光电化学制氢的原理
类似于太阳能光伏发电技术, 光电化学制氢技术采用光伏半导体材料产生的光电化学能直接将水分子分解成氢气和氧气, 是太阳能储存在化学燃料中的一种理想途径. 1971年Fujishima和Honda用二氧化钛电极光助电解水获得了氢气, 开始了具有实际意义的光电化学制氢的研究.
典型的光电化学分解太阳池由光阳极和阴极构成. 光阳极通常为光半导体材料, 受光激发可以产生电子空穴对, 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带上产生的电子通过外电路流向阴极, 水中的氢离子从阴极上接受电子产生氢气. 半导体光阳极是影响制氢效率最关键的因素. 应该使半导体光吸收限尽可能地移向可见光部分, 减少光生载流子之间的复合, 以及提高载流子的寿命. 光阳极材料研究得最多的是TiO2. TiO2作为光阳极, 耐光腐蚀, 化学稳定性好.
PECSYS项目欧盟三国共同开展
PECSYS项目的英文全称是Technologydemonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogenproduction. 该项目由德国一家专注于复杂材料与能源转型相关方面科研的研究中心——柏林Helmholtz材料与能源研究中心 (HZB) 于2017年1月1日开展. 该项目由欧盟研究中心的 '展望2020' 计划资助, 投入资金250万欧元. 除HZB研究中心外, 德国的Jülich研究中心, 瑞典乌普萨拉大学, 瑞典Solibro Research Ab研究中心, 以及意大利 Consiglio Nazionale delle Richere 和3SUN两家研究中心都有参与.
目标: 6个月6%的效率
近几年来, 欧洲光伏化学制氢的技术研究有了很大进步, 但与光伏发电技术不同, 光伏制氢一直无法将技术投入大规模生产, 目前光伏制氢的市场价格为每公斤氢8欧元. 因此, 该项目的目的是展示一个运行中的PV-EC系统, 其测量至少10平方米, 使得太阳能制氢的效率至少为6% , 并达到至少16 g / h的氢气生产, 平均成本为5欧元/公斤. 该系统预计在户外条件下连续运行, 六个月后相对于最初效率损失小于10% .
集成设备
设备的研发由HZB研究中心的主要研究团队——光伏薄膜与纳米技术团队 (PVcomB) 来完成. 在研发过程中, 将测试基于不同材料 (如硅和硫族化物) 的光伏电池, 基于金属卤化物钙钛矿的串联电池以及电催化剂和膜, 并开发密封及保护层, 目标是将实验规模为25cm2的设备放大, 最终开发可在极端环境条件下稳定运行的集成设备. 项目中期阶段, 项目组将会把总面积为10平方米的系统安装在德国Jülich和意大利3SUN.
该项目预计使公众和制造公司对这一系统的技术和经济效益产生强烈的改观, 让光伏化学制氢技术成为传统燃料供能的良好替代方案, 并提高欧洲光伏和电解槽制造商的竞争力, 对于全球的光伏化学制氢技术的发展来说也将是突破性的升级.
除了PECSYS项目以外, 欧美光电化学制氢方面的科研项目还有很多, 如美国的NREL实验室等也不断在分子催化剂的降低成本方面有所进展. 相信该技术也会在不久之后实现商业化.
目前, 我国首个风电制氢工业应用项目制氢站已开工建设, 这针对我国大面积弃风问题将是一个有效的解决方案. 虽然目前光电化学制氢项目还无法在我国大规模落地建设, 但相信在技术的飞快发展下, 大规模量产也会很快实现, 光伏产业也会迎来再次的蓬勃发展.
