德国开发极端寒冷条件下太阳能热耦合制氢系统

气候寒冷偏远地区的燃料输送和使用存在较大困难，将可再生能源生产的绿氢作为替代燃料，其易于在低温环境下保存，对于满足寒冷地区能源需求有较大潜力。然而，大多数制氢方法在零下温度的气候环境中无法很好地工作。

德国乌尔姆大学Matthias May团队开发出一种可在零下20℃环境下运行的太阳能热耦合水解制氢系统，由太阳能电池系统和电化学制氢系统组成，采用了低凝固点电解质和严格的热控制设计，并利用了太阳能电池运行过程中产生的热量，使电化学设备运行温度达到10℃左右，为极端寒冷地区、高海拔地区制氢开辟了道路。

 

太阳能制氢热耦合装置示意图

 

当前，大规模水解制氢技术通常在50-1000℃下运行，太阳能水解的实验研究通常采用约20℃的环境温度。然而，小型分布式制氢需考虑室外温度对设备运行的影响，例如为高海拔地区气象站供电。在没有外部加热的情况下，设备的过程温度将非常接近环境温度。低电解质温度会导致更高的催化和离子传输过电位的损失，也会导致电解质出现冷冻现象，使得制氢过程停止，冷冻后的体积膨胀也会损坏反应设备。

研究人员采用了低凝固点电解质（如稀硫酸），以便在较低的温度下使用。同时，通过热耦合（利用太阳能电池产生的热量）和设备隔热来补偿由于低工作温度导致的效率损失。研究人员利用数值模型研究了低温对太阳能水分解装置效率的影响，并定量分析了热耦合和隔热装置的影响。结果显示，低温将导致电化学组件的催化性能降低，欧姆损失增加，但另一方面会提升太阳能电池的效率。

为了衡量两种相反的效应，研究人员开发了一个开源模型，结合了太阳能电池参数、电化学参数以及热通量，根据太阳能电池和催化剂的温度相关电流-电压特性预测太阳能到氢气（STH）的转换效率。随后，针对由高效双结或三结III–V族太阳能电池和电解水制氢（析氧和析氢催化剂分别为铂<Pt>和铱氧化物<IrOx>）组成的装置进行了计算，使用凝固点为-35℃、浓度30wt%的稀硫酸（H2SO4）作为电解质。结果显示，随着室外温度降低，基于双结太阳能电池的无热耦合系统STH效率先升高后降低；基于三结太阳能电池的系统STH效率稳定下降；同等环境下采用热耦合设计将STH效率提升了6%。进一步地，研究人员计算了设备隔热对STH效率的影响。模型中通过铝箔减少辐射损失，采用聚苯乙烯减少散热。对于基于双结太阳能电池的系统，隔热对随温度降低STH效率升高的阶段有负面影响，对随温度降低STH效率降低的阶段有正面影响；对基于三结太阳能电池的系统，隔热始终有正面影响。

基于数值模拟结果，研究人员在实验室条件下进行了验证。基于商用三结镓铟磷/镓铟砷/锗（GaInP/GaInAs/Ge）太阳能电池和使用商用Pt和IrOx催化剂的电解器构建了实验装置，在-20.5℃至-19.2℃的环境温度、AM 1.5光照下运行了3小时，比较了无热耦合、热耦合系统和热耦合/隔热系统的工作电流、工作电压和运行温度。其中，电解器采用了新型的无膜概念，电极通过楔型块分隔，产物利用浮力分离。由于运行中超过了热中性电压，无热耦合系统的电解质温度仅略微升高，而太阳能电池温度升高，降低了开路电位，因此工作电位略有增加并超过太阳能电池的最大功率点（MPP），导致工作电流急剧下降。而热耦合系统和热耦合/隔热系统的电解液温度分别达到-4.5℃和13.5℃，其对转换效率的影响超过了太阳能电池的效率损失，工作电流增加，工作电位降低。根据实验结果可得出，三种设计下的STH效率分别达到10.3%、11.2%和11.4%。

该项研究克服了传统的太阳能制氢系统不能在零度以下运行的缺陷，利用低凝固点电解质、热管理和热耦合设计，构建了可运行于-20℃的太阳能电池与电解制氢集成系统，并进行了实验验证，为寒冷地区和高海拔地区的脱碳能源供应提供了具有前景的方式。相关研究成果发表在《Energy& Environmental Science》。

来源：先进能源科技战略情报研究中心