电与光驱动绿氢制备技术 -——原理、挑战与规模化应用路径
赵晨昊1
冉世骏1
剡雪丽2
邢智涵1
刘茂昌1
1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安 7100492.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安 710049;兰州交通大学新能源与动力工程学院,甘肃兰州 730030
摘要：氢气作为一种能量密度高、燃烧产物零碳排放的清洁能源载体,在未来能源系统中具有不可替代的核心地位.在全球能源结构转型与"双碳"目标的战略背景下,开发可持续的可再生能源制氢技术是应对能源危机与气候变化的关键路径.然而,当前主流制氢工艺(如蒸汽甲烷重整)高度依赖化石燃料,伴随显著的二氧化碳排放,制约了其环境效益.因此,基于可再生能源(如绿电和光能)驱动的"绿氢"制备技术成为研究焦点.从原理、挑战及规模化潜力视角,系统综述了3类可再生能源制氢技术:①电解水制氢作为目前最成熟的"绿氢"制备技术,兼具快速启停、负载响应灵活的特点,可适配波动性强的风电、光伏等可再生能源制氢,从而有效实现可再生能源的消纳与储存.电解水制氢包括碱性水电解槽、质子交换膜电解槽、阴离子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽,各具技术特点.其核心瓶颈为高电耗导致的成本问题,与可再生能源耦合被视为降低电力成本的核心路径,随着可再生能源发电成本及电解槽成本的不断降低,绿氢成本有望实现平价.②光催化分解水制氢可直接利用太阳能驱动水分解,具有理论优势,但面临太阳能-氢能转换效率低的挑战,开发高效、稳定的光催化剂是突破关键.③光电化学分解水制氢结合了光化学与电化学分解的优势,潜力巨大,但转换效率仍需大幅提升,开发大面积、高效、稳定且低成本的光电极材料是当前研究的核心任务.此外,3种制氢技术的规模化应用对能源改革起着重要的作用,详细探讨了3种制氢技术的规模化路径.最后,从原料(水)高效活化与利用、过程能耗优化控制、单位产能提升3个维度探讨了技术创新方向,并展望了未来研究重点.当前水分解制氢技术对原料水纯度要求较高,需先经水质预处理,额外增加成本投入;全球淡水资源短缺、地域分布不均,进一步制约了纯水制氢技术的规模化应用.利用大气集水的分布式制氢技术以及直接海水电解制氢技术可从根本上避免该问题.另一方面,降低制氢成本以及提高制氢系统的能量利用效率也至关重要.这些讨论旨在为推动高效、经济、可持续的"绿氢"技术发展提供参考.
关键词：可再生能源制氢能质传输与转化电催化光催化光电催化规模化路径
分类号：O643(物理化学（理论化学）、化学物理学)TQ426(试剂与纯化学品的生产)
资助基金：国家自然科学基金(52276212)苏州市科技计划资助项目(SYG202101)江苏省自然科学基金资助项目(BK20231211)陕西省重点研发计划资助项目(2023-YBGY-300)
论文发表日期：2026-01-31
在线出版日期：2026-03-20（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：24( 353-376 )
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