光電化學制氫的原理
類似於太陽能光伏發電技術, 光電化學制氫技術採用光伏半導體材料產生的光電化學能直接將水分子分解成氫氣和氧氣, 是太陽能儲存在化學燃料中的一種理想途徑. 1971年Fujishima和Honda用二氧化鈦電極光助電解水獲得了氫氣, 開始了具有實際意義的光電化學制氫的研究.
典型的光電化學分解太陽池由光陽極和陰極構成. 光陽極通常為光半導體材料, 受光激發可以產生電子空穴對, 光陽極和對極(陰極)組成光電化學池, 在電解質存在下光陽極吸光後在半導體帶上產生的電子通過外電路流向陰極, 水中的氫離子從陰極上接受電子產生氫氣. 半導體光陽極是影響制氫效率最關鍵的因素. 應該使半導體光吸收限儘可能地移向可見光部分, 減少光生載流子之間的複合, 以及提高載流子的壽命. 光陽極材料研究得最多的是TiO2. TiO2作為光陽極, 耐光腐蝕, 化學穩定性好.
PECSYS項目歐盟三國共同開展
PECSYS項目的英文全稱是Technologydemonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogenproduction. 該項目由德國一家專註於複雜材料與能源轉型相關方面科研的研究中心——柏林Helmholtz材料與能源研究中心 (HZB) 於2017年1月1日開展. 該項目由歐盟研究中心的 '展望2020' 計劃資助, 投入資金250萬歐元. 除HZB研究中心外, 德國的Jülich研究中心, 瑞典烏普薩拉大學, 瑞典Solibro Research Ab研究中心, 以及意大利 Consiglio Nazionale delle Richere 和3SUN兩家研究中心都有參與.
目標: 6個月6%的效率
近幾年來, 歐洲光伏化學制氫的技術研究有了很大進步, 但與光伏發電技術不同, 光伏制氫一直無法將技術投入大規模生產, 目前光伏制氫的市場價格為每公斤氫8歐元. 因此, 該項目的目的是展示一個運行中的PV-EC系統, 其測量至少10平方米, 使得太陽能制氫的效率至少為6% , 並達到至少16 g / h的氫氣生產, 平均成本為5歐元/公斤. 該系統預計在戶外條件下連續運行, 六個月後相對於最初效率損失小於10% .
整合設備
設備的研發由HZB研究中心的主要研究團隊——光伏薄膜與納米技術團隊 (PVcomB) 來完成. 在研發過程中, 將測試基於不同材料 (如矽和硫族化物) 的光伏電池, 基於金屬鹵化物鈣鈦礦的串聯電池以及電催化劑和膜, 並開發密封及保護層, 目標是將實驗規模為25cm2的設備放大, 最終開發可在極端環境條件下穩定運行的整合設備. 項目中期階段, 項目組將會把總面積為10平方米的系統安裝在德國Jülich和意大利3SUN.
該項目預計使公眾和製造公司對這一系統的技術和經濟效益產生強烈的改觀, 讓光伏化學制氫技術成為傳統燃料供能的良好替代方案, 並提高歐洲光伏和電解槽製造商的競爭力, 對於全球的光伏化學制氫技術的發展來說也將是突破性的升級.
除了PECSYS項目以外, 歐美光電化學制氫方面的科研項目還有很多, 如美國的NREL實驗室等也不斷在分子催化劑的降低成本方面有所進展. 相信該技術也會在不久之後實現商業化.
目前, 我國首個風電制氫工業應用項目制氫站已開工建設, 這針對我國大面積棄風問題將是一個有效的解決方案. 雖然目前光電化學制氫項目還無法在我國大規模落地建設, 但相信在技術的飛快發展下, 大規模量產也會很快實現, 光伏產業也會迎來再次的蓬勃發展.
