太阳能分解水制氢存在问题与前景展望
导读：1、太阳光热化学分解水制氢；2、太阳能发电、电解水制氢(PTG)；3、太阳能直接电解制氢原理图；4、沙特阿拉伯—个350kw的太阳能制氢系统；5、中国第一个太阳能氢系统；6、太阳能制氢技术应用的项目介绍,。
目前的光催化剂和光催化体系仍存在诸多问题，距离实际的应用尚需时日。比如，大多数光催化剂仅在紫外光区域稳定有效，在可见光区域则活性较低，能量转化效率也不高。因此，未来的研究方向首先仍应当是高效、稳定、低成本的可见光催化剂的研制。其次，综合利用对光催化剂的改进与修饰手段，构建合适的光催化反应体系亦十分重要。若能将该体系与水处理等其他单元有机耦合，同样不失为个有前景的发展方向。
2017年最新进展，针对光解水制氢过程中的逆反应严重、氢气难分离和存储的问题，研究人员从英国科学家安德烈海姆爵士(诺贝尔奖获得者)和中国科学技术大学吴恒安教授的研究工作得到启发：石墨烯能够隔绝所有气体和液体，缺对质子能够“网开一面大方放行。利用这一大自然给质子开的“方便之门”，江俊等设计了种二维碳氮材料与石墨烯基材料复合的三明治结构。而在这三明治结构体系中，碳氮材料夹在两层官能团修饰的石墨烯中。第一性原理计算表明，这体系可以同时吸收紫外光和可见光，利用太阳光能产生激子，光生激子迅速分离形成高能电子和空穴并分别迁移至中间的碳氮材料和外层的石墨烯材料上。而吸附在石墨烯基材料活性位点上的水分子在光生空穴的帮助下，发生裂解，产生质子。这些产生的质子受碳氮材料上内建静电场驱动，可穿透石墨烯材料，运动到内部的二维碳氮材料上，并且遇到电子后反应产生氢气。由于石墨烯唯一放行的仅仅是氢原子(质子)，而光解水产生的氢气不能穿透石墨烯材料，导致光解水产生的氢气分子将被安全地保留在三明治复合体系内；同时O2、OH等体系也无法进入复合体系，抑制了逆反应的发生，实现了高储氢率下的安全储氢。
这一研究体系以较低的成本，巧妙地抑制了光解水制氢的逆反应发生，实现了氢气的有效提纯，是首个安全制氢与储氢一体化的设计[18]。其产业化还有很长的路要走，但毕竟有了方向。
太阳光热化学分解水制氢
直接分解水需要达到2500℃以上的温度，同时还存在气体的分离问题，在正常环境下是不可行的，而通过热化学循环过程，可以在较低的温度下分解水，总的效率可达50%；如果能与高温核反应堆耦合，则有望成为可大规模利用、不产生温室气体且具有经济性的制氢方法。
其原理为：在水中加入催化剂，将水分解反应分成几个不同的反应，并组成一个循环过程。这个过程可以大大降低加热的温度，催化剂可以反复使用。各步反应的熵变、焓变和 Gibbs自由能变化的加合等于水直接分解反应的相应值；而每步反应有可能在相对较低的温度下进行。在整个过程中只消耗水，其他物质在体系中循环，这样就可以达到热分解水制氢的目的。
在评价指标中，制氢效率最为重要，它代表了过程的能耗，也和制氢成本密切相关，其高低是一个热化学循环是否有价值的前提。由于水电解制氢过程的总体效率为26%~35%，所以制氢效率大于35%是热化学循环制氢的起码条件。
太阳光热化学分解水制氢是热化学制氢的重要分支。其中热化学制氢是关键，这里太阳能只是热源罢了，其他的热源还有高温气冷核反应堆。对热化学的研究的文献及书籍很多，有兴趣的读者可以参阅毛宗强、毛志明合著的《氢气生产过程及热化学利用》，化学工业出版社2015年5月北京第一版第二章热化学制氢。
太阳能发电、电解水制氢(PTG)
电解水制氢是获得髙纯度氢的传统方法。其原理是：将酸性或碱性的电解质溶入水中，以增加水的导电性，然后让电流通过水，在阴极和阳极上就分别得到氢气和氧气。目前，世界上已有许多先进的大型电解装置在运行，一天制氢量在千吨以上，电氢的转化效率可达75%以上。常规的太阳能电解水制氢的方法与此类似。第一步是通过太阳能电池将太阳能转换成电能，第二步是将电能转化成氢，构成所谓的太阳能光伏电池-电解水制氢系统。由于太阳能光伏电池·电的转换效率较低，价格非常昂贵，致使在经济上太阳能电解水制氢至今仍难以与传统电解水制氢竟争，更不要说和常规能源制氢相竞争了。
最近，人们提出太阳能直接电解制氢，其基本原理见图4-5。基于光电化学池和半导体光催化法，即通过光阳极吸收太阳能并将光能转化为电能，同时在对电极上给出电子。光阳极通常为光电半导体材料，纳米感光微粒通过密集有序组装，形成高密度受光体，受光激发可以产生高电压和电子、空穴对。由于有序结构和电池外电路，电子与空穴不再直接复合。这样光阳极和对极-阴极组成光电化学池， 在电解质存在下光阳极吸光后，在半导体导带上激发产生的电子通过外电路流向对极，水中的质子从对极上接受电子产生氢气见图4-5。
图4-5太阳能直接电解制氢原理图
美国加州洪堡州立大学莎茨能源研究中心开发的太阳能制氢系统，每天可自动生产出干净的氢燃料。该系统于1989年开始筹建，由莎茨通用塑料制造公司投资。
系统的光伏电池为9.2kW，与7.2kW(电)双极碱性电解槽匹配，最大制氢量为每分钟25L。当有日照时，光伏电池发出的电能直接供给压缩机，多余的电能供给电解槽制氢。当没有日照时，一台1.5KW的质子交换膜燃料电池，用储存的氢发电，供给压缩机。光伏电池由192块西门子公司生产的M75光伏组件构成，分成12个子阵列，形成24V直流电源。计算机每隔2s读出各子阵列的电流及其他参数，并在压缩机和电解槽之间分配能量。试验表明，尽管日照有变化，但在运行期间输送给压缩机的功率却很稳定。
莎茨太阳能系统对30个运行参数进行连续监测，如果有一个参数超出规定范围，系统就会安全关闭。该系统中空气压缩机不是一个模拟负载，必须连续进行。若断电，空气压缩机就会自动连接电网，如果电网也断电，它就会自动启动备用电源。从1993年1月至1994年6月，该系统的平均制氢效率为6.1%。
德国一座500kw的太阳能制氢试验厂目前已经投入试验运行，生产的氢气被用做锅炉和内燃机燃料或用于燃料电池的运行。在沙特阿拉伯也建成了—个350kw的太阳能制氢系统，这一系统是德国航天局和阿布杜拉科学城的试验硏究和培训基地。德国戴姆勒-克莱斯勒汽车公司和BMW公司正利用这一设施进行氢气用作汽车燃料的试验研究。德国已经投资5000万马克进行工程的可行性研究，该工程计划在北非沙漠地带建造太阳能光伏发电站，用其发出的电生产氢气，然后把产出的氢气利用管道经意大利输送到德国。
2008年，清华大学实验运行了中国第一个太阳能氢系统。它由个2kW光伏电池阵列、48V(300Ah)铅酸电池、0.5m3/h制氢容量碱性水电解槽、10m3LaNi5合金储氢储罐和200WH2/空气PEM燃料电池组成。系统安装在清华大学核能与新能源技术研究院(INET)并成功运行了几个月。实验目的是研究太阳能氢能系统的技术和经济的可行性，为将来大规模的可再生能源制氢做准备。两个月运行结果显示40.68%能量转化为氢，氧气耗能为7.21kWh/m3H2。经济分析结果说明，太阳能-氢能系统可以很好地运行。不过，目前在经济上是不合算的。建议采用高能量转换效率、低成本的太阳能电池板和电解槽技术以减少成本，与电网联用以增加系统产出。该项目是由壳牌石油公司赞助。