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

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。

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:

●化學反應允許從水分子中提取H2和O2。

●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：

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。

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

●光生物學。

在生物光解系統中，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，內源性底物分解代謝并產生用于間接過程的電子。

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氫氣。生物光解過程根據這一反應向大氣中釋放氧氣：

六、熱解系統

基于太陽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。聚光器產生的熱能可用于加熱熱解系統中的水或化石燃料。事實上，天然氣在高溫下的熱分解是更合適的制氫方法。

七、熱化學系統

熱化學過程是通過熱源(熱水瓶)與化學反應相結合，將水分解成氫和氧。所使用的化學物質在稱為熱化學循環的過程中被回收。

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成本降低，效率高。

圖12：電化學電池的展示。

文章來源：氫眼所見

注：以獲得轉載權