特斯拉⽼板讨厌的⿊科技，光伏制氢究竟是怎么回事
导读
特斯拉⽼板阿隆-马斯克（Elon Musk）曾说过：（氢）燃料电池技术根本就是在胡扯，完全是垃圾（pure rubbish）！在张海翔博⼠看来，特斯拉⽼板在未来⼏年内，有可能会被打脸。以下是张博⼠对光伏制氢的详细介绍。
⼀、背景奔驰s65图片
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前⾔
⾃18世纪⼯业⾰命起，⼈们凭借化⽯能源提供的能量，创造了空前繁荣的现代⽂明。然⽽，随着化⽯燃料的枯竭以及化⽯燃料燃烧所造成的污染，能源危机和⽇益恶化的⾃然环境，警⽰着⼈们寻新的替代能源。
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新能源的缺陷
太阳能、风能及⽣物质能等可再⽣清洁能源是解决的⽬前能源困境⾏之有效的⽅法之⼀。太阳能光伏发电将太阳能转化为电能，风⼒发电将风能转化为电能。然⽽，太阳光和风⼒都是间歇且不连续，需要其他的能源供给（例如⽕⼒发电⼚）的⽀持，以保证电⽹的安全并且不间断向⽤户供电1-3。此外，电⼒相对于化⽯燃料难以存储，⽽且存储成本⾼（蓄电池）。再次，电⼒的传输消耗，即便是最好的电⼒传输系统，都有约20%的电量在输、变电过程中损耗2。最后，在我国的太阳能和风⼒发电站⼤多建于⼟地租⾦廉价的次发达地区，⼤量电站集中建设致使当地电⽹容量饱和⽽导致电⽹采取限电措施
（2015年前三季度全国弃光电量约30亿千⽡时，弃光率10%），⼤量电⼒因此被浪费。
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氢⽓储能的优势
氢⽓储能为新能源的可靠性和存储难题提供了⼀种全新的解决⽅案，氢⽓作为⼀种理想的能量载体，具有以下优点：
1）氢⽓能以极⾼的转换效率（50%-90%）转化为电能或者其他燃料6；
2）氢⽓可以作为太阳能等可再⽣能源不稳定性的补偿的能源来源；
3）氢⽓能以⽓态、液态甚⾄固态形式存储7；
4）氢⽓可以长距离通过管道或⽓罐进⾏运输3；
5）氢⽓是⼀种⾼能量重量⽐的燃料（142MJ/kg），远⾼于化⽯燃料8；
6）氢⽓燃烧的最终产物只有⽔，使⽤中不会有污染物的排放。
因此，利⽤太阳能来制备氢⽓，将太阳能转换为化学能的形式来存储，是当前太阳能储能的⼀个热点研究⽅向。
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当前氢⽓的应⽤
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⽬前，每年全球约有4500万公吨的氢⽓利⽤化⽯燃料制备，其中⼀半⽤于氨⽓的合成⽣产；37%⽤于⽯油原料加氢处理和加氢⽯化产品；剩余的⽤于甲醇合成、油脂氢化、浮法玻璃制造和航天航空等3-4,9。氢⽓在汽车产业的应⽤也是⽅兴未艾，氢⽓内燃机或者氢⽓燃料电池是氢⽓动⼒车的主要动⼒技术，雪佛兰、奔驰、本⽥、现代等汽车企业均发布了相关的概念车。⾃2015年初丰⽥发售第⼀款量产型氢燃料电池汽车起，氢⽓作为新的能源燃料以⼀种更贴近⼈们⽇常⽣活的⽅式⾛进了公众的视野。氢燃料电池汽车的排放物仅为⽔蒸⽓，可以有效缓解城市机动车污染。中国汽车⼯业协会副秘书长许艳华认为氢燃料电池汽车是未来新能源汽车⼀个重要的发展⽅向。
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当前氢⽓制备的⽅法
氢⽓只是⼀种能量载体，不是能量来源。因此，制备氢⽓的⽅法，决定了氢⽓是否属于可再⽣清洁能
源。如图⼀所⽰，⽬前⼯业上制备氢⽓的⽅法可分为以下⼏个种类2,4-5,9：1、煤⽓转化；2、热化学法；3、⽣物制氢；4、电解⽔制氢；5、⽣物质热解技术等。其中，使⽤化⽯燃料作为主原料的煤⽓转化法，占世界氢⽓制备总量的96%：其中天然⽓占48%、⽯油占30% 以及煤占18%。只有剩余不到4%为电解⽔制氢2。事实上，为数不多的电解⽔制氢所利⽤的电⼒仍然是来源于化⽯燃料，这导致了看起来清洁的氢⽓并⾮真正的可再⽣清洁燃料，在氢⽓的能源⽣命周期内并没有实现真正的零排放。利⽤太阳能制备氢⽓可以实现氢⽓能源⽣命周期内的零排放，使其成为真正的可再⽣清洁燃料。
图⼀当前⼯业制氢的⽅法⽰意图4
⼆、太阳能制氢
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电解⽔的原理
电解⽔制氢的基本原理并不复杂，相信有些读者还记得⾼中化学实验课上，化学⽼师将电极放⼊⽔中，倒扣试管，接上电源后，两个电极的表⾯都产⽣了很多⽓泡。事实上，这些⽓泡正是在正极产⽣的氧⽓和负极产⽣的氢⽓，⽽氢⽓试管内⽓体的体积是氧⽓试管的2倍。这是因为⽔是由氢和氧两种元素，以2:1的⽐例组合成⽔分⼦，在⽔中通⼊⾜够的电压和电流时，⽔分⼦会分解为氢、氧元素并在两个电极分别汇集⽣成氢⽓和氧⽓，化学反应原理如公式⼀所⽰。
公式⼀：电解⽔化学反应式
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光伏-电解⽔
太阳能发电制氢正是利⽤上述原理，将太阳能系统所产⽣的电⼒直接接⼊电解⽔的系统并制备氢⽓。但是，光伏-电解⽔制备氢⽓的⽅法受限于价格和效率因素。例如，当前⼯业化的电解⽔系统效率约在60%-70%1，考虑到⽬前市⾯主流的太阳能板的效率在15%-18%左右，其太阳能-氢⽓的转换效率低于12%。这导致了⽬前光伏-电解⽔制氢的成本约在10美元/千克10，⽽⼯业化的煤⽓转化法所⽣产的氢
⽓成本在4美元/千克。事实上，在光伏系统成本逐步下降的同时，国内研究机构在实验室内已经开发出电解效率达90%的电解系统，光伏-电解⽔系统的经济性也在改善中。当然，考虑到西部光伏弃电的情况，将被废弃的电⼒转换为氢⽓产品并且就地消纳过量电能，也不失为补偿限电损失的⼀个有效途径。
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光电化学-电解⽔
为了解决太阳能-氢⽓转化的效率和价格瓶颈，科学家们开辟⼀种新的电解⽔思路：光电化学电解⽔（Photo-electrolysis，有些科学家称之为⼈⼯光合成 Artificial Photosynthesis），即利⽤半导体物理学、光学、材料学、物理化学、电化学、催化化学甚⾄是⽣物化学机制的理论将光电效应和电解⽔系统合⼆为⼀，光电化学太阳能电池（Photo-electrochemical cell，PEC）正是应此概念⽽诞⽣2,6,10-13。
3.1 光电化学电池的起源
在1972年，藤岛昭(Fujishima)和本⽥健⼀(Honda)发现N型⼆氧化钛（TiO2）作为阳极光电极放置在⽔中时，在太阳光照下和外接电源的情况下，在⼆氧化钛表⾯获得了氧⽓的同时在铂负极获得了氢⽓，
福州交巡警这表⽰他们成功将⽔分解为氢⽓和氧⽓13。如图⼆所⽰，当太阳光照射在⼆氧化钛的阳极光电极时，⽔分⼦在⼆氧化钛表⾯被氧化成氧⽓，⽽在阴极的⾦属表⾯被还原成氢⽓。在这个过程中，⼆氧化钛电极能产⽣约0.7伏的光电压，我们从公式⼀中得知电解⽔最⼩需求电压为1.229伏；因此，外接电源只需提供这之间的差值电压（0.529伏）即可成功电解⽔。当然，实际应⽤中，加上不可避免的过电位等损耗，电解⽔需要⾄少1.4伏以上的电压，⼆氧化钛电极仍然提供了约⼀半的电压，也就是说，太阳能提供了⼀半的电解⽔所需要的能量。通常这种需要外置电路提供部分能量的系统被称为带偏压系统（externally-biased electrolysis system）。
byd e6图⼆单光电极光电化学太阳能电池在外接电源情况下电解⽔⽰意图6
3.2光电化学电池的研究发展
在藤岛和本⽥的启发下，科学家们开始研究其他类似的半导体材料，希望能够寻到合适半导体材料搭建⾃发电解系统（self-biased electrolysis system），实现光电化学电池在太阳光下能够⾃发分解⽔制造氢⽓。随着研究者们的深⼊研究，他们发现单⼀的半导体电极材料如钒酸铋（BiVO4）、钛酸锶（SrTiO3）等可以在太阳光的照射下直接将⽔分解（如图三a所⽰）。但是，这⼀类的半导体能带带隙⽐较⼤，只能吸收不到1%的太阳光谱中的能量，因此整体转换效率不⾼；⽽相对的，能带带隙较⼩的半导体材料虽然可以吸收更多的太阳光，却不能提供⾜够的电压直接电解⽔。
(a)
(b)
图三(a) 单极半导体光催化电解⽔⽰意图16 and (b) 光电解太阳能电池Z型（z-scheme）反应原理⽰意图池17
为了解决单⼀半导体材料的缺陷，研究者们利⽤了植物光合作⽤的Z型反应的概念（如图三b所⽰），将2种或以上的半导体材料制备成⼀个光电化学电池的两个电极：光阳极和光阴极（photo-anode & photo-cathode），由于两个电极是串联在⼀起，因此所产⽣的电压也叠加在⼀起，就有可能产⽣⾜够的电压使得电池在太阳光照射下直接在电池表⾯电解⽔。这种将2种或以上不同半导体材料叠加在⼀起的太阳能电池⼀般称之为叠层电池（Tandem cell，如图四所
⽰）11,14-15。叠层电池不但通过叠加半导体的电压达到电解⽔的需求电压，⽽且还通过分层吸收太阳光谱提⾼半导体吸收太阳光效率（如图五b所⽰），提⾼了系统的效率。
图四叠层光电解太阳能电池⽰意图12,15
3.3光电化学电池的优势
光电化学电池制氢拥有如下的优势：
1、相对于⼀般的电解系统，光电化学电池不使⽤或者少使⽤昂贵的⾦属催化材料（如铂⾦），此外，电池主要运⽤的是半导体材料制造的薄膜作为电极，例如氧化铁18、⼆氧化钛13、氧化钨等19，原料成本低。
2、如图五a所⽰，叠层光电化学电池（双光电极）的太阳能-氢⽓转化效率可达22%9，相对于单光电极的光电化学系统11%的效率和光伏-电解⽔系统12%的效率，具有明显的优势。
3、光电化学制氢可以有效的解决太阳能的储能难题，由于是直接转换太阳能为化学能，实现了⽔→氢⽓→⽔的全能源⽣命周期温室⽓体零排放。
4、根据输⼊原料的不同，光电解太阳能电池不但可以将⽔分解为氢⽓和氧⽓，还可以⽣产别的产品。例如在通⼊⼆氧化碳⽓体的时候，合适的光电化学电池可以在太阳光照射下将⼆氧化碳和⽔转化为甲烷⽓体；通⼊氮⽓时，光电化学电池系统可以⽣产氨⽓。特斯拉电池日