太阳能光伏电解水制氢的资料整理

太阳能光伏电解水制氢的定义：光伏电解水制氢是以太阳能为一次能源,以水为媒介生产二次能源-氢气的过程。

太阳能光伏电解水制氢的原理：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。

太阳能光伏电解水制氢的方法：

（1）一步法：一步法就是不将电能引出太阳电池，而是在太阳电池的两个电极板上制备催化电极，通过太阳电池产生的电压降直接将水分解成氢气与氧气。

优点：免去了外电路，降低了能量损耗。

缺点：光电极的光化学腐蚀问题比较突出。

（2）两步法：将太阳能光电转换和电化学转换在两个独立的过程中进行这样可以通过将几个太阳电池串连起来，以满足电解水所需要的电压条件。

优点：在系统中可以分别选用转化效率高的太阳电池和较好的电化学电极材料以提高光电化学转换效率；可以有效避免因使用半导体电极而带来的光化学腐蚀问题。

缺点：两步法要将电流引出电池，这要损耗很大的电能，因为电解水只需要低电压，如若得到大功率的电能就需要很大的电流，使得导线耗材和功率损耗都很大，而且在电流密度很大时也加大了电极的过电势。

提高效率的关键：电化学反应的场所是电极,其结构和材料的选择,对降低电极成本和减少电解能耗起着非常重要的作用,同时又影响其大规模工业化的实用性。

电解水制氧电极的选择：

（1）阴极：电极表面对氢的吸附能力对阴极的析氢过电位有直接影响,除此之外,氢气的形成还与电极性能、类型、电解液浓度和温度有关,最早的具有良好催化效果的析氢电极是Pt和其催化活性高,析氢过电位低,但是价格比较昂贵,无法推广,因此廉价的、具有高析氢活件的金属合金成为研究热点。Engel-brewer价键理论认为,过渡金属合金能够提高析氢反应的电催化活性,其中Ni基合金电极因为具有良好的电化学稳定性、成本低、制备简单等优点成为研宄和应用最广泛的合金。

（2）阳极：降低析氧过电位是阳极材料选择的原则。在电解水制氧阳极极化条件下,金属Ni在碱性电解液中的耐腐蚀性能优异,析氧效率也比较高,并且价格相对便宜,因此,金属Ni作为碱性电解水制氧装置中的阳极材料受到了广泛的关注。

太阳能光伏电解水制氢在光伏发电系统中的应用：

背景：我国现有的太阳能光伏发电系统基本上是独立方式运行，系统供电受季节与气象条件的影响是其固有的弊端。目前，通过蓄电池储能来调整光伏发电系统的发电与供电之间的时间差，是减少自然条件影响的主要手段。根据独立运行的光伏发电系统设计原则，用户对供电质量、供电保证率提出的要求愈高，系统对蓄电池的需要量也愈大。长期以来，对蓄电池#主要是铅酸电池$的依赖性是影响独立运行的光伏发电系统大量推广应用的重要原因。蓄电池储能的缺点是：初投资高，使用寿命短，折旧费高，从而增加了系统发电成本；对于铅酸蓄电池还有运行维护工作量大，污染环境的问题。此外，蓄电池的充电、放电环节的技术与可靠性问题，也是光伏发电系统设计者与用户经常关注的事情。鉴于我国边远山区多、海岛

多的特点，独立运行的光伏发电系统仍然有着广大的市场。因此，研制高密度、低成本、长寿命、无污染的储能系统，减少发电系统对自然条件的依赖性，提高光伏发电系统供电的稳定性，是深入普及光伏发电技术，进一步开拓市场的重大课题。近年来，氢能领域中制氢技术的进展和质子交换膜燃料电池技术的突破，为独立运行的光伏发电系统改变依赖蓄电池的储能方式，寻求新的系统运行模式，提供了可能性。

具体运行方式：在光伏发电系统中，以制氢储能方式替代传统的蓄电池储能环节。当日照情况良好时，通过电解水制氢将多余的电能储存起来；在阳光条件下不能使光伏发电系统正常工作时，将储存的氢通过燃料电池转换为电能，继续向负载送电，从而保证了系统供电的连续性。

优点：储能密度高、使用寿命长、运行成本低、没有污染，可最大限度的发挥光伏系统的发电能力。

最新技术：

（1）薄膜太阳电池：优势：（a）利用气体辉光放电沉积而成,通过简单地改变反应气体组分和配比,即可获得不同类型和不同带隙的材料,容易实现叠层电池可获得高开路电压(>2V)达到电解水的要求。（b）在电解水的过程中，阴极端产生氢气,阳极端产生氧气,电池本身形成隔板把氢气和氧气自动分离便于收集,并且氢气的纯度很高,同时此系统也便于维护。

（2）太阳能电解水制氢直接耦合连接技术：太阳能电解水制氢系统中光伏阵列与电解槽直接耦合连接技术对电能利用率可高达94%以上，而传统的间接连接方式利用率最高仅为75.3%因此该技术对降低太阳能- 电解水制氢成本和提高系统经济可行性具有重要意义。