多种利用清洁能源（如太阳能、风能、地热能、生物质能、水能、海洋热能、潮汐和波浪能以及核能）通过水热分解生产氢气的方法已经得到发展。本文重点介绍基于太阳能和风能的制氢工艺。

图1概括了主要的清洁制氢方法：

图2展示了利用太阳能和风能生产清洁氢气的过程：

下面将详细介绍基于风能和太阳能的具体制氢工艺：

一、 太阳能电解系统

该系统利用光伏（PV）电池产生的电能驱动电解槽分解水。其核心原理如图所示：

图3：光伏电解装置原理图

电解过程是将水（H₂O）分解为氢气（H₂）和氧气（O₂）的电化学过程。氢离子和氧离子分别迁移至阴极和阳极。产生的高纯度氢气用途广泛（如燃料电池、焊接用氢氧焰）。此方法可实现大规模、环境友好的制氢，并由太阳能供电。

图4：电解水原理图

目前电解槽效率约为75%，目标是提升至90%以上。使用可再生能源供电时，此过程无温室气体排放。

图3所示的典型装置包含一个三结太阳能电池和两个串联的质子交换膜（PEM）电解槽。系统在模拟太阳光（AM 1.5D）下运行，电池温度通过水冷系统维持在25℃。两个电解槽串联：水被泵入第一个槽的阳极室，其阴极无输入流；第一个槽阳极室输出的水、O₂混合物进入第二个槽的阳极室；第一个槽阴极产生的H₂进入第二个槽的阴极室。最终H₂和O₂从第二个槽收集，残余水回收到水箱循环利用。电解槽工作温度稳定在80°C（工业标准）。

二、 光伏光热（PV/T）混合电解系统

该系统结合了光伏发电与集热功能，由PV/T板、DC/DC变换器和PEM电解槽组成。PV/T系统为电解槽提供电流并预热进水。利用PEM电解槽（PEMEC）进行的年度测试数据对比了纯PV系统与PV/T系统的月产氢量，表明PV/T系统因热能利用具有优势。

图5：所提出系统的原理图

图6：PV和PV/T月制氢量的比较

建立的PV/T-PEMEC系统模型有助于研究辐照度、水温、水流量等因素对产氢的影响。实验研究（装置见图7）验证了利用PV/T混合能源（电能驱动碱性电解槽，热能加热背板循环水）制氢的可行性。在优化配置下，系统最大产氢速率达154 mL/min，效率约21%，日产氢量约221 L/天。

图7：实验装置与热电偶位置

三、 风能电解系统

风电解系统主要由风力发电机、变流器（AC/DC）和水电解槽构成。应用配置多样：

直接配置：风电场直接供电电解制氢，适用于偏远地区。

风电/电网混合配置：无风时电网作为备用电源。

风电制氢并网配置：生产氢气，多余风电输入电网。

风电制氢储能配置：包含储氢系统，可通过燃料电池在需要时发电。

系统核心组件如图8所示：

图8：风电解系统原理

研究表明，利用水平轴风力发电机（HAWT）为碱性水电解（AWE）供电，并用富余氢气通过燃料电池发电，系统总效率可达60%。实验证明一个风/氢系统可为10户家庭供电3天。虽然风电成本相对较高，但通过引入斩波电路调节输入电解槽的波动电能，可提高系统寿命和效率。使用垂直轴风力发电机（VAWT）供电的实验也取得了积极结果。

四、 光电化学/光催化（PEC/PC）制氢

利用光催化剂或光电极（光电化学法）在光照下分解水制氢是另一种途径。

光电化学（PEC）： 利用光活性半导体材料（如N型光阳极，P型光电阴极）在光照下产生电子-空穴对驱动水分解反应（图9原理）。其优点在于H₂和O₂在不同电极侧生成，无需额外分离。结构形式多样（图11）：(a) 由独立光伏电池供电的单光电极PEC，(b) 并联的双光电极PEC，(c) 串联的双光电极PEC。

光催化（PC）： 更简单的水分解方法（图10），反应在均相中进行，无需电极。但存在效率低（需额外能量分离气体）、易达到光稳态限制反应、以及大规模应用复杂等局限。

图9：PEC电池的原理(a)；光阳极带金属阴极(B)；光电阴极带金属阳极(C)

图10：太阳能氢基光催化系统(PC)方案

五、 生物光解/光化学制氢

此过程利用阳光和生物/化学系统从水中分离氢，可分为光电化学、光化学和光生物途径。光生物过程效率较低，主要用于小规模制氢或研究。

生物光解利用太阳能分解水：

直接生物光解： 阳光直接驱动水分解，产生的电子被利用。

间接生物光解： 内源性底物分解提供电子，氢化酶利用这些电子在近零CO₂排放下产氢，并释放氧气。

六、 热解系统

利用聚光太阳能产生高温（约2500°C）直接分解水（热解离），或用于加热分解化石燃料（如天然气）制氢。相比太阳能电解，太阳能热解离（尤其是高温分解化石燃料）可降低制氢成本。

七、 热化学循环系统

该过程结合热源（如太阳能聚热）与一系列化学反应，在较低温度下（相比直接热解）将水分解为氢和氧，使用的化学物质在循环中被回收。避免了直接高温分解对材料和气体分离的苛刻要求。

八、 高温蒸汽电解（HTSE）

与低温水电解相比，高温（通常>700°C）蒸汽（H₂O(g)）电解（HTSE）所需电能更低，部分能量由热能提供，从而降低成本和提升效率。核心部件是固体氧化物电解池（SOEC）（图12），由致密电解质（氧离子导体）和两侧的多孔电极（H₂侧阴极，O₂侧阳极）组成陶瓷三层结构。

图12：电化学电池