关于利用真空PVT驱动的甲醇电解技术提升太阳能制氢效率的初步研究

《Renewable Energy》：Preliminary investigations on the evacuated PVT-driven methanol electrolysis for enhanced solar hydrogen production

　　

唐林|王奇亮|江一帆|李雪|陈肯|司浩宇|邢佳琪|王华飞|克里斯托斯·马基德斯|裴刚

中国安徽省中国科学院大学热科学与能源工程系

摘要

甲醇是一种极具潜力的液体燃料和氢气载体。其电解过程需要电能和热能才能高效运行。尽管理论上的电解电压极低，但这一过程仍需电能和热能的协同输入以满足整体能源需求。为应对这一挑战，本研究提出了一种将甲醇电解与真空光伏热收集器相结合的集成系统，该系统可通过同一太阳能集热面同时可持续地提供电能以及中低温热能。由于真空绝缘作用，真空光伏热收集器能够大幅降低热量损失，从而提高可获得的输出温度，为其提供的热能更契合甲醇电解的能源需求。首先通过热力学分析明确了甲醇电解过程中电能与热能之间的能量分配情况，随后建立了经实验数据验证的光电热耦合模型，用于评估该集成系统。研究结果表明，从真空光伏热收集器获取的有用热能可满足甲醇电解的部分热能需求，进而减少电解槽的电能输入。因此，这种由光伏热系统驱动的甲醇电解系统的电能消耗可降低40%以上，其每日氢气产量是传统光伏水电解系统的3.62倍。这些结果凸显了将甲醇电解与真空光伏热技术相结合在实现高效实用的太阳能驱动氢气生产方面的巨大潜力。

引言

氢气被视为化学[1]、钢铁工业[2]、交通领域[2]以及长时储能[3]等产业实现深度脱碳的战略性能源载体。在各种可再生氢气生产方式中，光伏驱动的水电解因技术成熟、模块化程度高且部署灵活而备受关注[4]。然而，水电解本身较高的电能需求以及户外条件下较低的太阳能转氢效率，仍然限制了其实际应用效果[5]。此外，在传统的光伏-电解系统中，大部分入射的太阳能会在光伏组件工作时以低品位热能的形式散失，无法得到有效利用[6]。这些局限性使得人们开始关注那些能够减轻电解电能负担并提升太阳能利用效率的替代性氢气生产方法。

甲醇不仅作为一种液体燃料和氢气载体备受重视，还在“电力转X”及碳利用相关技术路线中扮演着重要中间体的角色[7]。可再生电能与捕获的二氧化碳可以转化为合成甲醇，用于实现脱碳[8]、季节性储能以及电网平衡，这凸显了甲醇作为具有良好储存和运输特性的碳基能源载体的价值[8,9]。除这些更广泛的用途外，甲醇在氢气生产方面也具有显著优势，因为其水溶液电解在热力学要求上远低于水电解[10]。在阳极处，甲醇的氧化反应为CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^?，这一反应比水电解中的析氧反应要容易得多[10]。因此，甲醇电解的理论电池电压接近于零，在相似电流密度下实际操作电压仅为0.5–1.0伏，这使得其在相同条件下的电能消耗远低于水电解[6,11]。这些特点使得甲醇电解成为降低氢气生产电能需求的理想替代方案。

不过，甲醇电解的优势并不能消除整体的能源需求，只是改变了能源的供应方式[12]。甲醇电解反应属于弱吸热反应，其可逆电压约为0.05伏，其所需焓值需要通过电能和热能的共同作用来提供。因此，所需能量中只有较小部分以电能形式供给，其余部分原则上可以通过热能提供[10]。如果能有合适的低温或中温热源对甲醇水混合液进行预热，那么更大比例的总能源需求可以通过热能来满足，进而进一步减轻电解槽的电能负担[11]。这种热辅助特性正是甲醇电解具有吸引力的关键原因之一。同时，这也揭示了一个重要的实际挑战：只有当有合适且可持续的热源可用时，甲醇电解所具有的较低电能需求才能得到充分体现。在现有研究中，人们主要关注甲醇电解的低电压和低电能优势，而对于所需热能的实际来源及其整合方式则研究得相对较少[12]。

光伏热收集器为解决这一难题提供了有效途径，它可以通过同一太阳能集热面同时提供电能和有用热能[6]。这类系统将光伏组件、热吸收器以及工作流体回路结合在一起，既能发电，又能从光伏组件的背面回收热量[13]。对传统液冷型光伏热技术的研究表明，大多数此类系统的工作温度范围在20-80摄氏度之间[6,14]。但对于水电解而言，所回收的热量通常无法直接转化为电化学效益。相比之下，甲醇电解与这种电热双供模式更为匹配，因为其部分能源需求可以从电能转化为热能[12]。在真空光伏热系统中，这种匹配性更为突出[15]。由于真空环境能够抑制对流和辐射造成的热量损失，必要时还可通过特殊表面设计进一步提升性能，因此真空平板式光伏热收集器能够在保持良好光伏性能的同时，提供更高且更稳定的热输出[16]。这些特性为将真空光伏热收集器与甲醇电解相结合、实现热辅助型太阳能制氢创造了可能。

虽然光伏热技术已广泛应用于建筑供暖、生活热水供应以及低温工业供热等领域，但针对光伏热驱动甲醇电解的定量研究仍然十分有限。目前关于光伏热耦合制氢的研究大多集中在水电解方面，包括不同工况下的氢气生成分析[17]、光伏驱动与光伏热驱动质子交换膜电解系统的对比研究[17]、光伏热驱动电解过程的动态研究[18]以及光伏/光伏热混合电解实验[17,19]。这些研究极大地提升了人们对光伏热-水电解系统的理解，但目前还缺乏在相同的收集器、热学及电化学边界条件下，对水电解与甲醇电解进行系统对比的研究。尤其是目前仍缺少结合热力学分析、温度依赖性电化学建模、经过实验验证的真空光伏热系统性能数据以及真实的户外光照强度分布的系统性评估。

为填补这一空白，本研究探讨了一种集成型太阳能制氢系统，该系统采用真空平板式光伏热收集器为甲醇电解提供动力。首先对甲醇电解和水电解路径的热力学极限及温度依赖性进行了分析和比较，之后将经过校准的电解模型与经过实验验证的真空光伏热模型相结合，用以量化操作温度对电池电压、单位电量能耗、氢气产量、太阳能转氢效率以及有效能效率的影响。通过这些分析，本研究找出了在何种操作条件下，基于真空光伏热驱动的甲醇电解系统能够相比传统的光伏热驱动水电解系统展现出更高的系统性能优势。

章节节选

光伏热驱动的甲醇电解

本研究的主要目的是评估真空光伏热系统在氢气生产方面的潜力。与传统的光伏驱动水电解系统相比，光伏热系统通过结合光伏发电与热量回收功能，能够更全面地捕获并利用太阳能[20]。具体而言，光伏组件可将部分入射的太阳辐射转换为电能，而与之配套的热收集器则能从光伏组件升温过程中回收热量

水电解与甲醇电解的热力学分析

在分析光伏热-电解耦合系统之前，先了解水电解和甲醇电解本身的热力学特性是十分必要的。图7根据第2.2.1节中所介绍的标准反应焓（ΔH）、吉布斯自由能（ΔG）以及熵项（TΔS）进行了对比分析。为便于理解，所有数值都是以每产生1摩尔氢气为基准进行归一化的。

图7(a)和(b)展示了水电解总反应的ΔH值在ΔG和TΔS之间的分配情况

结论

本研究探讨了将真空平板式光伏热收集器与水电解及甲醇电解相结合的太阳能制氢方法。通过热力学对比以及经过验证的光伏热-电解模型，我们在恒定光照条件以及合肥典型的晴天光照条件下，分别从单个组件的角度评估了这两种系统的性能。研究结果直接对比了两种制氢方式在电能需求、氢气产量以及太阳能转氢效率等方面的表现

CRediT作者贡献说明

唐林：概念构思、数据整理、定量分析、实验研究、方法设计、软件应用、初稿撰写。王奇亮：概念构思、方法设计、研究指导、结果验证、论文润色与编辑。江一帆：数据整理、定量分析、结果可视化。李雪：数据整理、实验研究、结果验证。陈肯：数据整理。司浩宇：定量分析、软件应用、结果可视化。邢佳琪：数据整理。王华飞：数据整理、软件应用。克里斯托斯·马基德斯：

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突。

致谢

本研究得到了中国教育部的“基础学科拔尖学生培养计划2025”项目（项目编号：JYB2025XDXM305）、国家关键研发计划（项目编号：2024YFF0506501）、国家自然科学基金优秀青年科学基金（海外）、中国科学技术大学“大学生创业计划”以及中国科学技术大学多能互补转化联合研究中心的支持。