太阳能热化学循环制氢研究进展

太阳能热化学制氢被认为是能源可持续利用最具潜力的途径之一,对推进“碳达峰、碳中和”目标的实现,缓解能源与环境危机具有重大的战略意义.直接热解水虽能实现近零碳排放制氢,然而超高的反应温度以及氢、氧产物分离难等问题,使之难以应用于规模化产氢.太阳能热化学循环间接分解水制氢,通过载氧材料循环来降低直接热解水温度,并实现氢、氧产物分步分离,将间歇、波动、能流密度低的太阳能转化为稳定、高密度的氢气化学能,受到广泛的关注和研究.然而,受限于太阳能热化学循环制氢存在的温度高、效率低、经济性差等诸多瓶颈问题,当前研究仍停留在理论分析与实验研究阶段,阻碍着该项技术的进一步发展.本文围绕太阳能热化学循环制氢,综述了不同循环体系的发展历程及重要进展,并对热化学循环所面临的主要挑战进行了讨论与建议,以期为太阳能热化学循环的研究和发展提供新见解与新思路,为太阳能燃料的高效、稳定、安全以及大规模生产奠定基础.

Ce基太阳能热化学循环的不可逆性分析

太阳能热化学制氢是太阳能利用有效途径,太阳能热化学两步循环通过载氧体的氧化还原反应实现间接分解水制氢,降低直接热解水温度并分步分离氢、氧产物,被广泛关注和研究。目前对于以CeO_(2)/CeO_(2−δ)氧化还原反应对为代表的太阳能热化学循环,系统热力学分析尚停留在能量分析层面,不可逆损失分布及原因仍需进一步探索与研究。本文通过对典型Ce基太阳能热化学循环进行不可逆性分析发现,Ce基太阳能热化学循环基于非化学计量比氧化还原特性,通过增加循环载氧体缓解工作在较低氧压下的真空泵机械损失。氧分压提升引入的循环载氧体增量,导致了高温还原与低温氧化切换过程中的较大加热、冷却不可逆损失,以及与这部分循环载氧体增量有关的辐射损失,严重降低了太阳能热化学制氢效率。降低这部分与氧分压有关的不可逆损失是提升非化学计量比太阳能热化学循环效率的关键。研究结果为太阳能热化学循环高效制氢提供了理论依据。