年度实验数据如下图6所示。

图6：PV和PV/T月制氢量的比较。

建立了PV/T-PEMEC系统的模型。该模型有助于研究太阳辐照、水温、水质量流量等不同因素对产氢的影响。

一项实验研究调查了通过混合PV/T利用太阳能生产氢，这允许获得电能和热能。电能用于为碱性电解水供电，热能用于加热固定在光伏板背面的循环水，如下图7所示。对不同电解水温度下的制氢装置进行了实验研究。结果表明，在配置下，系统的产氢速率约为154 mL/min，系统效率约为21%，日产氢量约为221 L/天。

图7：实验装置与热电偶位置。

三、风能电解系统

一种风电解装置，包括风力发电机、变流器(交/直流)和水电解槽。许多应用可以使用风能系统执行以下配置:

●直接配置：风能发电电解。该应用适用于有风电场的偏远地区。

●使用这种配置生产氢气：混合风电/电网电解。这种应用允许电网在无风时作为风力发电机的辅助能源。

●第三种配置包括使用风能生产氢气，多余的风能提供给电网。

●第四种情况与第三种配置相对应，该配置具有氢气存储系统，可以通过燃料电池产生电力。

下图8显示了风电解系统的不同组成部分。

图8：风电解系统原理。

一项研究阐述了利用水平轴风力涡轮发电机(HAWT)为一种碱性电解（AWE）的电解提供动力，并利用多余的氢气通过燃料电池发电。研究发现，它的总效率为60%。一项关于风能/氢气系统的实验研究为10户家庭提供了3天的电力。与其他能源相比，风能的电力成本更高。因此，将采取许多措施来降低风力发电系统的成本。实际上，由于风速波动，已经引入斩波电路来调节每个电解系统的输入电量。

这可以提高这种系统的使用寿命和效率。此外，使用垂直轴风力涡轮发电机(VAWT)为电解系统供电的实验工作也给出了可接受的结果。

四、PEM电解/光催化

用异相光催化剂也可以生产氢气。该过程基于光电催化或直接光催化。这个过程的原理是在附带光的作用下在电极之间产生和转移电子。当电极由诸如半导体(SC)之类的光活性材料制造时，这可以执行。光阳极由N型SC制成，而光电阴极由P型SC制成。光电化学电池(PEC)的原理如下图9所示。

图9：PEC电池的原理(a)；光阳极带金属阴极(B)；光电阴极带金属阳极(C)。

光催化系统的原理是基于太阳能的水分解，驱动光材料，产生光激发的载流子，以简单的步骤产生氢气，如下:

●太阳光被光阳极吸收，然后产生电子和空穴。

●电子和空穴在电极之间转移。

●化学反应允许从水分子中提取H2和O2。

基于水分解系统的氢气生产可阐述如下:

●光触媒)系统

●光电化学)系统

●光伏-光电化学)系统

PC系统是一种基于太阳辐照的简单的水分解方法(见下图10)。

在光催化过程中，水的分解出现在均相中，不需要透明电极。PC系统在水分解过程中有一个局限性：

●由于在水分解过程中需要额外的能量来立即分离H2和O2，因此效率较低。

●在PC系统的照明下，由于相同的反应速率而没有水的分裂，可以引起光稳态。

●对于大型项目企业，PC系统的安装是复杂的。

图10：太阳能氢基光催化系统(PC)方案

V-PEC由单个光电极PEC结构组成，由PV电池供电，如下图11a所示。在PEC系统中，光阳极和光电阴极由光活性半导体材料制成。用低电压裂解水。入射太阳辐射使几代载流子和空穴(N型光阳极)、电子(P型光电阴极)移动到半导体电极-液体界面进行反应，如图11b、c所示。PEC系统的优点是不需要气体进行分离，因为H2和O2的生成是在不同的电极两侧分离的。