多種利用清潔能源（如太陽能、風能、地熱能、生物質能、水能、海洋熱能、潮汐和波浪能以及核能）通過水熱分解生產氫氣的方法已經得到發展。本文重點介紹基于太陽能和風能的制氫工藝。

圖1概括了主要的清潔制氫方法：

圖2展示了利用太陽能和風能生產清潔氫氣的過程：

下面將詳細介紹基于風能和太陽能的具體制氫工藝：

一、 太陽能電解系統

該系統利用光伏（PV）電池產生的電能驅動電解槽分解水。其核心原理如圖所示：

圖3：光伏電解裝置原理圖

電解過程是將水（H?O）分解為氫氣（H?）和氧氣（O?）的電化學過程。氫離子和氧離子分別遷移至陰極和陽極。產生的高純度氫氣用途廣泛（如燃料電池、焊接用氫氧焰）。此方法可實現大規模、環境友好的制氫，并由太陽能供電。

圖4：電解水原理圖

目前電解槽效率約為75%，目標是提升至90%以上。使用可再生能源供電時，此過程無溫室氣體排放。

圖3所示的典型裝置包含一個三結太陽能電池和兩個串聯的質子交換膜（PEM）電解槽。系統在模擬太陽光（AM 1.5D）下運行，電池溫度通過水冷系統維持在25℃。兩個電解槽串聯：水被泵入第一個槽的陽極室，其陰極無輸入流；第一個槽陽極室輸出的水、O?混合物進入第二個槽的陽極室；第一個槽陰極產生的H?進入第二個槽的陰極室。最終H?和O?從第二個槽收集，殘余水回收到水箱循環利用。電解槽工作溫度穩定在80°C（工業標準）。

二、 光伏光熱（PV/T）混合電解系統

該系統結合了光伏發電與集熱功能，由PV/T板、DC/DC變換器和PEM電解槽組成。PV/T系統為電解槽提供電流并預熱進水。利用PEM電解槽（PEMEC）進行的年度測試數據對比了純PV系統與PV/T系統的月產氫量，表明PV/T系統因熱能利用具有優勢。

圖5：所提出系統的原理圖

圖6：PV和PV/T月制氫量的比較

建立的PV/T-PEMEC系統模型有助于研究輻照度、水溫、水流量等因素對產氫的影響。實驗研究（裝置見圖7）驗證了利用PV/T混合能源（電能驅動堿性電解槽，熱能加熱背板循環水）制氫的可行性。在優化配置下，系統最大產氫速率達154 mL/min，效率約21%，日產氫量約221 L/天。

圖7：實驗裝置與熱電偶位置

三、 風能電解系統

風電解系統主要由風力發電機、變流器（AC/DC）和水電解槽構成。應用配置多樣：

直接配置：風電場直接供電電解制氫，適用于偏遠地區。

風電/電網混合配置：無風時電網作為備用電源。

風電制氫并網配置：生產氫氣，多余風電輸入電網。

風電制氫儲能配置：包含儲氫系統，可通過燃料電池在需要時發電。

系統核心組件如圖8所示：

圖8：風電解系統原理

研究表明，利用水平軸風力發電機（HAWT）為堿性水電解（AWE）供電，并用富余氫氣通過燃料電池發電，系統總效率可達60%。實驗證明一個風/氫系統可為10戶家庭供電3天。雖然風電成本相對較高，但通過引入斬波電路調節輸入電解槽的波動電能，可提高系統壽命和效率。使用垂直軸風力發電機（VAWT）供電的實驗也取得了積極結果。

四、 光電化學/光催化（PEC/PC）制氫

利用光催化劑或光電極（光電化學法）在光照下分解水制氫是另一種途徑。

光電化學（PEC）： 利用光活性半導體材料（如N型光陽極，P型光電陰極）在光照下產生電子-空穴對驅動水分解反應（圖9原理）。其優點在于H?和O?在不同電極側生成，無需額外分離。結構形式多樣（圖11）：(a) 由獨立光伏電池供電的單光電極PEC，(b) 并聯的雙光電極PEC，(c) 串聯的雙光電極PEC。

光催化（PC）： 更簡單的水分解方法（圖10），反應在均相中進行，無需電極。但存在效率低（需額外能量分離氣體）、易達到光穩態限制反應、以及大規模應用復雜等局限。

圖9：PEC電池的原理(a)；光陽極帶金屬陰極(B)；光電陰極帶金屬陽極(C)

圖10：太陽能氫基光催化系統(PC)方案

五、 生物光解/光化學制氫

此過程利用陽光和生物/化學系統從水中分離氫，可分為光電化學、光化學和光生物途徑。光生物過程效率較低，主要用于小規模制氫或研究。

生物光解利用太陽能分解水：

直接生物光解： 陽光直接驅動水分解，產生的電子被利用。

間接生物光解： 內源性底物分解提供電子，氫化酶利用這些電子在近零CO?排放下產氫，并釋放氧氣。

六、 熱解系統

利用聚光太陽能產生高溫（約2500°C）直接分解水（熱解離），或用于加熱分解化石燃料（如天然氣）制氫。相比太陽能電解，太陽能熱解離（尤其是高溫分解化石燃料）可降低制氫成本。

七、 熱化學循環系統

該過程結合熱源（如太陽能聚熱）與一系列化學反應，在較低溫度下（相比直接熱解）將水分解為氫和氧，使用的化學物質在循環中被回收。避免了直接高溫分解對材料和氣體分離的苛刻要求。

八、 高溫蒸汽電解（HTSE）

與低溫水電解相比，高溫（通常>700°C）蒸汽（H?O(g)）電解（HTSE）所需電能更低，部分能量由熱能提供，從而降低成本和提升效率。核心部件是固體氧化物電解池（SOEC）（圖12），由致密電解質（氧離子導體）和兩側的多孔電極（H?側陰極，O?側陽極）組成陶瓷三層結構。

圖12：電化學電池