利用太阳能生产的绿色氢是减少温室气体排放的一种有前途的手段。光电化学(PEC)水分解装置可以利用阳光产生氢气，并将光电和电解器的不同功能集成在一个装置中。这些电能和化学能生成组件之间的集成度具有灵活性，因此出现了许多PEC器件设计。虽然一些材料已经被有效地排除在商用PEC器件中，但已经了解了许多材料设计和合成原理。

有鉴于此，帝国理工学院Anna Hankin等人，重新回顾了PEC材料的基本要求，最广泛研究的无机光电极材料的性能，以及报道的用于非辅助太阳能水分解的反应器结构。讨论了限制大规模PEC设备性能的主要现象。为了确定该技术未来的商业可行性，应该使用更大规模的演示数据进行更准确的技术经济分析，因此需要开发更耐用和高效的PEC系统，以应对材料和工程方面的挑战。

本文要点

1）美国能源部设定的PEC水分解的发展目标是在2020年将氢气的平均成本(LCOH)降低到5.70 US$/kg^-1 _H2，最终目标是将LCOH降低到2.10 US$/kg^-1 _H2。尽管尚未达到这些目标，但它们在很大程度上帮助指导研究人员和公司满足技术和经济要求，以实现商业上可行的技术。如今，制氢的成本因技术的不同而有很大的不同。目前，通过基于化石燃料的生产技术可实现最低的成本，蒸汽甲烷重整的平均成本为1.28 US$/kg^-1 _H2，生物质气化的平均成本为2.24 US$/kg^-1 _H2。在各种文献中，电解路线报告的成本差异很大，并且比基于化石燃料的方案要昂贵得多。到2020年，电网系统在美国的平均LCOH值为8.81 US$/kg^-1 _H2，在欧盟为13.11 US$/kg^-1 _H2。对于未与电网连接的系统，电解成本在1.95~17.30 US$/kg^-1 _H2之间。但是，基于历史数据的经验曲线表明，电解槽的系统价格持续下降。

2）目前，太阳能电解方法在经济上不适合大规模部署。最近一项关于重工业低碳热解决方案的文献综述表明，使用太阳能电解生产氢的成本大约比使用电网电力的PEM电解生产氢的成本高出50%。2013年，尽管没有考虑材料性能问题和规模扩大的当前局限性，但对PEC水分解进行了模拟，得出的LCOH在4.00美元至10.40 US$/kg^-1 _H2。2016年，另一项关于PEC水分解的技术经济分析使用美国的市场指标和假设估计LCOH为9.20 - 11.40 US$/kg^-1 _H2。2020年，离网PV-E系统和PEC系统的LCOH分别估计为6.22 US$/kg^-1 _H2和8.42 US$/kg^-1 _H2。这些研究结果表明，与市场上现有的替代能源相比，PEC氢系统目前在成本上没有竞争力。部署颠覆性技术(如PEC氢系统)的一个主要驱动力是经济考虑，很多研究都集中在如何降低这些系统的生产成本上。

3）要使太阳能电解系统在经济上具有竞争力，一种方法是开发具有较高η_STH值的系统。为了达到其成本目标，能源部设定了到2020年的最高目标为20%，最终目标为25%。通过将聚光光伏(CPV)模块与三结电池和PEM相结合，太阳能电解系统的最高η_STH值已达到24.4%;通过将三结太阳能电池与两个串联的PEM相结合，太阳能电解系统的最高η_STH值已达到30%。

参考文献：

Benjamin Moss et al. A Review of Inorganic Photoelectrode Developments and Reactor Scale‐Up Challenges for Solar Hydrogen Production. Advanced Energy Materials, 2021.

DOI: 10.1002/aenm.202003286

https://doi.org/10.1002/aenm.202003286