《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Integration of solar energy-based PEMWE to enhance green hydrogen production: A review
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摘要近年来，国际环保组织提高了人们对气候变化以及过度依赖化石燃料所带来的负面影响的认识。这凸显出实现可持续能源转型以支持发展并减少温室气体排放的紧迫性。在这一背景下，氢气作为一种丰富、可持续的替代能源载体，有望取代传统能源，并作为有效的能量储存介质。基于太阳能的制氢方法正成为实现
摘要
近年来，国际环保组织提高了人们对气候变化以及过度依赖化石燃料所带来的负面影响的认识。这凸显出实现可持续能源转型以支持发展并减少温室气体排放的紧迫性。在这一背景下，氢气作为一种丰富、可持续的替代能源载体，有望取代传统能源，并作为有效的能量储存介质。基于太阳能的制氢方法正成为实现可持续替代能源的关键途径，能够替代传统能源。质子交换膜电解槽是一种成熟的太阳能制氢技术，因为它能在不同负荷和较高电流密度下快速响应。通过引入热管理措施，可提升系统的耐用性和效率，相较于传统的光伏-质子交换膜电解系统，其优势可达23%，同时还能减轻因太阳能供应不稳定性带来的热应力与化学降解问题。研究结果表明，目前液态氢的成本在3.11美元/千克到5美元/千克之间，其中电力成本占资本成本的约64%。不过，从实验室规模的光伏/热耦合系统向实际应用过渡过程中会面临诸多技术和环境挑战，主要受限因素包括铱等关键材料的稀缺（全球年产量仅7吨）、每吉瓦级系统所需的大面积土地（约500万平方米），以及城市环境中的社会接受度问题。本综述结合了先进技术及最新的全球政策框架（如美国的ERA计划和欧盟的RED计划），旨在推动全球范围内太阳能绿色氢能技术的应用，实现1-2美元/千克的成本目标。
引言
全球人口的快速增长和不断上升的能源需求，再加上减少对化石燃料依赖的迫切需要，都凸显出转型使用清洁能源和可再生能源系统的重要性，这些系统包括太阳能光伏、太阳能热利用技术以及风力发电设备。迄今为止，世界各国政府都在加大力度，力争在2050年前实现能源领域的脱碳，以此避免气候变化带来的影响，并将全球平均气温上升幅度控制在工业化前水平以上3摄氏度以内[1]。政策制定者们设定了多项目标，旨在强调脱碳对于提升能源安全以及推动长期可持续能源发展的作用[2]。欧盟将减少碳排放和能源消耗视为首要任务，目标是到2030年将能源消耗量比1990年的水平降低30%[2,3]。2020年的《世界能源展望》提出了到2050年实现气候中和的新目标，通过清洁能源政策进一步推进可持续发展愿景[3]。
在各类可再生能源系统中，太阳能光伏技术已成功取代传统能源系统，全球范围内已建成了众多大型光伏电站。就全球装机容量而言，光伏系统已成为第三大重要的可再生能源来源[4]。光伏面板利用半导体材料，能够将最清洁、最具可行性的能源——阳光，转化为电能，从而应用于各种工业和民用领域[[5], [6], [7]]。然而，太阳能光伏系统的转换效率会受到天气条件及其间歇性特点的影响，而这些因素又会制约太阳辐射的可用性与强度。为了解决这一问题，在光照充足时储存多余的电能，有助于缓解太阳辐射的波动，通过使能源供应与需求相匹配来维持能源稳定[8]。在各种能源储存方式中，氢气因其出色的能量密度（远高于天然气）、较长的储存时间以及几乎无环境危害等优势而尤为突出，因此特别适合用于太阳能光伏系统[9]。氢气作为一种可行的能源解决方案，有助于提升全球能源安全并推动可持续发展。它是能源转型的关键要素之一，既可作为能源载体，也可作为能源储存介质，同时还是一些行业（如工业和重型交通领域）的原材料。
地球上纯氢气极为稀有，但可以通过多种化学、电化学、热化学和生物技术手段，利用多种不同的原料来合成氢气。目前，96%的氢气属于灰氢，这类氢气是从化石燃料中提取的，每年会释放8.3亿吨二氧化碳[10]。相比之下，利用可再生能源驱动水电解来生产绿氢，被视为实现净零碳排放能源解决方案的极具前景的方向[11]，这一举措也与可持续发展目标相契合[12]。电解是一种受控的化学分解过程，它在电解槽中进行，借助过剩的太阳能将水分解为氢气和氧气这两种基本成分。典型的电解槽由电解质以及两个半导体电极——阳极和阴极组成，二者之间由隔膜分隔。不过，电解槽的效率取决于多个关键因素，包括光伏电池的材料、电解槽的类型和尺寸、材料选择以及适宜的运行条件。此外，生产氢气还需要淡水作为不可或缺的原料[13]。已有大量相关研究发表在学术文献中。Sadeq等人[14]对各类氢能系统进行了全面的研究与比较，发现电解法的能量转化效率可高达70%，氢气生产成本约为5美元/千克。Sezer等人[8]则研究了质子交换膜电解槽技术的最新进展与局限性，旨在推动该技术的商业化应用。目前，质子交换膜电解槽技术的研究与发展主要集中在电池组件、催化剂材料以及性能建模方面。Touili等人[15]研究了在干旱气候条件下，三种不同类型的光伏模块（单晶硅、多晶硅和非晶硅）用于制氢的性能表现。其中，多晶硅技术的年制氢产量最高，为37.07千克/千瓦峰值功率，成本最低，为4.89美元/千克；其次是单晶硅技术，制氢量为36.84千克/千瓦峰值功率，成本为5.48美元/千克；非晶硅技术的制氢量为36.68千克/千瓦峰值功率，成本为6.28美元/千克。本文提出了一种将太阳能技术与质子交换膜水电解槽相结合的综合性方法，用于绿色氢气的生产。
现有文献中已有大量关于将质子交换膜电解槽与太阳能结合用于制氢的研究成果。不过，针对通过光伏/热收集器来实现热管理，以此提升系统效率并延长电解槽使用寿命的相关研究仍然较少。本研究构建了一个全面的框架，用于探讨各类用于绿色氢气生产的太阳能驱动电解槽，包括直接耦合和间接耦合方法，以及热管理的整合方案。
本综述着重分析了大规模部署太阳能制氢系统所面临的瓶颈问题，重点探讨了资源稀缺、成本影响以及城市氢能基础设施的实际应用所涉及的社会接受度等关键议题。此外，本文还对如何在现有的政策框架和政府补贴支持下，实现最优的氢气成本目标进行了量化的技术经济评估，这些政策和补贴正在推动全球范围内太阳能绿色氢能技术的快速发展，从而帮助人们更全面地了解当前的技术进展及未来的发展路径。
文章的筛选是通过Scopus、Google Scholar以及MDPI网站的各种检索功能完成的，检索时结合了与氢气相关的关键词（“氢气生产”、“太阳能制氢”、“绿色氢气”）与（“太阳能热收集器”、“光伏热技术”、“太阳能光伏能源”），再结合（“电解”、“水分解”、“质子交换膜”、“质子交换膜电解槽”）、“能源效率”或（“技术经济评估”或“环境评估”或“生命周期评估”）等条件。
章节节选
水电解
自20世纪早期以来，水电解一直是制氢最为广泛使用的方法之一。由于经济方面的限制，目前只有4%的氢气是通过这种方式生产的[16]。不过据估计，到2050年这一比例将上升至22%[17,18]。图1展示了水电解技术的发展历程与技术进步情况。利用绿色电力为电解过程提供动力，是一种可持续且环保的制氢方式[19]。
太阳能驱动的氢气生产
水电解技术需要足够的电能来将水分子分解为氢气和氧气。若要实现零温室气体排放的氢气生产，这些电能必须来自可再生能源。目前，电力被认为是用于生产清洁燃料的最具吸引力、最丰富且最容易获取的能源资源。太阳能氢能系统属于可再生能源系统的一种，它利用太阳能辐射来发电。
技术经济与环境评估
将太阳能氢能作为清洁能源载体加以应用，主要面临着创新方面的挑战，需要平衡成本与生产效率之间的关系。这一技术必须具备良好的技术经济可行性，同时还要保持较低的碳足迹，这样才能在市场上得到广泛应用。不过，其发展还取决于多种因素，比如资源的可获得性、技术发展水平，以及监管机构的态度及其所带来的环境影响，这些因素都会影响政策制定者和投资者的决策[114]。
太阳能氢气生产的现有政策框架及未来展望
利用光伏热技术从阳光中获取能量来生产绿色氢气，能够提供分散式、可持续的能源解决方案，可在多个领域得到应用。为了解决大规模系统应用中存在的各种问题并推动该技术的广泛普及，各国政府纷纷制定了国家战略，并投入大量资金用于推动绿色氢能的发展，这一举措最终将重塑全球的地缘政治格局，并重新定义能源市场。
结论
氢气是一种极具潜力且可行的能源，有望取代现有的化石燃料，为构建低碳经济提供支撑。利用可再生能源，如太阳能光伏，进行水电解，是目前最为成熟、碳排放最低的制氢方法之一。氢气在实际应用中所面临的主要问题包括成本、纯度以及低碳属性，而这些因素又与氢气的生产、储存和运输方式密切相关。将光伏热技术与质子交换膜电解槽相结合，有望解决这些问题。
作者致谢
纳比拉·阿德里夫：概念设计、研究方法确定、论文撰写、初稿准备
德里斯·塔乌基尔：论文撰写、内容审阅、项目指导。
资金支持
本研究得到了CNRST在“博士联合奖学金——PASS”项目框架下的资助。
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或个人关系。
Nabila Adrif|Driss Taoukil
摩洛哥泰图安阿卜杜勒马利克·埃萨迪大学科学学院物理系能源研究团队
