4.1　太陽能制氫

太陽能有豐富多彩的制氫途徑。太陽能既可以通過光伏直接發(fā)電，也可以通過光熱發(fā)電，任何用電直接電解水制氫。環(huán)境科學(xué)院利用太陽能的熱經(jīng)過熱化學(xué)制氫，更可以利用太陽光直接光解水獲得氫氣和氧氣。太陽能支持下的光合作用也是制氫的可能途徑。總之，太陽能有很多制氫途徑。我們可用表4-1表示。

4.1.1　太陽光直接分解水制氫

4.1.1.1　光解水制氫的原理

水的化學(xué)性質(zhì)一般而言十分穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1mol水的分解需要提供237kJ的能量。但作為一種電解質(zhì)，水卻是不穩(wěn)定的，電解電壓僅為1.229eV，因此，光解水制氫的基礎(chǔ)概念就是先將光能轉(zhuǎn)化為電能，其后通過電化學(xué)過程實(shí)現(xiàn)氫氣的制備（如圖4-2所示）。總反應(yīng)式表達(dá)如下：

太陽能+H2OH2+O2　　（4-1）

其中，摩爾電解電壓由下式求得：

　　（4-2）

（F為法拉第常數(shù)）

借助光電過程利用太陽能光解水的途徑，目前研究最廣泛的是半導(dǎo)體光催化法。當(dāng)半導(dǎo)體材料受到能量相當(dāng)于或高于催化劑半導(dǎo)體禁帶寬度的光輻射時(shí)，晶體內(nèi)的電子受激發(fā)，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，與仍留在價(jià)帶內(nèi)的空穴實(shí)現(xiàn)了分離；在這種自由電子-空穴對(duì)的作用下，水就會(huì)在半導(dǎo)體的不同位置分別被還原成氫氣和氧化形成氧氣，完成電離制氫的過程（如圖4-3所示）。

必須指出，并非所有的半導(dǎo)體材料都適合作為光解水的催化劑。該過程的催化劑必須滿足以下條件：首先，半導(dǎo)體禁帶寬度需大于水的電解電壓（理論值如前所述，為1.229eV）；其次，要使水分解釋放出氫氣，熱力學(xué)要求作為光催化劑的半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶電位比氫電極電位E（H+/H2）稍負(fù)，價(jià)帶電位則比氧電極電位E（O2/H2O）稍正。

由于光解水過程的效率與受光激發(fā)產(chǎn)生的自由電子-空穴對(duì)數(shù)量、分離情況、存活壽命、再結(jié)合與逆反應(yīng)抑制等因素密切相關(guān)，構(gòu)筑有效的光催化材料是這一部分研究的關(guān)鍵。下面具體介紹這一部分的研究進(jìn)展。

4.1.1.2　光催化材料研究現(xiàn)狀

自1972年Fujishima和Honda首次報(bào)道了TiO2單晶電極上的光解水產(chǎn)氫現(xiàn)象以來［2］，TiO2就因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、無臭、無毒、抗磨損的特點(diǎn)，成為半導(dǎo)體光催化劑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。但TiO2禁帶寬度較大（3.2eV），只能吸收太陽光線中的紫外部分，太陽能利用效率不高。因此科學(xué)家們在該領(lǐng)域的研究方向主要集中在以下兩個(gè)方面：一是對(duì)現(xiàn)有的光催化劑進(jìn)行修飾與改性，以使其吸收帶紅移到可見光區(qū)，提高能量的利用效率；二是繼續(xù)設(shè)計(jì)研發(fā)新型的、在可見光區(qū)有響應(yīng)的光催化材料。下面就分別從這兩個(gè)部分對(duì)現(xiàn)有的研究做一簡要介紹。首先是各種不同的光解水制氫的催化材料。

（1）金屬氧化物、硫化物半導(dǎo)體光催化材料

金屬氧化物與金屬硫化物廉價(jià)易得、效率高，且對(duì)可見光區(qū)有良好吸收和響應(yīng)，是目前應(yīng)用最普遍的光催化材料。除了前面已經(jīng)提及的TiO2，CdS、Fe2O3等亦被廣泛地應(yīng)用于水解制氫的研究。如2002年Bonamali等［3］以ZnO為半導(dǎo)體光催化劑，2003年Bessekhouad等［4］以新型不含貴金屬的氧化物CuMnO2為光催化材料，均能夠做到在可見光條件下仍維持不低的產(chǎn)氫速率。而與氧化物相比，硫化物往往具有更適合可見光響應(yīng)的帶隙寬度（2.3eV）和更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因而可能具備更高的光催化活性。如Bessekhouad等所制備的顆粒均勻且具備良好黏附性的Bi2S3多晶膜［5］，其禁帶寬度為1.28eV，與太陽光譜極為匹配，在可見光區(qū)表現(xiàn)出優(yōu)良的催化活性；中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所雷志斌等［6］采用水熱法合成的ZnIn2S4等同樣表現(xiàn)出類似的性質(zhì)。

（2）聯(lián)吡啶金屬配合物光催化材料

配合物光解水制氫研究最多的體系是有機(jī)金屬配合物雙聯(lián)吡啶釕和體系。當(dāng)有合適波長區(qū)間的光輻照時(shí)，吸收光子將H+還原成H2，自身則被氧化為；生成的又可以作為氧化劑將OH-氧化為O2，從而形成一個(gè)良好的裂解水制氫的催化循環(huán)。該類型催化劑對(duì)可見光有較強(qiáng)的響應(yīng)，且氧化還原反應(yīng)可逆，氧化態(tài)穩(wěn)定性高，是性能優(yōu)越的光敏材料。2005年James等進(jìn)一步研究了以聯(lián)吡啶及多吡啶作為配體的過渡金屬配合物的感光特性與對(duì)光的穩(wěn)定性［7］，發(fā)現(xiàn)五氨基異煙酸釕（Ⅱ）［Ru（ina）］等表現(xiàn)出較好的光催化活性與光穩(wěn)定性能。

（3）無機(jī)層狀化合物半導(dǎo)體光催化材料

具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的NbO6與TaO6型八面體單元化合物，如鉭鐵酸銻型的BiMO4（M=Nb、Ta）、鐵錳重石晶型的InMO4（M=Nb、Ta）以及燒綠石晶型的Bi2MNbO7（M=Al、Ga、In）等均具有光催化活性。以這種八面體單元為基礎(chǔ)可構(gòu)建多種層狀結(jié)構(gòu)光催化材料。以離子交換層狀鈮酸鹽M4Nb6O17（M=K、Rb）為例，它就是由NbO6八面體單元經(jīng)氧橋連接構(gòu)成的二維層狀材料。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是交替出現(xiàn)的層狀空間，由NbO6構(gòu)成的層帶負(fù)電荷，出于電荷平衡的需要，帶正電荷的陽離子（K+、Na+、Li+）會(huì)出現(xiàn)在層與層之間。在高濕度的空氣和水溶液光催化反應(yīng)中，反應(yīng)物水分子可以很容易地進(jìn)入其層狀空間，自發(fā)地發(fā)生反應(yīng)。若在該層狀結(jié)構(gòu)上嘗試適量負(fù)載Ni等金屬［8］，其分解水的效率會(huì)有顯著提升。

具有金紅石型結(jié)構(gòu)的層狀光催化劑LiMWO6（M=Nb、Ta）則是一類新型的層狀光催化材料。當(dāng)該類材料被質(zhì)子化后，臨近層板間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，從而導(dǎo)致層板間距變寬，且質(zhì)子化后具有較強(qiáng)的酸性，有機(jī)堿分子可進(jìn)入層間，有利于層間后續(xù)的結(jié)構(gòu)與功能修飾。Wang等［9］分別利用分步插層、層間共沉淀和水熱等方法成功地實(shí)現(xiàn)了該類材料的層間修飾，所制得的層狀復(fù)合材料均具備較高的光催化活性。

4.1.1.3　光催化劑的修飾與改進(jìn)

（1）貴金屬負(fù)載

在光催化反應(yīng)中，受光子激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴會(huì)分別移動(dòng)到固相表面與水發(fā)生反應(yīng)從而生成氫氣與氧氣；但相互分離的自由電子和空穴很容易重新復(fù)合而失去催化活性。若將適量的貴金屬負(fù)載在半導(dǎo)體光催化材料表面，光照產(chǎn)生的電子與空穴將會(huì)分別被定域在貴金屬和半導(dǎo)體光催化劑上發(fā)生分離，這很好地抑制了電子與空穴的再復(fù)合，使它們可以各自在不同的位置發(fā)生氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)，從而極大地提高了光催化材料的催化活性與選擇性［10］。這里可選擇的貴金屬包括Pt、Ag、Au、Ru、Pd、Rh等，其中負(fù)載Pt的研究最為廣泛，Au次之，體系則通常是Pt/TiO2和Au/TiO2。

例如，西安交通大學(xué)許云波等［11］采用共沉淀法制備得到了共摻雜Cu、In的ZnSeS半導(dǎo)體光催化劑，并對(duì)該催化劑的光分解水產(chǎn)氫的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，在ZnSeS中負(fù)載摩爾分?jǐn)?shù)分別為2%的Cu和In時(shí)，其光吸收性能最好，光催化活性最強(qiáng)，最大吸收波長可紅移至700nm，能量利用效率較之負(fù)載前有了顯著提高。

（2）離子摻雜

大多數(shù)光催化劑僅對(duì)紫外光區(qū)域有明顯的吸收，通過對(duì)其摻雜過渡金屬離子，可使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，產(chǎn)生離子缺陷，成為載流子的捕獲阱，延長其壽命，有效抑制電子與空穴的再結(jié)合，提高光生電子-空穴對(duì)的分離效果，同時(shí)在半導(dǎo)體催化劑能帶中形成雜質(zhì)能級(jí)，縮小了帶隙寬度，增大了響應(yīng)波長，從而有利于可見光區(qū)光催化反應(yīng)的順利進(jìn)行。已有相關(guān)研究表明，在TiO2中摻入Fe3+可使光催化劑在400～550nm的區(qū)間形成明顯的吸收峰，從而拓寬TiO2對(duì)太陽光可見光區(qū)域的光譜響應(yīng)范圍。其他過渡金屬離子如Cu2+、Cr3+、V4+、Co2+、Ru3+、Rh3+等對(duì)半導(dǎo)體光催化材料的摻雜同樣可使其在可見光部分的吸收得到有效的增強(qiáng)。

例如，Yang等［12］使用溶膠-凝膠法在TiO2微粒上摻雜Mo6+，結(jié)果表明，這樣的摻雜擴(kuò)展了光催化材料的吸收邊界，其中，當(dāng)Mo、Ti原子比為1∶100時(shí)，TiO2的光催化活性是未摻雜時(shí)的兩倍，其禁帶寬度也降至3.35eV，低于純凈TiO2的禁帶寬度（3.42eV），從而更有利于對(duì)太陽光可見光區(qū)域的吸收以及光催化反應(yīng)的高效進(jìn)行。

必須指出的是，非金屬離子的摻雜對(duì)于提高可見光作用下的產(chǎn)氫速率，強(qiáng)化光催化反應(yīng)過程同樣可起到積極作用。早在2001年7月，Asahi等日本學(xué)者就在“Science”上報(bào)道了用在TiO2中摻雜氮的方法合成TiO2-xNx，該化合物在可見光區(qū)表現(xiàn)出吸收區(qū)間且有良好的催化活性［13］；次年9月，Shahed等在天然氣中煅燒金屬鈦片得到TiO2-xCx碳化物，同樣在可見光作用下表現(xiàn)出很好的催化水分解產(chǎn)氫的活性［6］。2004年，Luo等［14］以TiCl4為鈦源，采用水熱合成的方法制備了Br、Cl共同摻雜的TiO2，對(duì)摻雜后的光催化劑的紫外可見光譜分析表明，Br、Cl的共同摻雜能夠使帶隙變窄，吸收邊界向低能量方向移動(dòng)，從而提高水分解為氫氣和氧氣的能力。

此外，陰離子取代和陽離子摻雜并用的修飾方法也可用于提升光催化劑的催化活性。2004年Liu等［15］采用溶膠-凝膠法制備合成了半導(dǎo)體催化材料YTaO4，通過高溫氮化技術(shù)可使YTaO4晶格中的部分O被N取代，從而獲得新的光催化劑Y2Ta2O5N2，再通過適當(dāng)?shù)刎?fù)載貴金屬Pt和Ru，該催化劑便可在甲醇和AgNO3的水溶液中實(shí)現(xiàn)水的還原與氧化反應(yīng)，制備出氫氣與氧氣，并維持不低的產(chǎn)氫速率。

（3）復(fù)合半導(dǎo)體

復(fù)合具有不同能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，利用窄帶隙的半導(dǎo)體敏化寬帶隙的半導(dǎo)體，可以提高寬帶隙半導(dǎo)體的催化活性。二元復(fù)合半導(dǎo)體中，兩種半導(dǎo)體之間的能極差可使光生載流子從一種半導(dǎo)體的能級(jí)注入另一種半導(dǎo)體的能級(jí)，導(dǎo)致長期、有效的電荷分離。且由于不同金屬離子的配位數(shù)和電荷性不同會(huì)產(chǎn)生過剩電荷，這也能夠增加半導(dǎo)體捕獲質(zhì)子或電子的能力，從而提高光催化劑的活性。研究最多的復(fù)合半導(dǎo)體體系仍以TiO2為基礎(chǔ)，CdS、Fe2O3、WO3等與之復(fù)合均可使吸收波長紅移，從而有效提高光催化反應(yīng)的效率。對(duì)無機(jī)層狀材料進(jìn)行層間插入形成納米復(fù)合材料，同樣可有效提升材料的光譜利用率和光解水特性［14］。

在各種與TiO2復(fù)合的物質(zhì)中，碳材料往往具備獨(dú)特的優(yōu)勢，如：酸堿條件下的化學(xué)穩(wěn)定性，可控的表面、化學(xué)特性等等。最近，新興的碳納米材料石墨烯引起了研究者們的廣泛關(guān)注。光催化材料領(lǐng)域亦不例外。由于層狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯比表面積大，離子交換能力強(qiáng)，這些特點(diǎn)賦予了其良好的復(fù)合能力。有研究者據(jù)此嘗試將TiO2與氧化石墨烯進(jìn)行復(fù)合（圖4-4），并對(duì)復(fù)合后光催化劑的性能做出了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)表明，這種復(fù)合對(duì)光催化反應(yīng)的高效進(jìn)行是十分有利的［16］。

進(jìn)一步探究這種復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)的原因，可能的機(jī)理如下：TiO2在光輻射條件下，價(jià)帶上的電子被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，并在電場作用下分離、遷移到離子表面。而光生電子具有很好的還原性，它能夠被雜化在TiO2表面的氧化石墨烯捕獲，并將氧化石墨烯還原成石墨烯。因此，光生電子和空穴的重新復(fù)合受到抑制，它們之間有效的分離使得半導(dǎo)體光催化材料的活性顯著增強(qiáng)。

（4）其他

對(duì)光催化劑的修飾與改進(jìn)還有許多其他途徑。例如，光催化劑納米化、燃料光敏化、預(yù)先選用適當(dāng)?shù)碾娮硬东@劑吸附在催化劑表面，利用表面螯合及其衍生作用以及外場耦合等，都可能提升反應(yīng)的速率和活性，為光催化反應(yīng)的進(jìn)一步優(yōu)化做出貢獻(xiàn)［17］。

4.1.1.4　存在問題與前景展望

目前的光催化劑和光催化體系仍存在諸多問題，距離實(shí)際的應(yīng)用尚需時(shí)日。比如，大多數(shù)光催化劑僅在紫外光區(qū)域穩(wěn)定有效，在可見光區(qū)域則活性較低，能量轉(zhuǎn)化效率也不高。因此，未來的研究方向，首先仍應(yīng)當(dāng)是高效、穩(wěn)定、低成本的可見光催化劑的研制。其次，綜合利用對(duì)光催化劑的改進(jìn)與修飾手段，構(gòu)建合適的光催化反應(yīng)體系亦十分重要。若能將該體系與水處理等其他單元有機(jī)耦合，同樣不失為一個(gè)有前景的發(fā)展方向。

2017年最新進(jìn)展，針對(duì)光解水制氫過程中的逆反應(yīng)嚴(yán)重、氫氣難分離和存儲(chǔ)的問題，研究人員從英國科學(xué)家安德烈·海姆爵士（諾貝爾獎(jiǎng)獲得者）和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳恒安教授的研究工作得到啟發(fā)：石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體，缺對(duì)質(zhì)子能夠“網(wǎng)開一面”，大方放行。利用這一大自然給質(zhì)子開的“方便之門”，江俊等設(shè)計(jì)了一種二維碳氮材料與石墨烯基材料復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)。而在這三明治結(jié)構(gòu)體系中，碳氮材料夾在兩層官能團(tuán)修飾的石墨烯中。第一性原理計(jì)算表明，這一體系可以同時(shí)吸收紫外光和可見光，利用太陽光能產(chǎn)生激子，光生激子迅速分離形成高能電子和空穴并分別遷移至中間的碳氮材料和外層的石墨烯材料上。而吸附在石墨烯基材料活性位點(diǎn)上的水分子在光生空穴的幫助下，發(fā)生裂解，產(chǎn)生質(zhì)子。這些產(chǎn)生的質(zhì)子受碳氮材料上內(nèi)建靜電場驅(qū)動(dòng)，可穿透石墨烯材料，運(yùn)動(dòng)到內(nèi)部的二維碳氮材料上，并且遇到電子后反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。由于石墨烯唯一放行的僅僅是氫原子（質(zhì)子），而光解水產(chǎn)生的氫氣不能穿透石墨烯材料，導(dǎo)致光解水產(chǎn)生的氫氣分子將被安全地保留在三明治復(fù)合體系內(nèi)；同時(shí)O2、OH等體系也無法進(jìn)入復(fù)合體系，抑制了逆反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了高儲(chǔ)氫率下的安全儲(chǔ)氫。

這一研究體系以較低的成本，巧妙地抑制了光解水制氫的逆反應(yīng)發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了氫氣的有效提純，是首個(gè)安全制氫與儲(chǔ)氫一體化的設(shè)計(jì)［18］。其產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走，但畢竟有了方向。

4.1.2　太陽光熱化學(xué)分解水制氫

直接分解水需要達(dá)到2500℃以上的溫度，同時(shí)還存在氣體的分離問題，在正常環(huán)境下是不可行的，而通過熱化學(xué)循環(huán)過程，可以在較低的溫度下分解水，總的效率可達(dá)50%；如果能與高溫核反應(yīng)堆耦合，則有望成為可大規(guī)模利用、不產(chǎn)生溫室氣體且具有經(jīng)濟(jì)性的制氫方法。

其原理為：在水中加入催化劑，將水分解反應(yīng)分成幾個(gè)不同的反應(yīng)，并組成一個(gè)循環(huán)過程。這個(gè)過程可以大大降低加熱的溫度，催化劑可以反復(fù)使用。各步反應(yīng)的熵變、焓變和Gibbs自由能變化的加合等于水直接分解反應(yīng)的相應(yīng)值；而每步反應(yīng)有可能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。在整個(gè)過程中只消耗水，其他物質(zhì)在體系中循環(huán)，這樣就可以達(dá)到熱分解水制氫的目的。

在評(píng)價(jià)指標(biāo)中，制氫效率最為重要，它代表了過程的能耗，也和制氫成本密切相關(guān)，其高低是一個(gè)熱化學(xué)循環(huán)是否有價(jià)值的前提。由于水電解制氫過程的總體效率為26%～35%，所以制氫效率大于35%是熱化學(xué)循環(huán)制氫的起碼條件。

太陽光熱化學(xué)分解水制氫是熱化學(xué)制氫的重要分支。其中熱化學(xué)制氫是關(guān)鍵，這里太陽能只是熱源罷了，其他的熱源還有高溫氣冷核反應(yīng)堆。對(duì)熱化學(xué)的研究的文獻(xiàn)及書籍很多，有興趣的讀者可以參閱毛宗強(qiáng)、毛志明合著的《氫氣生產(chǎn)過程及熱化學(xué)利用》，化學(xué)工業(yè)出版社2015年5月北京第一版“第二章熱化學(xué)制氫”。

4.1.3　太陽能發(fā)電、電解水制氫（PTG）

電解水制氫是獲得高純度氫的傳統(tǒng)方法。其原理是：將酸性或堿性的電解質(zhì)溶入水中，以增加水的導(dǎo)電性，然后讓電流通過水，在陰極和陽極上就分別得到氫氣和氧氣。目前，世界上已有許多先進(jìn)的大型電解裝置在運(yùn)行，一天制氫量在千噸以上，電-氫的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)75%以上。常規(guī)的太陽能電解水制氫的方法與此類似。第一步是通過太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，第二步是將電能轉(zhuǎn)化成氫，構(gòu)成所謂的太陽能-光伏電池-電解水制氫系統(tǒng)。由于太陽能光伏電池-電的轉(zhuǎn)換效率較低，價(jià)格非常昂貴，致使在經(jīng)濟(jì)上太陽能電解水制氫至今仍難以與傳統(tǒng)電解水制氫競爭，更不要說和常規(guī)能源制氫相競爭了。

最近，人們提出太陽能直接電解制氫，其基本原理見圖4-5。它基于光電化學(xué)池和半導(dǎo)體光催化法，即通過光陽極吸收太陽能并將光能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)在對(duì)電極上給出電子。光陽極通常為光電半導(dǎo)體材料，納米感光微粒通過密集有序組裝，形成高密度受光體，受光激發(fā)可以產(chǎn)生高電壓和電子、空穴對(duì)。由于有序結(jié)構(gòu)和電池外電路，電子與空穴不再直接復(fù)合。這樣光陽極和對(duì)極-陰極組成光電化學(xué)池，在電解質(zhì)存在下光陽極吸光后，在半導(dǎo)體導(dǎo)帶上激發(fā)產(chǎn)生的電子通過外電路流向?qū)O，水中的質(zhì)子從對(duì)極上接受電子產(chǎn)生氫氣見圖4-5。

美國加州洪堡州立大學(xué)莎茨能源研究中心開發(fā)的太陽能制氫系統(tǒng)，每天可自動(dòng)生產(chǎn)出干凈的氫燃料。該系統(tǒng)于1989年開始籌建，由莎茨通用塑料制造公司投資。

系統(tǒng)的光伏電池為9.2kW，與7.2kW（電）雙極堿性電解槽匹配，最大制氫量為每分鐘25L。當(dāng)有日照時(shí)，光伏電池發(fā)出的電能直接供給壓縮機(jī)，多余的電能供給電解槽制氫。當(dāng)沒有日照時(shí)，一臺(tái)1.5kW的質(zhì)子交換膜燃料電池，用儲(chǔ)存的氫發(fā)電，供給壓縮機(jī)。光伏電池由192塊西門子公司生產(chǎn)的M75光伏組件構(gòu)成，分成12個(gè)子陣列，形成24V直流電源。計(jì)算機(jī)每隔2s讀出各子陣列的電流及其他參數(shù)，并在壓縮機(jī)和電解槽之間分配能量。試驗(yàn)表明，盡管日照有變化，但在運(yùn)行期間輸送給壓縮機(jī)的功率卻很穩(wěn)定。

莎茨太陽能系統(tǒng)對(duì)30個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，如果有一個(gè)參數(shù)超出規(guī)定范圍，系統(tǒng)就會(huì)安全關(guān)閉。該系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)不是一個(gè)模擬負(fù)載，必須連續(xù)進(jìn)行。若斷電，空氣壓縮機(jī)就會(huì)自動(dòng)連接電網(wǎng)，如果電網(wǎng)也斷電，它就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用電源。從1993年1月至1994年6月，該系統(tǒng)的平均制氫效率為6.1%。

德國一座500kW的太陽能制氫試驗(yàn)廠目前已經(jīng)投入試驗(yàn)運(yùn)行，生產(chǎn)的氫氣被用做鍋爐和內(nèi)燃機(jī)燃料或用于燃料電池的運(yùn)行。在沙特阿拉伯也建成了一個(gè)350kW的太陽能制氫系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是德國航天局和阿布杜拉科學(xué)城的試驗(yàn)研究和培訓(xùn)基地。德國戴姆勒-克萊斯勒汽車公司和BMW公司正利用這一設(shè)施進(jìn)行氫氣用作汽車燃料的試驗(yàn)研究。德國已經(jīng)投資5000萬馬克進(jìn)行工程的可行性研究，該工程計(jì)劃在北非沙漠地帶建造太陽能光伏發(fā)電站，用其發(fā)出的電生產(chǎn)氫氣，然后把產(chǎn)出的氫氣利用管道經(jīng)意大利輸送到德國。

2008年，清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行了中國第一個(gè)太陽能-氫系統(tǒng)。它由一個(gè)2kW光伏電池陣列、48V/（300A·h）鉛酸電池、0.5m3/h制氫容量堿性水電解槽、10m3LaNi5合金儲(chǔ)氫儲(chǔ)罐和200W H2/空氣PEM燃料電池組成。系統(tǒng)安裝在清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（INET）并成功運(yùn)行了幾個(gè)月。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯刻柲?氫能系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性，為將來大規(guī)模的可再生能源制氫做準(zhǔn)備。兩個(gè)月運(yùn)行結(jié)果顯示40.68%能量轉(zhuǎn)化為氫，氫氣耗能為7.21kW·h/m3 H2。經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果說明，太陽能-氫能系統(tǒng)可以很好地運(yùn)行。不過，目前在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。建議采用高能量轉(zhuǎn)換效率、低成本的太陽能電池板和電解槽技術(shù)以減少成本，與電網(wǎng)聯(lián)用以增加系統(tǒng)產(chǎn)出。該項(xiàng)目是由殼牌石油公司贊助［19］。