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。
水氢汽车太阳能发电、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。
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