[發明專利]聚能催化制氫系統

無效

• 申請號: 200680052672.0
• 申請日: 2006-12-22
• 公開（公告）號: CN101466633A
• 公開（公告）日: 2009-06-24
• 發明（設計）人: R·拉哈克里什南;T·H·范德斯普爾特;J·J·桑焦文尼
• 申請（專利權）人: 聯合工藝公司
• 主分類號: C01B3/02
• 分類號: C01B3/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 段曉玲;韋欣華

發明背景

光化學和光電化學電池具有從日光中提取能量的能力。通過通常通過制造 自由基來激發原子或分子并使之更具活性，該太陽能由此一旦被轉化為化學能 就可用于直接制氫。構建浸沒于電解液中的半導體電極(或光電陽極)和金屬 陰極，當光射到該電池時，落入電磁波譜特定范圍的一部分光被吸收到該半導 體材料中，使得光的能量轉移到半導體中。一旦吸收光，該電池產生能量，其 隨后用于電解水或其它富氫源。在水的例子中，如下反應所示，水通過在電極 處與自由空穴(2h⁺)反應被氧化以制造氫離子(H⁺)和氧氣：

2h⁺+H₂O＝1/2O_2(氣體)+2H⁺_(aq)。

如下反應所示，H⁺離子隨后通過陰極上的電子還原為氫以制造氫氣：

2e^-+2H⁺_(aq)＝H_2(氣體)

光電化學與光化學領域的現狀是，由吸收的光制氫的效率低于10％。能夠 將制氫轉化效率比率提高至約30％的光電化學或光化學系統會是目前在制氫過 程中釋放溫室氣體的烴燃料處理系統的可行且成本有效的替代選擇。由于太陽 能電池能夠利用無污染可再生能源制造有用的能量，所以光電化學和光化學電 池系統已成為制氫領域的焦點。

發明簡述

太陽能驅動的制氫系統直接產生氫。該太陽能驅動的制氫系統包括至少一 個聚能器(concentrator)、富氫源、催化層和氫分離膜。富氫源經設置以接收由 聚能器收集的聚焦的日光，并直接接觸催化層。催化層由富氫源產生氫。氫分 離膜隨后分離在催化層制得的氫。

附圖簡述

附圖為具有催化層的聚能催化制氫系統(concentrating?catalytic?hydrogen production?system)的實施反方案的示意圖。

發明詳述

唯一的附圖為包括聚能器12a、12b、12c和12d，催化層14，富氫層16， 氫分離膜18和氫出口20的聚能催化制氫系統10的示意圖。制氫系統10使用 從聚能器12a-12d俘獲的太陽能來產生氫。聚能器12a-12d將日光S引至催化層 14，其由富氫層16產生氫。制氫系統10提供了高氫產生率，同時為在制氫期 間釋放溫室氣體的燃料處理系統的環境友好的替代選擇。

在運行中，垂直于入射陽光方向排列聚能器12a-12d，以便俘獲最大量的太 陽光線。聚能器12a-d通常設置在催化層14正上方，并具有將通過聚能器12a-12d 收集的陽光的高能量密度光束聚焦到催化層14的非成像光學器件。聚能器 12a-12d的光學設計能夠是將收集自陽光的太陽能聚集以達到一個太陽(one sun)至一萬個太陽(ten?thousand?suns)的聚集比(concentration?ratio)的反射或 折射光學器件。另外，聚能器12a-12d可以包含濾光材料以基于催化層16的吸 光性過濾波長。盡管附圖描述了具有四個聚能器12a-12d的制氫系統10，但是 制氫系統10可以包含與產生在特定位置所需的合意量的氫氣所必需的那樣多的 聚能器。

由聚能器12a-d收集的光射入直接接觸富氫層16的催化層14中。催化層 14能夠是光催化劑、熱催化劑，或二者的結合，其包括由能夠捕獲寬范圍波長 并將其分別轉化為電能或熱能的多結光電化學或光化學電池。以光和熱的形式 收集的太陽能促進了將富氫層16中的成分轉化為氫所必需的光化學反應和/或 熱化學反應，或二者的結合。富氫層16可以是任何含氫的源，如水或燃料。可 以使用有機染料、半導體、量子點、金屬氧化物、和金屬等任選地調整或增強 催化層14的吸光性。在一種實施方案中，催化層14為二氧化鈦。

一旦富氫層16中的成分已經反應，且氫氣已經從其它次級成分中分離，氫 分離膜18便將氫氣從次級成分中分離出來。氫分離膜18可以由各種膜材料構 成，這些膜材料包括但不限于：無機膜、有機膜、陶瓷基膜、陶瓷或金屬載體 上的二氧化硅基膜、鈀膜、或鈀與其他金屬的二元、三元或四元結合的膜。當 氫從氫分離膜18中從次級成分中分離后，氫經氫出口20轉移至外部源供使用。 例如，氫可以被送往發動機或燃料電池來發電。