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光伏电解水制绿氢技术进展与展望

王帅 ,  陈新 ,  任李萍 ,  陈春迎 ,  王龙飞 ,  王奇 ,  范金鹏 ,  陈杰

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 68 -72.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 68-72. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.014
技术进展

光伏电解水制绿氢技术进展与展望

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Progress and prospects of photovoltaics-driven water electrolysis for green hydrogen production

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摘要

介绍了光伏驱动电解水的基本概念和原理,对该领域的最新研究进展进行了综述,总结并提出了提高光伏电解制氢效率的策略。针对光伏电解制氢系统的挑战以及未来研究方向进行了展望。

Abstract

The basic concept and principle of photovoltaics-driven water electrolysis are introduced.Subsequently,the latest research progress in this field is reviewed,which also outlines and proposes a series of strategies to enhance the efficiency of photovoltaics-driven water electrolysis for hydrogen production.Finally,the prospects regarding the existing challenges and further advancement opportunities in photovoltaics-driven water electrolysis are provided.

Graphical abstract

关键词

可再生能源 / 电解槽 / 光伏电解 / 氢气

Key words

renewable energy / electrolytic cell / photovoltaics-driven electrolysis / hydrogen

Author summay

王帅(1987-),男,博士,高级工程师,研究方向为新能源制氢、多能互补,。

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王帅,陈新,任李萍,陈春迎,王龙飞,王奇,范金鹏,陈杰. 光伏电解水制绿氢技术进展与展望[J]. , 2025, 45(2): 68-72 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.014

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太阳能等可再生能源相较于传统的化石能源具有成本低、可再生、无碳排放等优势[1]。然而,由于可再生能源的间歇性特点使其难以有效地整合到电力系统中,有效的输电和电力储存是可再生能源使用中的主要挑战[2]。随着可再生能源在能源结构中所占比例的提高,对能源储存和灵活性的需求也相应增加。氢气作为一种绿色、高能量密度的能量载体,可以满足可持续发展的要求。水电解利用电力将水分子分解成氧气和氢气,是一种有望实现高效可持续氢气生产的途径。该过程由于需要大量的电力消耗,成本效益不高。因此,亟需研究光伏器件与水电解槽的耦合,利用太阳能发电驱动水电解实现高效低成本氢气生产。
光伏器件与水电解槽直接耦合的光伏电解系统(PV-EC),能够实现将太阳能直接转化为氢燃料,是可再生能源转化与储存的有效途径之一。光伏电解耦合系统具有结构简单、能量利用率高等优点。光伏器件将太阳能转化为电能,传送到电解系统驱动水的分解。光伏电解系统需要具备稳定高效低成本的光伏组件和稳定高效低成本的电解槽组件。
光伏驱动水电解制备绿氢具有较高的太阳能-氢能转换效率,良好的经济效应和应用前景,本文中综述了该类光伏电解系统的研究现状,具体深入讨论了水电解槽、电解水催化剂及光伏电解系统规模化放大的设计优化思路,以期为太阳能制氢等能源转换和储存领域提供高效、清洁的解决方案。

1 水电解槽的种类及研究进展

工业化电解水实际应用需采用能效高的大规模电化学设备。如图1所示,目前较为主流的电解水制氢技术主要有碱性水电解制氢技术(AWE)、质子交换膜电解槽电解水制氢技术(PEMWE)和高温固体氧化物电解水制氢技术(SOEC)。

1.1 碱性水电解槽

碱性水电解制氢技术(AWE)是一种较为成熟并已大规模运用于工业生产的电解制氢技术,基本结构如图1所示。碱性电解槽工作时的温度一般在40~80℃。冷启动时,由于电解液处于常温,电阻较大,并且此时电解水反应在热力学上有较高能垒,极大程度地阻碍了制氢过程。随着通电时间的增加,碱液温度上升,电导率增加,产氢效率提高。碱水电解槽可在30%~110%的变负荷下运行,冷态启动需要2~3 h。
为了提高碱水电解槽的不同工况运行能力,通常采用热备用方法,保持电解槽内碱液一直处于一定温度下,以便快速热启动制氢。

1.2 质子交换膜电解槽

质子交换膜电解槽(PEM)的结构如图1所示,由膜电极、气体扩散层、阳极板和阴极板组成。膜电极由阴极催化剂层、阳极催化剂层、质子交换膜组成。两侧极板负责导电并流通水、气,主要使用石墨、钛、不锈钢等材料。气体扩散层帮助促进气液传质,防止气体附着在催化剂层表面,通常使用导电多孔材料,如钛毡和碳布。催化层是析氧反应和析氢反应发生的场所。质子交换膜由固体电解质组成,便于使用零间隙配置,有效提高传质效率,同时能阻止电子传递并防止氧气与氢气接触,仅允许质子从阳极传递到阴极。

1.3 固体氧化物电解槽

固体氧化物电解水制氢技术的雏形可追溯至20世纪70年代,当时由Brookhaven实验室、GE公司以及德国Dornier公司率先进行了探索与研究。在该技术的运作中,如图1所示,在高达1 000℃的高温环境下进行操作,水分解能垒大大降低,因而具备较高的效率。考虑到余热回收的实施,效能更可达到90%。然而,这种高达1 000℃的高温环境对材料耐热能力提出了极其严苛的要求,因此目前固体氧化物电解槽制氢技术仍处于实验室研究阶段。该技术的工作原理:高温水蒸汽通过孔道进入电解槽,在阴极分解还原产生氢气,而氧离子(O2-)则通过中高温氧化物传递到阳极,失去电子被氧化形成氧气(O2)。

2 电解水催化剂的设计

分解水的过程必须在同一电解质强度较高的环境中进行,以便降低电势,然而这个挑战尤其大,因为过渡金属材料在高强度的电解质环境中稳定性不佳或反应性能较差。最近,在碱性和中性环境中进行的水分解变得具有吸引力,这是因为非贵金属基材料在强酸性情况下的溶解度较高,使碱性和中性条件在大规模氢气生产中成为极具前景的选择。OER是羟基离子的脱氢过程,而HER是在碱性条件下水分子的脱氧化反应。在此,催化剂表面上含氧物种和H*的协同化学吸附促进了对OER和HER的活性增强[3]。
如图2所示,对这些电催化剂的合理设计的最新进展可以分为3个方面。

2.1 电子结构调控

电子结构工程被认为是提升电催化剂在整体水分解中固有活性的关键且有效策略。该方法包括杂原子或离子掺杂、空位和边缘位点的创建。通过引入杂原子或离子,可以引起局部电子重新分布,进而激活掺杂物或相邻原子,形成催化活性位点。此外,这种电子重新分布还有助于将电荷从电极界面转移至被吸附物种[4]。
引入非金属元素如N、P、O、B和S等对催化剂的电子结构及相关的催化性能产生显著影响。例如,通过水热法在泡沫铁合成了S掺杂的NiFe层状双羟基化合物(LDHs)纳米片(见图3)[5]。OER过程中,NiFe LDHs中的硫元素可被溶解,触发化学演变和结构重组,激活晶格氧氧化还原反应。LDHs结构随后转变为FeOOH相。所得催化剂在1.43 V电压下可驱动水分解,产生10 mA/cm2的电流密度。

2.2 界面优化

2D材料如LDH被报道为单原子催化剂的有效基底[6]。通过电沉积和后续蚀刻方法制备了负载在缺陷镍铁层状双氢氧化物纳米片上的Ru催化剂(见图4)。该催化剂组装的双电极水电解装置在碱性介质中的电压为1.72 V时,达到了500 mA/cm2的电流密度。引入缺陷到LDH中可以通过它们的密切相互作用稳定单金属原子。实验和密度泛函理论结果显示,由于存在Ru-O基团,催化剂优化了对HER有利的H吸附能量调节,从而增强了对OER和HER的电催化活性。此外,通过将高价过渡金属引入基于镍的LDHs,可以得到具有强相互作用来锚定位点的基底,因为早期过渡金属由于高价而具有强的金属氧键,可以保持表面构型并抑制催化剂表面重构。

2.3 表面形貌设计

通过在室温下存在RuCl3和NaCl的腐蚀策略,成功合成了铁泡沫上的RuO2修饰的FeOOH纳米片(FF-Na-Ru)[7]。这种催化剂表现出超亲水性和厌氧性,实现了良好的电解质润湿,并有助于释放气泡(见图5)。RuO2和FeOOH之间的强电子相互作用也促进了电催化过程。在1 mol/L KOH中,该催化剂展示出优异的整体水电解性能(在10 mA/cm2时为230 mV)。
通过电子工程、界面工程以及表面和形态工程等策略,很多非贵金属电催化剂在碱性或中性电解质中呈现出比Pt-Ir基商业催化剂更优越的活性。酸性电解质通常由于电催化剂的氧化和溶解而难以实现。应进一步探索更多具有低成本、高活性和稳定性的新型催化剂,以丰富催化剂家族。此外,将催化剂应用于实际水电解槽的研究对于催化剂的商业化至关重要。

3 光伏-电解系统的构筑和开发

太阳能-氢能转化效率(STH)与器件的结构特性和材料的电催化活性密切相关,是衡量无外加电压光伏水电解实际应用前景最重要的指标之一。对于光伏驱动下电解槽中生成氢氧的水分解系统,STH效率定义为:
S T H = ( j o p × E f × F E ) / P s
此处,jop是操作电流密度,Ef是HER和OER半反应的标准热力学电势差(1.23 V),FE是法拉第效率,而Ps是太阳光照射功率。表1总结了文献中PV-EC系统的能量转换效率。

3.1 系统配置结构优化

光伏-电解系统可以分别优化单个模块,随后将光伏电池串联连接到电解槽,使2个设备能够以相同的电流和电压运行。光伏和电解模块的电流-电压(J-V)曲线的交点确定了系统操作状态的电流和电压。
多结硅薄膜太阳能电池因高开路电压和光谱利用率而在光伏驱动的氢气生产中受到广泛关注。基于异质结的硅太阳能电池能够直接用于光伏驱动水分解(见图6)[12]。随着新型薄膜电池的发展,钙钛矿太阳能电池(PSCs)也被引入了光伏-电解系统[23],结构装置基于2列PSCs并排放置在电解槽外部,并通过电线连接到浸入电解器中的催化剂电极。串联的2个单结PSCs可以提供2 V的开路电压,同时保持15.7%的光电转换效率,从而使系统的STH效率达到12.3%。

3.2 系统规模放大

在探索太阳能电池成熟度提升方面的研究和应用中,Si基PV/EC集成器件的放大装置由64 cm2区域内的13个基本单元组成(见图7)[26]。该双功能催化剂被置于PV模块的照明表面,最终实现了3.9%的STH效率。通过在3 h内监测水分解过程,各个装置之间单位面积的相似气体产率展现出极佳的稳定性,从而验证了扩展装置构建的成功性。Lee团队采用基于a-Si∶H/a-Si∶H/μc-Si∶H的三结太阳能电池的接触点设计,用于64 cm2的可扩展集成装置[27]。在催化剂电沉积后,放大装置的STH效率达到了4.67%,低于较小的0.5 cm2装置的7.72%,凸显了在较大面积中改进稳定性的迫切需要。

4 总结与展望

总结了光伏电解PV-EC系统的最新显著进展,并强调了通过以下合理设计水分解电催化剂以及开发新型电解槽设备的方式来提升性能。尽管人们针对光伏电解制氢体系已取得了显著的进展,但这个迅速发展的领域仍然面临着若干挑战。因此,本文中提出了一些针对光伏电解水系统未来发展的研究方向。
首先,水电解装置主要分为低温电解装置(包括AEM、PEM和AWE)和高温电解装置(SOEC)。PEM电解装置由于启动时间短,且能够在大范围负荷变化下工作,适用于绿氢生产系统。其次,对于PV-EC系统而言,电催化剂的性能至关重要。作为水电解系统的核心,电催化剂应该经过合理设计,以实现高催化性能和稳定性。最后,总结了光伏与水电解槽的集成方式及结构规模优化。PV-EC系统可分为光伏及电解槽模块进行优化研究,再通过合理耦合使二者伏安特性曲线匹配,减小能量损耗。系统在规模放大过程中会出现难以避免的效率降低问题,未来的研究应着力于大光照面积的PV-EC系统。通过持续的技术创新和政策支持,光伏电解水技术有望在全球能源结构中发挥更加重要的作用,推动绿色能源体系的建设。

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