由德國柏林Helmholtz研究中心牽頭，歐盟三國合作進(jìn)行的光電化學(xué)制氫項(xiàng)目——PECSYS致力于光電化學(xué)制氫技術(shù)的突破，計(jì)劃開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)，有望在4年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，將制氫過程控制在每公斤氫氣不到5歐元的成本內(nèi)。

光電化學(xué)制氫的原理

類似于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，光電化學(xué)制氫技術(shù)采用光伏半導(dǎo)體材料產(chǎn)生的光電化學(xué)能直接將水分子分解成氫氣和氧氣，是太陽能儲(chǔ)存在化學(xué)燃料中的一種理想途徑。1971年Fujishima和Honda用二氧化鈦電極光助電解水獲得了氫氣，開始了具有實(shí)際意義的光電化學(xué)制氫的研究。

典型的光電化學(xué)分解太陽池由光陽極和陰極構(gòu)成。光陽極通常為光半導(dǎo)體材料，受光激發(fā)可以產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光陽極和對(duì)極(陰極)組成光電化學(xué)池，在電解質(zhì)存在下光陽極吸光后在半導(dǎo)體帶上產(chǎn)生的電子通過外電路流向陰極，水中的氫離子從陰極上接受電子產(chǎn)生氫氣。半導(dǎo)體光陽極是影響制氫效率最關(guān)鍵的因素。應(yīng)該使半導(dǎo)體光吸收限盡可能地移向可見光部分，減少光生載流子之間的復(fù)合，以及提高載流子的壽命。光陽極材料研究得最多的是TiO2。TiO2作為光陽極，耐光腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好。

PECSYS項(xiàng)目

歐盟三國共同開展

PECSYS項(xiàng)目的英文全稱是Technologydemonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogenproduction。該項(xiàng)目由德國一家專注于復(fù)雜材料與能源轉(zhuǎn)型相關(guān)方面科研的研究中心——柏林Helmholtz材料與能源研究中心（HZB）于2017年1月1日開展。該項(xiàng)目由歐盟研究中心的“展望2020”計(jì)劃資助，投入資金250萬歐元。除HZB研究中心外，德國的Jülich研究中心、瑞典烏普薩拉大學(xué)、瑞典Solibro Research Ab研究中心、以及意大利 Consiglio Nazionale delle Richere 和3SUN兩家研究中心都有參與。


目標(biāo)：6個(gè)月6%的效率

近幾年來，歐洲光伏化學(xué)制氫的技術(shù)研究有了很大進(jìn)步，但與光伏發(fā)電技術(shù)不同，光伏制氫一直無法將技術(shù)投入大規(guī)模生產(chǎn)，目前光伏制氫的市場價(jià)格為每公斤氫8歐元。因此，該項(xiàng)目的目的是展示一個(gè)運(yùn)行中的PV-EC系統(tǒng)，其測量至少10平方米，使得太陽能制氫的效率至少為6％，并達(dá)到至少16 g / h的氫氣生產(chǎn)，平均成本為5歐元/公斤。該系統(tǒng)預(yù)計(jì)在戶外條件下連續(xù)運(yùn)行，六個(gè)月后相對(duì)于最初效率損失小于10％。

集成設(shè)備

設(shè)備的研發(fā)由HZB研究中心的主要研究團(tuán)隊(duì)——光伏薄膜與納米技術(shù)團(tuán)隊(duì)（PVcomB）來完成。在研發(fā)過程中，將測試基于不同材料（如硅和硫族化物）的光伏電池、基于金屬鹵化物鈣鈦礦的串聯(lián)電池以及電催化劑和膜，并開發(fā)密封及保護(hù)層，目標(biāo)是將實(shí)驗(yàn)規(guī)模為25cm2的設(shè)備放大，最終開發(fā)可在極端環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行的集成設(shè)備。項(xiàng)目中期階段，項(xiàng)目組將會(huì)把總面積為10平方米的系統(tǒng)安裝在德國Jülich和意大利3SUN。

該項(xiàng)目預(yù)計(jì)使公眾和制造公司對(duì)這一系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生強(qiáng)烈的改觀，讓光伏化學(xué)制氫技術(shù)成為傳統(tǒng)燃料供能的良好替代方案，并提高歐洲光伏和電解槽制造商的競爭力，對(duì)于全球的光伏化學(xué)制氫技術(shù)的發(fā)展來說也將是突破性的升級(jí)。

除了PECSYS項(xiàng)目以外，歐美光電化學(xué)制氫方面的科研項(xiàng)目還有很多，如美國的NREL實(shí)驗(yàn)室等也不斷在分子催化劑的降低成本方面有所進(jìn)展。相信該技術(shù)也會(huì)在不久之后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

目前，我國首個(gè)風(fēng)電制氫工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目制氫站已開工建設(shè)，這針對(duì)我國大面積棄風(fēng)問題將是一個(gè)有效的解決方案。雖然目前光電化學(xué)制氫項(xiàng)目還無法在我國大規(guī)模落地建設(shè)，但相信在技術(shù)的飛快發(fā)展下，大規(guī)模量產(chǎn)也會(huì)很快實(shí)現(xiàn)，光伏產(chǎn)業(yè)也會(huì)迎來再次的蓬勃發(fā)展。