悬浮式太阳能燃料电池海水电解装置

据外国媒体报道：哥伦比亚工程学院化学工程系开发出了浮式太阳能电解海水制氢装置。该设计是第一个实用的浮动太阳能制氢装置，在没有泵或膜的情况下进行水电解，未来可能可以持续的低成本制氢。

哥伦比亚工程学院化学工程助理教授丹尼尔·埃斯波西托（Daniel Esposito）一直在研究将水分解成氧气（O₂）和氢气（H₂）将太阳能光伏发电（PV）转化为可储存的氢燃料。氢是一种清洁的燃料，目前用于在美国宇航局太空计划中推进火箭，并被广泛认为将会在可持续能源未来发挥重要作用。当今绝大多数的氢气是通过一种称为蒸汽甲烷重整的方法从天然气中生产出来的，该方法在制造氢气的同时释放二氧化碳，会造成一定的污染。利用太阳能光伏发电的水电解提供了一条无污染的产氢新途径。

埃斯波西托的团队现在已经开发出一种新型的光伏电解设备，该设备可以作为一个独立的漂浮平台在海上运行。该浮动式光伏电解槽可以被看作是一种“太阳能燃料钻井平台”，它与深海石油钻井平台有一些相似之处，不同之处在于它可以从阳光和水中产生氢燃料，而不是从海底采集石油。

研究人员的主要创新是分离水电解产生的氢气和氧气的方法。目前先进的电解槽使用昂贵的膜来使这两种气体分离。哥伦比亚工程学院使用一种新的电极结构来代替该膜，可以利用水中气泡的浮力分离和收集气体。该设计能够以极高的纯度高效制氢，并且不需要泵来主动输送电解液。基于浮力分离的概念，简单的电解槽结构产生纯度高达99％的氢气。

下图为被动无膜电解的示意性侧视图。两个网状电极保持在一个窄的分离距离（L），同时产生H2和O2气体。关键的创新是催化剂在网的外表面上的不对称放置，使得气泡的产生被限制在该区域。当气泡分离时，它们的浮力使它们向上浮动到分离的收集室中。

该团队在哥伦比亚无尘室将铂电催化剂沉积到网状电极和3D打印机上，以制造反应器组件。他们还使用高速摄像机监测电极间氢气和氧气气泡的传输，这一过程称为“交叉”。电极之间的交叉是不理想的，因为它会降低产品纯度，导致安全问题，需要下游分离单元这使得这个过程更加昂贵。

为了监测氢气和氧气的交叉事件，研究人员在所有的电解装置中都安装了窗口，这样他们就可以在装置运行过程中，从电极上取得高速的气泡演变视频。这些视频通常以每秒500帧的速度拍摄（典型的iPhone以每秒30帧的速度拍摄视频）。

本研究成果以Floating Membraneless PV-Electrolyzer Based on Buoyancy-Driven Product Separation为题发表在了国际氢能杂志上。作者包括Jonathan Davis，Ji Qi，Xinran Fan，Justin Bui和Daniel V. Esposito，他们都属于哥伦比亚大学工程系的化学工程系。

该研究由哥伦比亚大学启动资金资助。