CN101376987A

CN101376987A - 一种光电化学复合或耦合制氢制氧装置及方法

Info

Publication number: CN101376987A
Application number: CNA2008100135075A
Authority: CN
Inventors: 马廷丽; 辛钢
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2008-09-28
Filing date: 2008-09-28
Publication date: 2009-03-04

Abstract

一种光电化学复合或耦合制氢制氧装置及方法，属于绿色可再生能源技术领域。其特征是该装置包括上部的太阳能电池和下部的光电化学池；上部的太阳能电池装置包括电极基板、光阳极、电解液和对电极；该上部的太阳能电池为硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、化合物半导体太阳能电池或聚合物太阳能电池等；下部的光电化学池包括光阳极、电解液和对电极。使用时，在太阳光或模拟太阳光照射下，上部的太阳能电池发电，产生外加偏压，光电化学池的光阳极产生电势或能量。外加偏压与光电化学池光阳极所产生的电势或能量一起达到光电化学池中水的裂解能量，两个电极上分别产生氢气和氧气。该装置太阳能氢能转换效率高，成本低，工艺简单，易于大规模产氢的特点。

Description

一种光电化学复合或耦合制氢制氧装置及方法

技术领域

本发明属于绿色可再生能源技术领域，涉及一种利用太阳能电池的光电化学复合或耦合系统装置及进行高效低成本绿色环保的制氢制氧方法。

背景技术

为解决能源紧缺和全球温暖化问题，绿色可再生能源的开发与利用已成为人类所面临的亟需解决的重大课题。氢能以其洁净、高效、高热值、环境友好等特点成为最有前途的新能源，可改变目前主要依赖化石能源的状况，解决未来发展能源的需求。制氢的方法很多，但是目前化石燃料制氢占整体的90％以上，不但给环境造成严重的负担，而且从能量利用角度而言得不偿失，另外从长远观点看化石燃料制氢，已不符合可持续发展的要求。太阳能制氢，不但可以互补太阳能和氢能的优缺点，而且由于是两种无污染可再生能源的强强联合，可形成太阳能—氢能—燃料电池—电能—用户这样一个独立的完全可再生无污染的燃料循环系统

太阳能制氢有几种方法，如光伏法，光化学催化制氢，热化学循环法及太阳能生物制氢等，但是由于制氢成本高，效率低影响了其技术的发展。本发明的太阳能光电化学分解水制氢方法是很有前景的绿色制氢技术。在光催化分解水制氢中光阳极的禁带宽度能级匹配问题最为突出。对水的裂解最佳禁带宽度是2eV，具有这一宽度的材料如Fe₂O₃相符，但抗腐蚀性差。通常使用的TiO₂具有较强的耐腐蚀性，但禁带宽度大(3.0-3.2eV)，只能吸收紫外光，需要对其进行改良，提高可见光的吸收，进而提高制氢效率，但是目前为止，还未能达到制氢效率的大幅度提高。另外TiO₂电极材料，据推算光照能够产生0.7-0.9V的能量，因此要使水裂解必须施加一定的偏压。本发明就是利用太阳能电池提供外部或内部偏压，协和光电化学池进行制氢制氧的一项技术(见附图)。这一技术避免了传统方法的电化学腐蚀，整个系统的光稳定性好且寿命长。另外可以使用价格低廉的染料敏化太阳能电池、解决目前制氢体系的低效率高成本，不适合大规模产氢等问题。可以预见这一耦合体系是实现高效低成本及环保的制氢制氧的极好模式，具有很好的发展前景。

迄今为止该领域的发明专利多为利用太阳能集热器将水加热后电解水。如专利申请公开号为CN1966776A的发明属太阳能制氢工艺，它主要由抛物镜面集热板，气轮机(发电机)和蓄电池及水电解器等组成。其方法为将水加热到沸点，蒸汽推动气轮发电机，电能贮存于电瓶中，再由电瓶供电给水电解器，水加热至80℃并加入工业级双氧水电解水分离出氢气。

专利申请公开号为CN2459328A的实用新型专利属于太阳能制氢工艺，是一种利用太阳能制取氢气并储存的装置。它的主要特征是包括由硅太阳能电池构成的太阳能光电转换器；由经度和纬度跟踪器、跟踪控制电路构成的太阳能光源自动跟踪装置；由电极板组、隔离板和氢气导管构成的氢氧分解装置；由内筒、外筒、三通闸阀和配重物构成的储气装置。

专利申请公开号为CN1554969A的专利是利用太阳能集热器提供热量，使水蒸气在尖晶石型催化剂作用下进行制氢制氧的工艺。它的主要特征是包括太阳能集热器和尖晶石型催化剂等。

但上述制氢体系存在着结构复杂，效率低和成本高等缺点，因此不利于大规模推广普及。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种光电化学复合或耦合制氢制氧装置及方法，利用该技术可利用太阳能进行大规模制氢。

本发明的技术方案如下：

本发明的装置包括上部的太阳能电池和下部的光电化学池。上部的太阳能电池装置包括电极基板、光阳极、太阳能电池电解液和对电极。该上部的太阳能电池为硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、无机半导体化合物太阳能电池或聚合物太阳能电池等。结构上采用单层或多层；采用多层结构太阳能电池时，所用的太阳能电池的结构可相同或不同，结构不同是指所用的电极材料、电极基板材料、电解质、电极膜厚度或染料等不同。下部的光电化学池包括光电化学池光阳极、光电化学池电解液和光电化学池对电极。光电化学池中的光阳极材料可以是半导体氧化物，如二氧化钛、改性氧化钛，氧化锌、氧化钨、或是氧化镍等。

本发明利用上述装置在无需加过高电压的温和条件下利用太阳能对光电化学池中的水进行分解来高效制备氢能。利用该装置制备氢气和氧气的方法:

(1)在太阳光或模拟太阳光照射下，上部的太阳能电池发电，产生电压；在太阳光或模拟太阳光照射下，光电化学池的光阳极产生电势或能量。

(2)上部的太阳能电池所产生的电压做为外加偏压，该外加偏压与光电化学池光阳极所产生的电势或能量一起达到光电化学池中水的裂解禁带宽度1.23V，两个电极上分别产生氢气和氧气。

本发明的效果益处是：

(1)由于耦合或复合系统可以采用高效低成本的染料敏化太阳能电池，因此可大幅度提高制氢效率和降低成本。并且利用染料敏化来增加光谱吸收，制作工艺简单，解决了传统方法制备工艺复杂成本高的问题。另外采用叠层结构可吸收较全波段的太阳光，能有效地提高制氢效率。

(2)采用复合或耦合制氢系统，太阳能电池不需浸在光电化学池中，避免了传统方法的电化学腐蚀。池中使用的光阳极又是光稳定性好的半导体光阳极，整个系统的光稳定性好且寿命长。

(3)传统的电解水制氢需要过高的电压且成本高。并且使用的是用化石燃料发电的常规电，耗电量高污染严重，且使用能源得不偿失。本发明建立的系统是太阳能光电化学耦合系统制氢，即节能又有益于环保。

附图说明

附图是太阳能光电化学复合或耦合制氢制氧装置示意图。

图中：1电极基板；2光阳极；3另外一种半导体光阳极；4对电极；5电压调节器；6光电化学池电解液；7光电化学池光阳极；8光电化学池对电极；9太阳能电池电解液。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

本实施例采用叠层染料敏化太阳能电池，使用二层不同结构，见附图。该二层结构包括电极基板1和吸附着可见光染料的半导体光阳极2和吸附着近红外光染料的半导体光阳极3和对电极4及太阳能电池电解液9。其中导电基板为塑料薄膜或是导电玻璃。半导体薄膜由二氧化钛或是氧化锌等半导体氧化物制成。在半导体薄膜电极上吸附上一层染料。其中组成叠层太阳能电池的两个光阳极所用的染料可相同或不同，作为上层的太阳能电池，所用的染料为可见光染料。第二叠层的太阳电池，所用染料为近红外区染料。该层也可使用与上层相同或不同的可见光染料。对电极4为有催化剂层的导电玻璃，催化剂层可以是金属铂，金，活性碳或碳纳米管及石墨等。本发明的光电化学池部分，是由光电化学池电解液6和光电化学池光阳极7及光电化学池对电极8组成。

上述装置连接后，对系统进行模拟太阳光照射，叠层染料敏化太阳能电池开始发电，产生电压1.4V。所产生的电压协同光电化学池光阳极所产生的电势0.7V，达到了裂解水的能量，使光电化学池中的水被分解，在两个电极处分别产生了氢气和氧气，制氢效率比利用光催化剂单独制氢提高了数十倍。光电化学池中的半导体光阳极材料采用的是二氧化钛和改性氧化钛或是氧化钨等。

值得注意的是，以上提到的材料还可选用其他材料及太阳能电池可为其他类型的太阳能电池，不应以本实施例加以限制。

Claims

1.一种光电化学复合或耦合制氢制氧系统装置，其特征在于，该装置包括上部的太阳能电池和下部的光电化学池；上部的太阳能电池包括电极基板、光阳极、太阳能电池电解液和对电极，该上部的太阳能电池为硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、化合物半导体太阳能电池或聚合物太阳能电池；下部的光电化学池包括光电化学池光阳极、光电化学池电解液和光电化学池对电极。

2.根据权利要求1所述的一种光电化学复合或耦合制氢制氧装置，其特征还在于，所述的装置结构上采用单层或多层；采用多层结构太阳能电池时，所用的太阳能电池的结构相同或不同；结构不同是指所用的电极材料、电解质、电极基板材料、电极膜厚度或染料的不同。

3.权利要求1至2任一所述装置制备氢气和氧气方法，其特征在于，

(1)在太阳光或模拟太阳光照射下，上部的太阳能电池发电，产生电压；在太阳光或模拟太阳光照射下，光电化学池光阳极产生电势或能量；

(2)上部的太阳能电池所产生的电压做为偏压，该外加偏压与光电化学池光阳极所产生的电势或能量一起达到光电化学池中水的裂解能量，两个电极上分别产生氢气和氧气。