[發明專利]一種高效自耦合太陽能制氫系統

無效

• 申請號: 200810063882.0
• 申請日: 2008-01-21
• 公開（公告）號: CN101307458A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: 王寶輝;劉淑芝;吳紅軍
• 申請（專利權）人: 大慶石油學院
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B9/00
• 代理公司: 大慶知文知識產權代理有限公司
• 代理人: 王桂丹

技術領域：

本發明涉及一種太陽能制氫系統，具體的是光氫轉化效率高的太陽能制氫系統。

背景技術：

地球上氫主要以化合物水的形式存在，其燃燒值高，空氣中燃燒主要產物是水，無污染，水又用來制氫，如此循環。基于此，氫能同時滿足資源、環境和可持續發展的要求，成為最有希望替代現有礦物能源的清潔能源，利用可再生能源制氫是開發氫能源的有效途徑。目前以水為原料利用核能和太陽能大規模制氫，已成為世界各國共同努力的目標，其中太陽能制氫最具吸引力和現實意義。

1972年Fujishima和Honda首次報道了n-型半導體TiO₂分解水，開創了太陽能制氫的新紀元。利用太陽能分解水制氫的方法主要包括：太陽能熱分解水制氫、太陽能光伏電解水制氫、太陽能光催化分解水制氫、太陽能生物制氫等。由于熱分解水對反應溫度要求苛刻，研究進展相對緩慢；太陽能生物制氫也尚屬于起步研究階段。所以人們對太陽能光解水制氫工作主要集中在光催化分解水制氫和太陽能光伏電解水制氫。

傳統的太陽能光伏電解水制氫其發電系統一般為太陽能電池方陣，須經最大功率點跟蹤器(MPPT)控制調節電壓和功率，使其與電解池匹配，但同時使得功效損失，降低了太陽能-氫的轉化效率，通常太陽能-氫的轉化效率僅為10％左右。

發明內容：

本發明所要解決的技術問題為了解決現有太陽能分解水制氫技術存在的不足，提供一種無需太陽能功率點跟蹤器(MPPT)控制調節電壓和功率，并可大幅度提高光-氫轉化效率的太陽能制氫系統。

本發明的高效太陽能制氫系統包括多個子系統，每個子系統由光電單元及電解單元組成，其中光電單元的材質為Al_1-xGa_xAs/Si，電解單元由Pt基陰極材料、氧化釕基陽極材料及1M?HClO₄或1M?KOH電解液構成，所述光電單元及電解單元直接連接后，光電單元為電解單元提供1.30～1.40V的電解電壓。

所述光電單元的材質組成為Al_1-xGa_xAs/Si，其中X優選為0.85。即由多層寬帶隙Al_0.15Ga_0.85As(E_g＝1.6eV)和窄帶隙Si(E_g＝1.1eV)組成。其制備方法為采用金屬有機化學氣相淀積法(MOCVD)，由Al和GaAs摻雜調制成寬帶隙，使AlGaAs層和p-GaAs頂層在Si原子上持續生長，底層由p⁺-Si/n-Si/n⁺-Si多結組成。MgF₂/ZnS層是消反射膜。Au-Zn/Au和Au-Sb/Au干燥后作為p-電極和n-電極的接觸面。

所述電解單元Pt基陰極材料，通過將H₂PtCl₆和Pb(C₂H₃O₂)₂溶于水中制得電鍍液，將Pt網用稀硝酸清洗，然后用水洗，最后浸入電鍍液。用4V的陰極電壓，在0.5mol/L?H₂SO₄溶液中電解去除雜質氯，然后水洗制得Pt_black。電解單元陽極材料，通過將鈦片進行打磨、蝕刻、水洗等預處理，將其浸入一定濃度含有RuCl₃(20％鹽酸溶液)或其他鹽的混合溶液，蒸干溶劑，在350℃焙燒15min，重復涂敷五次，最后在350℃～400℃焙燒1h，自然降至室溫。

本發明的理論依據為：

25℃水的理論分解電壓為1.229V，由于過電勢的存在，水的實際分解電壓都高于1.229V，使得其電解效率降低。附圖1為25℃不同電壓電解水的電解效率，由該圖可以看出工作電壓越趨近于1.229V，其電解效率會越高。

而本發明光電單元的材質為多帶隙Al_1-xGa_xAs/Si材料，因為該材料可以與太陽能光譜匹配，可最大限度利用太陽能，所以該光電單元可以為電解單元提供電解所需的最大能量，并可調整其最大功率點以滿足不同工作電壓的需要。

本發明的技術效果是：該制氫系統的光電單元與電解單元自耦合在一起，使得光電單元與太陽能全光譜相匹配，這樣使得光電單元最大功率點電壓與電解單元電解電壓相匹配，光電單元最大功率點與電解單元的功率點耦合匹配，從而最大限度地提高太陽能-氫的轉化效率。