氣候寒冷偏遠地區(qū)的燃料輸送和使用存在較大困難，將可再生能源生產的綠氫作為替代燃料，其易于在低溫環(huán)境下保存，對于滿足寒冷地區(qū)能源需求有較大潛力。然而，大多數制氫方法在零下溫度的氣候環(huán)境中無法很好地工作。德國烏爾姆大學Matthias May團隊開發(fā)出一種可在零下20℃環(huán)境下運行的太陽能熱耦合水解制氫系統(tǒng)，由太陽能電池系統(tǒng)和電化學制氫系統(tǒng)組成，采用了低凝固點電解質和嚴格的熱控制設計，并利用了太陽能電池運行過程中產生的熱量，使電化學設備運行溫度達到10℃左右，為極端寒冷地區(qū)、高海拔地區(qū)制氫開辟了道路。
當前，大規(guī)模水解制氫技術通常在50-1000℃下運行，太陽能水解的實驗研究通常采用約20℃的環(huán)境溫度。然而，小型分布式制氫需考慮室外溫度對設備運行的影響，例如為高海拔地區(qū)氣象站供電。在沒有外部加熱的情況下，設備的過程溫度將非常接近環(huán)境溫度。低電解質溫度會導致更高的催化和離子傳輸過電位的損失，也會導致電解質出現冷凍現象，使得制氫過程停止，冷凍后的體積膨脹也會損壞反應設備。研究人員采用了低凝固點電解質（如稀硫酸），以便在較低的溫度下使用。同時，通過熱耦合（利用太陽能電池產生的熱量）和設備隔熱來補償由于低工作溫度導致的效率損失。研究人員利用數值模型研究了低溫對太陽能水分解裝置效率的影響，并定量分析了熱耦合和隔熱裝置的影響。結果顯示，低溫將導致電化學組件的催化性能降低，歐姆損失增加，但另一方面會提升太陽能電池的效率。為了衡量兩種相反的效應，研究人員開發(fā)了一個開源模型，結合了太陽能電池參數、電化學參數以及熱通量，根據太陽能電池和催化劑的溫度相關電流-電壓特性預測太陽能到氫氣（STH）的轉換效率。隨后，針對由高效雙結或三結III–V族太陽能電池和電解水制氫（析氧和析氫催化劑分別為鉑<Pt>和銥氧化物<IrOx>）組成的裝置進行了計算，使用凝固點為-35℃、濃度30wt%的稀硫酸（H2SO4）作為電解質。結果顯示，隨著室外溫度降低，基于雙結太陽能電池的無熱耦合系統(tǒng)STH效率先升高后降低；基于三結太陽能電池的系統(tǒng)STH效率穩(wěn)定下降；同等環(huán)境下采用熱耦合設計將STH效率提升了6%。進一步地，研究人員計算了設備隔熱對STH效率的影響。模型中通過鋁箔減少輻射損失，采用聚苯乙烯減少散熱。對于基于雙結太陽能電池的系統(tǒng)，隔熱對隨溫度降低STH效率升高的階段有負面影響，對隨溫度降低STH效率降低的階段有正面影響；對基于三結太陽能電池的系統(tǒng)，隔熱始終有正面影響。基于數值模擬結果，研究人員在實驗室條件下進行了驗證。基于商用三結鎵銦磷/鎵銦砷/鍺（GaInP/GaInAs/Ge）太陽能電池和使用商用Pt和IrOx催化劑的電解器構建了實驗裝置，在-20.5℃至-19.2℃的環(huán)境溫度、AM 1.5光照下運行了3小時，比較了無熱耦合、熱耦合系統(tǒng)和熱耦合/隔熱系統(tǒng)的工作電流、工作電壓和運行溫度。其中，電解器采用了新型的無膜概念，電極通過楔型塊分隔，產物利用浮力分離。由于運行中超過了熱中性電壓，無熱耦合系統(tǒng)的電解質溫度僅略微升高，而太陽能電池溫度升高，降低了開路電位，因此工作電位略有增加并超過太陽能電池的最大功率點（MPP），導致工作電流急劇下降。而熱耦合系統(tǒng)和熱耦合/隔熱系統(tǒng)的電解液溫度分別達到-4.5℃和13.5℃，其對轉換效率的影響超過了太陽能電池的效率損失，工作電流增加，工作電位降低。根據實驗結果可得出，三種設計下的STH效率分別達到10.3%、11.2%和11.4%。
圖1太陽能制氫熱耦合裝置示意圖
該項研究克服了傳統(tǒng)的太陽能制氫系統(tǒng)不能在零度以下運行的缺陷，利用低凝固點電解質、熱管理和熱耦合設計，構建了可運行于-20℃的太陽能電池與電解制氫集成系統(tǒng)，并進行了實驗驗證，為寒冷地區(qū)和高海拔地區(qū)的脫碳能源供應提供了具有前景的方式。相關研究成果發(fā)表在《Energy& Environmental Science》。
