NREL 讨论太阳能氢分解效率的最佳实践

NREL 讨论太阳能氢分解效率的最佳实践

有多种方法可以制造氢气。大多数人都知道电解,因为它是(目前)最干净的制造方法,而且我们可能看到一位高中科学老师制作了一些。还有一些方法可以从化石燃料中获取它(如蒸汽重整)。也可以从生物过程和其他化学反应中获取。化石燃料行业宁愿我们只认为所有氢气都来自最清洁的来源,因为他们可以从更脏的来源制造氢气,并且不希望人们考虑这一点。

但是,即使使用来自太阳能电池板的电力进行电解也是有问题的。这是一个很长的故事,但你不能只是分离氢然后使用它。它需要被收集、压缩、储存、运输、泵入车辆的油箱,然后再次用于发电或仅用于燃烧。每一步都会引入转换损失,每一步都会引入费用。

归根结底,你几乎总是最好使用太阳能为电池充电,而不是用它来分离氢气,因为氢气路线使用的电力要多几倍。

但是,电池并非适用于所有应用。航空、公路卡车运输和航运等事物都需要比今天的电池所能提供的能量密度高得多的能量密度。因此,虽然我们不应该将氢用于所有事情并形成低效且浪费的“氢经济”,但在某些利基应用中,我们仍将需要在一段时间内使用氢。

但是,国家可再生能源实验室 (NREL) 最近发布的一份新闻稿解释说,这里的效率并没有失去所有希望。另一种获取氢气的方法是光电化学 (PEC) 水分解。 PEC 不使用电力,而是直接使用来自太阳的能量来生产氢气,从而使其他可再生电力资源可用于为其他更高效的设备提供动力。这使其成为最有前途和最令人兴奋的制氢方法之一。

PEC 过程的效率已经由不同的实验室进行了测量,并且由于缺乏标准化方法而经常存在很大差异。为了对比较从不同地点和小组获得的结果提供信心,研究人员在能源研究前沿发表了一份最佳实践指南。

随着研究人员不断改进技术,该出版物为 PEC 社区提供了指导。为了验证这些最佳实践,两个实验室使用相同的测试硬件、PEC 光电极和测量程序进行了循环测试。光伏研究已经允许对电池效率进行认证,但还没有一个广泛接受的协议来测量 PEC 水分解的效率。

“在实验室之间比较报告的 PEC 水分解效率结果真的很困难,因为人们倾向于在不同的条件下进行测量,”NREL 的资深科学家和新期刊文章的合著者 Todd Deutsch 说。 “能源部不久前就认识到了这一点,因此已经做出了很多努力来建立我们参与的标准——多实验室协作努力以及 NREL 特定的努力。”

本文提供了分步指南,以便所有进行光电极实验的实验室都可以遵循相同的统一做法。作者向读者介绍了该过程的每个细节,从制造所需的材料到如何测量太阳能制氢 (STH) 效率。他们强调,直接测量氢气输出对于准确了解 STH 效率至关重要。

“这篇协议论文的动机既是作为刚进入该领域的研究人员的指南,也是为更有经验的科学家描述微妙的技术技巧,”伯克利实验室的材料科学家兼 Francesca Toma 说。期刊文章。 “我们利用了两个国家实验室的独特优势,它们共同跨越了基础科学领域和应用科学领域。”

科学家于 1972 年首次发现 PEC 水分解,此后的研究只改进了这一过程。尽管还没有人建立衡量 STH(短期持有量)的标准化程序,但 NREL 在 1998 年创造了 12.4% 的世界纪录。不幸的是,在意识到他们最初的实验是在光线过多的情况下进行的之后,他们在 2016 年将该数字下调至 10%。

2017年,团队对光吸收体的设计更加精准,STH更高,达到16.2%,创造了新的世界纪录。

美国能源部氢和燃料电池技术办公室已将通过 PEC 水分解实现 STH 的目标设定为 25%,尽管初步成本分析表明氢可以以较低的价格和较低的效率实现。光电极的效率为 10% 至 20%。

此外,PEC 研究人员还专注于延长半导体耐用性的方法。捕捉阳光的设备浸没在含水(水基)电解质中。然而,由于电解质中的 pH 值范围从酸性到碱性,它会导致腐蚀并缩短半导体的使用寿命。

“耐用性仍然是这项技术的一大亮点,”多伊奇说。 “取得了一些进展,但远不及最近在提高效率方面取得的进展。”

Deutsch 撰写的题为“光电化学水分解的长期稳定性指标”的新论文深入探讨了高效稳定的无辅助 PEC 水分解这一主题。在本文中,实现这一壮举被称为清洁和可再生燃料发电的“圣杯”。描述了进行长期稳定性实验的框架,目标是获得超高稳定性(持续 10,000 小时以上)和效率大于 15%。

为什么这很重要

采用一致的方法来衡量 PEC 流程的效率有助于推动行业在未来值得信赖的进一步改进。如果有人宣布,“嘿!我们解决了 PEC!”每个人都问“你是如何衡量的?”而不是“是的!让我们开始吧!我们有一个真正的问题。为什么?因为实际上可能不是真正“GOOOO!”的时候。

及早解决这个问题,不仅可以轻松测量,还可以复制和比较实验,这意味着该技术将能够更快地从实验室推进到现实世界的使用(假设无论出于何种原因它都不是死胡同)。这样,它将能够工作,我们可能能够到达那里。

如果能够实现这一点,它将使氢能和电池电力技术并行发展,而不是相互竞争稀缺的可再生能源。这可以真正推动将气候变化降至最低的努力。

特色图片:光电极用于通过分解水来产生氢气。研究人员制定了关于如何最好地比较不同实验室的水分解技术的最佳实践指南。照片由 NREL 的丹尼斯·施罗德 (Dennis Schroeder) 拍摄。

来自:清洁技术</a

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