氣候寒冷偏遠(yuǎn)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(chǎn)的綠氫作為替代燃料，其易于在低溫環(huán)境下保存，對(duì)于滿足寒冷地區(qū)能源需求有較大潛力。然而，大多數(shù)制氫方法在零下溫度的氣候環(huán)境中無(wú)法很好地工作。德國(guó)烏爾姆大學(xué)Matthias May團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種可在零下20℃環(huán)境下運(yùn)行的太陽(yáng)能熱耦合水解制氫系統(tǒng)，由太陽(yáng)能電池系統(tǒng)和電化學(xué)制氫系統(tǒng)組成，采用了低凝固點(diǎn)電解質(zhì)和嚴(yán)格的熱控制設(shè)計(jì)，并利用了太陽(yáng)能電池運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，使電化學(xué)設(shè)備運(yùn)行溫度達(dá)到10℃左右，為極端寒冷地區(qū)、高海拔地區(qū)制氫開(kāi)辟了道路。
當(dāng)前，大規(guī)模水解制氫技術(shù)通常在50-1000℃下運(yùn)行，太陽(yáng)能水解的實(shí)驗(yàn)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(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響，例如為高海拔地區(qū)氣象站供電。在沒(méi)有外部加熱的情況下，設(shè)備的過(guò)程溫度將非常接近環(huán)境溫度。低電解質(zhì)溫度會(huì)導(dǎo)致更高的催化和離子傳輸過(guò)電位的損失，也會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)出現(xiàn)冷凍現(xiàn)象，使得制氫過(guò)程停止，冷凍后的體積膨脹也會(huì)損壞反應(yīng)設(shè)備。研究人員采用了低凝固點(diǎn)電解質(zhì)（如稀硫酸），以便在較低的溫度下使用。同時(shí)，通過(guò)熱耦合（利用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的熱量）和設(shè)備隔熱來(lái)補(bǔ)償由于低工作溫度導(dǎo)致的效率損失。研究人員利用數(shù)值模型研究了低溫對(duì)太陽(yáng)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(jié)果顯示，低溫將導(dǎo)致電化學(xué)組件的催化性能降低，歐姆損失增加，但另一方面會(huì)提升太陽(yáng)能電池的效率。為了衡量?jī)煞N相反的效應(yīng)，研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)開(kāi)源模型，結(jié)合了太陽(yáng)能電池參數(shù)、電化學(xué)參數(shù)以及熱通量，根據(jù)太陽(yáng)能電池和催化劑的溫度相關(guān)電流-電壓特性預(yù)測(cè)太陽(yáng)能到氫氣（STH）的轉(zhuǎn)換效率。隨后，針對(duì)由高效雙結(jié)或三結(jié)III–V族太陽(yáng)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(jìn)行了計(jì)算，使用凝固點(diǎn)為-35℃、濃度30wt%的稀硫酸（H2SO4）作為電解質(zhì)。結(jié)果顯示，隨著室外溫度降低，基于雙結(jié)太陽(yáng)能電池的無(wú)熱耦合系統(tǒng)STH效率先升高后降低；基于三結(jié)太陽(yáng)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(shè)計(jì)將STH效率提升了6%。進(jìn)一步地，研究人員計(jì)算了設(shè)備隔熱對(duì)STH效率的影響。模型中通過(guò)鋁箔減少輻射損失，采用聚苯乙烯減少散熱。對(duì)于基于雙結(jié)太陽(yáng)能電池的系統(tǒng)，隔熱對(duì)隨溫度降低STH效率升高的階段有負(fù)面影響，對(duì)隨溫度降低STH效率降低的階段有正面影響；對(duì)基于三結(jié)太陽(yáng)能電池的系統(tǒng)，隔熱始終有正面影響?；跀?shù)值模擬結(jié)果，研究人員在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了驗(yàn)證?；谏逃萌Y(jié)鎵銦磷/鎵銦砷/鍺（GaInP/GaInAs/Ge）太陽(yáng)能電池和使用商用Pt和IrOx催化劑的電解器構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)裝置，在-20.5℃至-19.2℃的環(huán)境溫度、AM 1.5光照下運(yùn)行了3小時(shí)，比較了無(wú)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(yùn)行溫度。其中，電解器采用了新型的無(wú)膜概念，電極通過(guò)楔型塊分隔，產(chǎn)物利用浮力分離。由于運(yùn)行中超過(guò)了熱中性電壓，無(wú)熱耦合系統(tǒng)的電解質(zhì)溫度僅略微升高，而太陽(yáng)能電池溫度升高，降低了開(kāi)路電位，因此工作電位略有增加并超過(guò)太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)（MPP），導(dǎo)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(dá)到-4.5℃和13.5℃，其對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響超過(guò)了太陽(yáng)能電池的效率損失，工作電流增加，工作電位降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出，三種設(shè)計(jì)下的STH效率分別達(dá)到10.3%、11.2%和11.4%。
圖1太陽(yáng)能制氫熱耦合裝置示意圖
該項(xiàng)研究克服了傳統(tǒng)的太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)不能在零度以下運(yùn)行的缺陷，利用低凝固點(diǎn)電解質(zhì)、熱管理和熱耦合設(shè)計(jì)，構(gòu)建了可運(yùn)行于-20℃的太陽(yáng)能電池與電解制氫集成系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為寒冷地區(qū)和高海拔地區(qū)的脫碳能源供應(yīng)提供了具有前景的方式。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Energy& Environmental Science》。
