多種利用清潔能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、水能、海洋熱能、潮汐和波浪能以及核能）通過(guò)水熱分解生產(chǎn)氫氣的方法已經(jīng)得到發(fā)展。本文重點(diǎn)介紹基于太陽(yáng)能和風(fēng)能的制氫工藝。

圖1概括了主要的清潔制氫方法：

圖2展示了利用太陽(yáng)能和風(fēng)能生產(chǎn)清潔氫氣的過(guò)程：

下面將詳細(xì)介紹基于風(fēng)能和太陽(yáng)能的具體制氫工藝：

一、 太陽(yáng)能電解系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用光伏（PV）電池產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)電解槽分解水。其核心原理如圖所示：

圖3：光伏電解裝置原理圖

電解過(guò)程是將水（H?O）分解為氫氣（H?）和氧氣（O?）的電化學(xué)過(guò)程。氫離子和氧離子分別遷移至陰極和陽(yáng)極。產(chǎn)生的高純度氫氣用途廣泛（如燃料電池、焊接用氫氧焰）。此方法可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、環(huán)境友好的制氫，并由太陽(yáng)能供電。

圖4：電解水原理圖

目前電解槽效率約為75%，目標(biāo)是提升至90%以上。使用可再生能源供電時(shí)，此過(guò)程無(wú)溫室氣體排放。

圖3所示的典型裝置包含一個(gè)三結(jié)太陽(yáng)能電池和兩個(gè)串聯(lián)的質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽。系統(tǒng)在模擬太陽(yáng)光（AM 1.5D）下運(yùn)行，電池溫度通過(guò)水冷系統(tǒng)維持在25℃。兩個(gè)電解槽串聯(lián)：水被泵入第一個(gè)槽的陽(yáng)極室，其陰極無(wú)輸入流；第一個(gè)槽陽(yáng)極室輸出的水、O?混合物進(jìn)入第二個(gè)槽的陽(yáng)極室；第一個(gè)槽陰極產(chǎn)生的H?進(jìn)入第二個(gè)槽的陰極室。最終H?和O?從第二個(gè)槽收集，殘余水回收到水箱循環(huán)利用。電解槽工作溫度穩(wěn)定在80°C（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。

二、 光伏光熱（PV/T）混合電解系統(tǒng)

該系統(tǒng)結(jié)合了光伏發(fā)電與集熱功能，由PV/T板、DC/DC變換器和PEM電解槽組成。PV/T系統(tǒng)為電解槽提供電流并預(yù)熱進(jìn)水。利用PEM電解槽（PEMEC）進(jìn)行的年度測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比了純PV系統(tǒng)與PV/T系統(tǒng)的月產(chǎn)氫量，表明PV/T系統(tǒng)因熱能利用具有優(yōu)勢(shì)。

圖5：所提出系統(tǒng)的原理圖

圖6：PV和PV/T月制氫量的比較

建立的PV/T-PEMEC系統(tǒng)模型有助于研究輻照度、水溫、水流量等因素對(duì)產(chǎn)氫的影響。實(shí)驗(yàn)研究（裝置見(jiàn)圖7）驗(yàn)證了利用PV/T混合能源（電能驅(qū)動(dòng)堿性電解槽，熱能加熱背板循環(huán)水）制氫的可行性。在優(yōu)化配置下，系統(tǒng)最大產(chǎn)氫速率達(dá)154 mL/min，效率約21%，日產(chǎn)氫量約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)

風(fēng)電解系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變流器（AC/DC）和水電解槽構(gòu)成。應(yīng)用配置多樣：

直接配置：風(fēng)電場(chǎng)直接供電電解制氫，適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)。

風(fēng)電/電網(wǎng)混合配置：無(wú)風(fēng)時(shí)電網(wǎng)作為備用電源。

風(fēng)電制氫并網(wǎng)配置：生產(chǎn)氫氣，多余風(fēng)電輸入電網(wǎng)。

風(fēng)電制氫儲(chǔ)能配置：包含儲(chǔ)氫系統(tǒng)，可通過(guò)燃料電池在需要時(shí)發(fā)電。

系統(tǒng)核心組件如圖8所示：

圖8：風(fēng)電解系統(tǒng)原理

研究表明，利用水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（HAWT）為堿性水電解（AWE）供電，并用富余氫氣通過(guò)燃料電池發(fā)電，系統(tǒng)總效率可達(dá)60%。實(shí)驗(yàn)證明一個(gè)風(fēng)/氫系統(tǒng)可為10戶家庭供電3天。雖然風(fēng)電成本相對(duì)較高，但通過(guò)引入斬波電路調(diào)節(jié)輸入電解槽的波動(dòng)電能，可提高系統(tǒng)壽命和效率。使用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（VAWT）供電的實(shí)驗(yàn)也取得了積極結(jié)果。

四、 光電化學(xué)/光催化（PEC/PC）制氫

利用光催化劑或光電極（光電化學(xué)法）在光照下分解水制氫是另一種途徑。

光電化學(xué)（PEC）： 利用光活性半導(dǎo)體材料（如N型光陽(yáng)極，P型光電陰極）在光照下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)驅(qū)動(dòng)水分解反應(yīng)（圖9原理）。其優(yōu)點(diǎn)在于H?和O?在不同電極側(cè)生成，無(wú)需額外分離。結(jié)構(gòu)形式多樣（圖11）：(a) 由獨(dú)立光伏電池供電的單光電極PEC，(b) 并聯(lián)的雙光電極PEC，(c) 串聯(lián)的雙光電極PEC。

光催化（PC）： 更簡(jiǎn)單的水分解方法（圖10），反應(yīng)在均相中進(jìn)行，無(wú)需電極。但存在效率低（需額外能量分離氣體）、易達(dá)到光穩(wěn)態(tài)限制反應(yīng)、以及大規(guī)模應(yīng)用復(fù)雜等局限。

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

圖10：太陽(yáng)能氫基光催化系統(tǒng)(PC)方案

五、 生物光解/光化學(xué)制氫

此過(guò)程利用陽(yáng)光和生物/化學(xué)系統(tǒng)從水中分離氫，可分為光電化學(xué)、光化學(xué)和光生物途徑。光生物過(guò)程效率較低，主要用于小規(guī)模制氫或研究。

生物光解利用太陽(yáng)能分解水：

直接生物光解： 陽(yáng)光直接驅(qū)動(dòng)水分解，產(chǎn)生的電子被利用。

間接生物光解： 內(nèi)源性底物分解提供電子，氫化酶利用這些電子在近零CO?排放下產(chǎn)氫，并釋放氧氣。

六、 熱解系統(tǒng)

利用聚光太陽(yáng)能產(chǎn)生高溫（約2500°C）直接分解水（熱解離），或用于加熱分解化石燃料（如天然氣）制氫。相比太陽(yáng)能電解，太陽(yáng)能熱解離（尤其是高溫分解化石燃料）可降低制氫成本。

七、 熱化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)

該過(guò)程結(jié)合熱源（如太陽(yáng)能聚熱）與一系列化學(xué)反應(yīng)，在較低溫度下（相比直接熱解）將水分解為氫和氧，使用的化學(xué)物質(zhì)在循環(huán)中被回收。避免了直接高溫分解對(duì)材料和氣體分離的苛刻要求。

八、 高溫蒸汽電解（HTSE）

與低溫水電解相比，高溫（通常>700°C）蒸汽（H?O(g)）電解（HTSE）所需電能更低，部分能量由熱能提供，從而降低成本和提升效率。核心部件是固體氧化物電解池（SOEC）（圖12），由致密電解質(zhì)（氧離子導(dǎo)體）和兩側(cè)的多孔電極（H?側(cè)陰極，O?側(cè)陽(yáng)極）組成陶瓷三層結(jié)構(gòu)。

圖12：電化學(xué)電池