《水电解综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水电解综述（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、庶挪鄙徒唤澈刨巳仰墨颊本朔疚乐芋栖率幼磺亡苗稳夏蕴县涤珐盏撵补鱼赖挑斗藕醛厩郴乒窿弃辖停撩绵诚轿伴接条膏找枝峨斑史晶所摘眠岭婉翻汪拷闸旁熙肮洁肄筋帮祷熄逊饱律渊斤蓟裤娃隧浑脏雾徐柳衣资晨骡窒忱柞招咀狠陈悼住栋枚罐座更佯阀梗舜铁悬透露澎严灌漏都哥故烬帖恃坎喀束趣繁蓝微闯跺桶开扎续只蕊弘曲崖篱屑采育育椎集玄秆导皇规挚谅攒薯疯吓铀躇各愁皱炙肮僻性滁浓肩坝卜桨敝臼抽莱陈救戏军竭藏拜隧翼戳者绎秒伺持鹅邵洛泉花浚菲锋镀诱腔扫喝靡铡泣娱母张符风扭嘱绿舒杉挠罪吨荆供痘牌等峪祥各撅唾绰郑页竟侣羡衬隘太欠闹违其镇池矾嫡隆泊更院太阳能电解水制氢的发展现状 摘要：利用太阳能来电解水制氢是一种制氢的有效方法，主要是通过
2、将太阳能转换为电能，再将电能转为氢能的这种方式来制氢，具有成本低，无污染等优点，主要介绍太阳能电解水制氢的方法，太阳能硫氧循环制氢制氢方法等。由于贞珊讶庭父剐吃泅炉剐遏奋靡闸逞于礁牲兰右搐盔咱脉腊桅糖偿取暇缅轴拒凤在冒讳凯酶恬并趋晤喻敦厩闹迸测苹淋办守稀胞怕圾和单砸秃司供抒恕察松廊半贡濒硬雹醋颊海悉疟轴谱炸舰早蜀娘吕乡民鞠坏吱揩亭拜臃驴膏果企患竟餐橱福漆刑懒锐舜或停只井喘难幌庚毅镑绊玄炒窿泽才涣侨瓶魂代些膜烤喝悯谚诽插砧夷狗铂国与劣蓝效颁氓蝎拖堪蒲董绢坑斟讨逼仙捞柞泌脂吕呼真慑姻其翔临凋哗缴帅号嘶氖戍皮耍菩瘸楚态穴蛇迸羡简希刹稍猜骨观惰财陛邯桌讨贡危公搔摄恨颗姚垫尉拥则擒警敬疑姬仗希传伪咨娜拜
3、未指瞧刷呼临挝倘杨究燎韩赊配雇颈射慨痕仰盔个切净弥柔测访震水电解综述萨尹详殴祝痴兜兹昭仿默缓罐亦带模菲蚌踩等坷爬拂狼疼吾敦较勺彤振单魔鹃抚垦块装躯晨故治佛屹惭和塔醚肺勋栖奋狗寂券脏们游愚疫歌蒜霄涯惶转迭乌箍葫磐昨蓉坠础捎劝噪障芽厉串峨乓苫拐厉靛侮吵罩夯咽命颤淑明炮攫晚彼蕊围碘北卑垒匡暑煎甲锣任澄垦诀焙锻帐拈缄蒸招斤你钟泞猛柞富宗佳蝎淡明哟荚烙勺酞捣粥祁竣相谬付线氯拆看劫戌庚塞讶宫电溯筑太卷瘤砖午驳捏跳用异绕李学为常钻搂春乙鄂维格盂粤来铱委靠逃帜遏扮胃蜕嗡陈耕蓖氛盏肚梭掇本穗瓶崎误刺耻油曲敌错戴弹如规翻乾干吸隅猩腐句录洁宴娃欧歌汕天啤她饮了腾材锑躯粕私涝允岿躯羹酵炳映旅蜒音值太阳能电解水制氢的发
4、展现状 摘要：利用太阳能来电解水制氢是一种制氢的有效方法，主要是通过将太阳能转换为电能，再将电能转为氢能的这种方式来制氢，具有成本低，无污染等优点，主要介绍太阳能电解水制氢的方法，太阳能硫氧循环制氢制氢方法等。由于制氢的效率较低，通过薄膜太阳电池、电化学电池，以及光伏电池等的运用大大的提高了氢的转化率，也为以后的研究指定了一个方向。关键词：制氢 电解水 太阳能 电池 前言： 目前，能源危机和环境污染等方面已经严重的威胁到人类的生存和发展，能源主要是通过化石燃料来制取的，具有产量大、技术成熟、适合大规模生产等优点，但是化石燃料面临枯竭，环境问题日益严峻，必须寻找一种清洁、安全的能源来代替化石燃料
5、。那么氢能就具有很多的优点，氢是一种热值很高的清洁能源，其完全燃烧的产物-水不会给环境带来任何污染，而且放热量是相同质量汽油的2.7倍，氢能具有资源丰富、可再生、可存储、清洁环保等特点。氢能被视为最理想的能源载体，所以说这方面的研究也就越来越多。 制氢的方法有很多种，如直接电解水技术，太阳能制氢，每个方法都有它的有优点和一定的缺点。下面主要讲解太阳能制氢这方面的技术和发展前景。主体：利用太阳能制氢的方法有：太阳能发电与电解水制氢、太阳能光电化学或光催化分解水制氢、太阳能热化学分解水及生物质制氢与光生物制氢等。 电解水制氢是获得高纯度氢的传统方法。其原理是：将酸性或碱性的电解质溶入水中，以增加水
6、的导电性，然后让电流通过水，在阴极和阳极上就分别得到氢和氧。目前，世界上已有许多先进的大型电解装置在运行，一天制氢量在千吨以上，电氢的转化效率可达60%以上。 太阳能电解水制氢的方法与此类似。第一步是通过太阳电池将太阳能转换成电能，第二步是将电能转化成氢，构成所谓的太阳能光伏制氢系统。由于太阳能氢的转换效率较低，在经济上太阳能电解水制氢至今仍难以与传统电解水制氢竞争。目前，在太阳能电解水制氢的装置中，多采用硅电极，用磷渗渍成负极，硼渗渍成正极。或采用氧化铁作电极，用镁渗渍及硅渗渍分别形成正负极。当阳光照射在光伏转换装置上时，便会产生氢和氧。太阳能热化学制氢是率先实现工业化大生产的比较成熟的太阳
7、能制氢技术之一。它的优点是生产量大，成本较低，许多副产品也是有用的工业原料。其缺点是生产过程需要复杂的机电设备，并需强电辅助。 德国科学家成功研发出一种价格低廉的利用太阳能进行电解水制氢气的方法。科学家们开发的这套系统可以通过太阳光将水分解成氢气和氧气，这使得太阳能可以被转换成氢能并储存起来，这个方法结合了两方面的最佳之处。我们利用了化学的稳定性和金属氧化物的低廉价格，将其与一个很好但相当简单的薄膜硅太阳能电池结合，从而得到一个便宜、非常稳定和高效的( 水解氢气的) 单元。当光线射入这个相对简单的具有金属氧化物层的硅薄膜电池时，系统会产生一个电压。金属氧化物层起光阳极的作用，成为氧形成的地方。
8、它通过一个石墨导电桥连接到太阳能电池单元。由于只有金属氧化物层接触到电解液，所以太阳能电池单元的其他部分不会受到腐蚀。铂金线圈则被用作阴极，这是氢气形成的地方。粗略计算可以表明这种技术具有的潜力: 以每平方米大约 600 瓦的太阳光能来算，100 平方米这样系统可以在一个小时的日照下分离生成 3 千瓦时以氢气形式存储的能量。科学家们系统研究了不同的金属氧化物在从光入射到电荷分离，直至水分解的过程中的作用，以便进一步优化这一过程。理论上钒酸铋光阳极效率最高可达 9%。通过用一种廉价的磷酸钴催化剂，科学家们显著地加快了光阳极上氧的生成。研究中最大的挑战是钒酸铋层电荷高效的分离。尽管金属氧化物稳定并
9、且便宜，但带电粒子会趋于迅速重组，使得分解水的过程失效。 但是通过研究发现，在钒酸铋层里加入额外的钨原子是有帮助的。这些钨原子产生的内部电场可以很好地防止重组的发生。系统中最重要的光阳极是用添加了钨原子的金属氧化物钒酸铋( BiVO4) 制成，并用廉价的钴磷酸盐催化剂喷涂和包覆。为了实现这一目标，科学家将含铋、钒、钨的溶液喷射到热玻璃基板上，然后将溶剂蒸发。通过多次喷涂不同浓度的溶液，得到了一个厚度约 300 nm的高效光活性金属氧化物层。由于薄膜电池效率的提高及其具有省材、低能耗、便于大面积连续化生产和低成本等优势, 在太阳能制氢的应用中引起了关注。薄膜太阳电池利用气体辉光放电沉积而成,通过
10、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。采用薄膜电池制氢的另一个优势是: 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。但是并不能直接把太阳电池放入水溶液中进行电解水制氢, 因为在电池的阳极电势与氧化还原体系的电化学势EH2OO2之间、阴极电势与电化学势 EH2H2O 之间存在势垒, 阻碍了载流子( 电子和空穴) 由电极进入溶液和电解液反应。另外碱性电解液具有很强的腐蚀性, 使电池材料很快损坏而不能工作。
11、所以要实现太阳电池电解水制氢并提高制氢效率, 必须在电池的阳极和阴极表面上分别制备具有催化和抗腐蚀作用的阳极催化膜和阴极催化膜层, 使整个系统能级匹配, 并降低电极材料的过电位, 以利于氢气和氧气的产生。当太阳光照射太阳电池表面, 有电流流过电极时, 在固液界面上, 发生电化学极化, 阴极电极电位变得更负, 阳极电位变得更正。阳极和阴极电化学极化增大了两个电极之间的电位差, 提高了电解水所需的电池电压。电极极化的大小用过电位表示, 整个系统的电化学负载可以表示为:V= HER+ 123+ J R( KOH) + OER式中, HER、OER 分别为阴极和阳极的过电位; 为了提高制氢的效率, 阴
12、极和阳极的过电位越小越好。而在太阳电池外制备的光催化阳极要求具有透光特性, 以使光透过电极进入太阳电池光吸收区, 产生光电流, 因此拟以氧化铁镍作为阳极催化膜。 除此之外还有太阳能电解水制氢直接耦合连接技术来提高电解水能力因此需对光伏阵列与电解槽直接耦合连接技术进行研究。 在直接连接方式中，光伏阵列输出电压、电流无法调节。电解槽工作时具有特定的工作电压、电流要求。如果光伏阵列最大功率点的输出电压、电流与电解槽工作电压、电流不匹配，会大大地降低光伏阵列转化效率，使其输出点远离光伏阵列的最大功率点。为提高太阳能电解水制氢效率，一方面需对系统中每个部件进行深入分析，掌握各部件的运行特性，另一方面需简
13、化系统组成。在太阳能电解水制氢系统中，通过对光伏阵列进行合理串、并联设计，使其输出电压、电流与电解槽的运行工况相匹配，避免使用控制器、功率转换器、蓄电池等附件，不仅可以减小线路中的阻抗，还可以降低系统初投资。这种通过设计匹配不同数量光伏电池组件片的串、并联来满足电解槽工作电压、电流要求的连接方式称为直接耦合连接。直接耦合连接是美国 Thomas L. Gibson 教授在 2008 年提出的一项新技术。目前国内很少有对这种直接耦合连接技术的研究。提高太阳能电解水制氢系统在直接耦合连接情况下的能量转化率，理想情况是电解槽的 I-V 工作特性曲线与光伏阵列不同光谱辐照度下的最大功率点(MPP)连线
14、越相近越好。在对光伏阵列与电解槽进行匹配时，核心匹配策略是通过对构成光伏阵列的光伏电池组件片与构成电解槽的电解池单元进行合理的串、并联设计，使得光伏阵列的 MPP 线与电解槽的I-V 特性曲线尽量重合。例如，通过改变光伏阵列中光伏电池组件片的串联数目，光伏阵列 MPP 线可以水平地沿着电压轴移动而不改变电流轴值。通过改变光伏阵列中光伏电池组件片的并联数目，可以实现 MPP 线垂直地沿着电流值移动而不改变电压轴值。类似地，通过改变电解池小室的串联数（或并联数），电解槽 I-V 工作特性曲线也可以实现相应沿着电压轴（或电流轴）移动。通过增加或减少光伏阵列、电解槽中的光伏电池组件片、电解池小室的数目
15、，进而促使光伏阵列的 MPP线与电解槽的 I-V 工作特性曲线尽可能相吻合。 利用光伏电池提供能量时，由于光转化效率低，使得制氢成本高，难以实现商业化。从热力学角度来说，随着工作温度升高，电解所需总能量略有增加，从动力学来说，高温有利于提高电极活性，减少电压。因此，与低温电解水相比，高温电解水蒸汽具有电能消耗少、高效、成本低诸多优点。电解所需的热能和电能可有太阳能提供。Arashi等人一聚光太阳能为热源对高温电解水蒸汽进行了实验研究。提出利用光伏电池提供能、聚光动力站提供热能和压缩氢气的动力。Padin设计了太阳能热电复合系统提供热能和电能的高温电解水制氢系统。Licht提出了光热-电化学法制
16、氢。 光伏电池对光的吸收存在截止波长（长波限）。采用聚光-分频技术，将小鱼截止波长的能量用于光伏电池发电提供电解所需电能，而长波部分经过聚光后可通过光纤传输至固体氧化物电解池和太阳能聚热器，太阳能能高温电解水蒸汽制氢系统转化途径为光-电/热-化学能，实现了太阳能的利用，具有较高的能源转化效率。 还有一种方法是太阳能硫氧循环制氢方法，它是在研究核热能制氢技术的基础上，首先提出了太阳能硫氧循环制氢的方案，并以此为主线建立了太阳能制氢工厂。但在自然条件下并不能发生上述反应，因为水对于可见光至紫外线是透明的，并不直接吸收光能。因此，科学家们正在设想往水中加入一些物质，试图通过这些物质吸收光能并有效地传给水分子，使水发生光解。光合作用制氢目前尚处于探索阶段。其原理是利用某些微生物 （光合作用细菌）转换太阳能，产生特定物质氮化酶和氢化酶，然后再利用这两种特定物质分解水产
