[發(fā)明專利]一種光電化學復(fù)合或耦合制氫制氧裝置及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810013507.5
• 申請日: 2008-09-28
• 公開（公告）號: CN101376987A
• 公開（公告）日: 2009-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬廷麗;辛鋼
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B9/04
• 代理公司: 大連理工大學專利中心
• 代理人: 侯明遠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于綠色可再生能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用太陽能電池的光電化學復(fù)合或耦合系統(tǒng)裝置及進行高效低成本綠色環(huán)保的制氫制氧方法。

背景技術(shù)

為解決能源緊缺和全球溫暖化問題，綠色可再生能源的開發(fā)與利用已成為人類所面臨的亟需解決的重大課題。氫能以其潔凈、高效、高熱值、環(huán)境友好等特點成為最有前途的新能源，可改變目前主要依賴化石能源的狀況，解決未來發(fā)展能源的需求。制氫的方法很多，但是目前化石燃料制氫占整體的90％以上，不但給環(huán)境造成嚴重的負擔，而且從能量利用角度而言得不償失，另外從長遠觀點看化石燃料制氫，已不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。太陽能制氫，不但可以互補太陽能和氫能的優(yōu)缺點，而且由于是兩種無污染可再生能源的強強聯(lián)合，可形成太陽能—氫能—燃料電池—電能—用戶這樣一個獨立的完全可再生無污染的燃料循環(huán)系統(tǒng)

太陽能制氫有幾種方法，如光伏法，光化學催化制氫，熱化學循環(huán)法及太陽能生物制氫等，但是由于制氫成本高，效率低影響了其技術(shù)的發(fā)展。本發(fā)明的太陽能光電化學分解水制氫方法是很有前景的綠色制氫技術(shù)。在光催化分解水制氫中光陽極的禁帶寬度能級匹配問題最為突出。對水的裂解最佳禁帶寬度是2eV，具有這一寬度的材料如Fe₂O₃相符，但抗腐蝕性差。通常使用的TiO₂具有較強的耐腐蝕性，但禁帶寬度大(3.0-3.2eV)，只能吸收紫外光，需要對其進行改良，提高可見光的吸收，進而提高制氫效率，但是目前為止，還未能達到制氫效率的大幅度提高。另外TiO₂電極材料，據(jù)推算光照能夠產(chǎn)生0.7-0.9V的能量，因此要使水裂解必須施加一定的偏壓。本發(fā)明就是利用太陽能電池提供外部或內(nèi)部偏壓，協(xié)和光電化學池進行制氫制氧的一項技術(shù)(見附圖)。這一技術(shù)避免了傳統(tǒng)方法的電化學腐蝕，整個系統(tǒng)的光穩(wěn)定性好且壽命長。另外可以使用價格低廉的染料敏化太陽能電池、解決目前制氫體系的低效率高成本，不適合大規(guī)模產(chǎn)氫等問題。可以預(yù)見這一耦合體系是實現(xiàn)高效低成本及環(huán)保的制氫制氧的極好模式，具有很好的發(fā)展前景。

迄今為止該領(lǐng)域的發(fā)明專利多為利用太陽能集熱器將水加熱后電解水。如專利申請公開號為CN1966776A的發(fā)明屬太陽能制氫工藝，它主要由拋物鏡面集熱板，氣輪機(發(fā)電機)和蓄電池及水電解器等組成。其方法為將水加熱到沸點，蒸汽推動氣輪發(fā)電機，電能貯存于電瓶中，再由電瓶供電給水電解器，水加熱至80℃并加入工業(yè)級雙氧水電解水分離出氫氣。

專利申請公開號為CN2459328A的實用新型專利屬于太陽能制氫工藝，是一種利用太陽能制取氫氣并儲存的裝置。它的主要特征是包括由硅太陽能電池構(gòu)成的太陽能光電轉(zhuǎn)換器；由經(jīng)度和緯度跟蹤器、跟蹤控制電路構(gòu)成的太陽能光源自動跟蹤裝置；由電極板組、隔離板和氫氣導(dǎo)管構(gòu)成的氫氧分解裝置；由內(nèi)筒、外筒、三通閘閥和配重物構(gòu)成的儲氣裝置。

專利申請公開號為CN1554969A的專利是利用太陽能集熱器提供熱量，使水蒸氣在尖晶石型催化劑作用下進行制氫制氧的工藝。它的主要特征是包括太陽能集熱器和尖晶石型催化劑等。

但上述制氫體系存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低和成本高等缺點，因此不利于大規(guī)模推廣普及。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種光電化學復(fù)合或耦合制氫制氧裝置及方法，利用該技術(shù)可利用太陽能進行大規(guī)模制氫。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的裝置包括上部的太陽能電池和下部的光電化學池。上部的太陽能電池裝置包括電極基板、光陽極、太陽能電池電解液和對電極。該上部的太陽能電池為硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、無機半導(dǎo)體化合物太陽能電池或聚合物太陽能電池等。結(jié)構(gòu)上采用單層或多層；采用多層結(jié)構(gòu)太陽能電池時，所用的太陽能電池的結(jié)構(gòu)可相同或不同，結(jié)構(gòu)不同是指所用的電極材料、電極基板材料、電解質(zhì)、電極膜厚度或染料等不同。下部的光電化學池包括光電化學池光陽極、光電化學池電解液和光電化學池對電極。光電化學池中的光陽極材料可以是半導(dǎo)體氧化物，如二氧化鈦、改性氧化鈦，氧化鋅、氧化鎢、或是氧化鎳等。

本發(fā)明利用上述裝置在無需加過高電壓的溫和條件下利用太陽能對光電化學池中的水進行分解來高效制備氫能。利用該裝置制備氫氣和氧氣的方法:

(1)在太陽光或模擬太陽光照射下，上部的太陽能電池發(fā)電，產(chǎn)生電壓；在太陽光或模擬太陽光照射下，光電化學池的光陽極產(chǎn)生電勢或能量。