CN116949467A - 光伏电池和电催化剂的集成光解水器件和模块系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种将光伏和电催化剂集成的光解水器件，包括光伏电池板，左端板、阴极集流板、阴/阳极电催化剂，离子交换膜，阳极集流板，右端板。模块系统由多个依次串联的器件单元组成，通过一进一出管路呈Z型连接。其中，器件单元的光伏电池板与电催化剂通过导线连接，将导线埋藏于两端板和阴/阳极集流板中；阴极单极板和阳极单极板表面分别设置有完全对称的流场。本光伏电解水装置将具有较大的太阳能制氢效率；同时，太阳能电池匹配后在电池输出的电流密度较小，可以有效减少电催化剂的损耗，增加电催化剂的使用寿命和电解槽的电解效率、制氢速率，并大幅降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电解水技术领域，具体涉及新型高效光伏电催化集成制氢系统构建与放大技术。
背景技术
氢能是零碳能源，理想的能量载体之一。太阳能光解水制氢，既可获得绿色的氢能，又可以解决太阳能的规模化存储问题，一种极具前景的绿氢制备方法。太阳能光解水制氢最终大规模应用需要满足“黄金三角”：高效率、低成本和长稳定性。本项目拟开发新型高效低成本光伏电催化集成制氢系统，通过钙钛矿太阳能电池、电催化水分解、光伏电催化系统耦合及工程放大多个领域的交叉共融，促进太阳能光解水制氢的实用化进程。
发明内容
为了解决电解槽水分解制氢能耗高，集成度低，对电解液和催化剂要求高的问题，本发明提供了一种基于光伏电池和电催化剂的集成光解水器件，相比于传统光电催化制氢系统，本发明设计将钙钛矿光吸收材料置于溶液外部，避免了钙钛矿光吸收材料在溶液中的腐蚀降解以及催化剂附着在吸光材料表面的挡光问题。其结构包括多个依次叠加的独立光伏驱动电解槽器件、电解液及气体流动沟道、蠕动泵。其中，每个独立的器件包括光伏太阳能电池板，酸性/碱性电解槽，太阳能电池与电解槽连接的导线。电解槽包括左端板、阴极急流板、阴极电催化剂、离子交换膜、垫片、阳极电催化剂、阳极急流板、右端板，通过多组螺栓进行固定构成电解槽装置。另外，相比于传统光伏+转换器+电解槽分解水方案，一体化集成光伏电解水系统避免了转换器的使用，通过模块化构建方案，组成模块化光解水系统，不仅可以提高系统的集成度，而且减少了中间过程能量的损失。模块化系统结构包含多个光伏器件单元，各器件单元通过Z型管道相连构成模块化。
尤佳地，所述电解槽的阴极单极板和阳极单极板表面分别设置有完全对称的流场，其包括但不仅限于平行流场、多流道蛇形流场、人字形流场等。阴极集流板上负载析氢催化剂的，阳极集流板上负载析氧催化剂，中间用离子交换膜隔开，酸性电解槽选用阳离子交换膜，碱性电解槽选用阴离子交换膜。
尤佳地，所述电解槽两极板可以包括但不仅限于由材质为碳板、钛金属板、镍金属板或不锈钢板等导电材料制成；极板的两面流场流道加工艺方法包括但不仅限于雕刻、冲压以及化学腐蚀等。
进一步地，光伏太阳能电池与阴极电催化剂和阳极电催化剂通过沟道内导线进行连接。
尤佳地，所用太阳能电池具有较大的短路电流、较高的开路电压及较长的稳定性，在最大功率点与电催化剂进行匹配，实现太阳能到氢能的高效转换。
尤佳的，所述的太阳能电池板可以根据实际需求选择叠层、单节、两节、三节、四节甚至多节电池串联或并联。光伏太阳能电池板选择的材料可为Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池、CuInGaSn太阳能电池，钙钛矿太阳能电池，硅太阳能电池，以及由他们搭配的电池如钙钛矿/钙钛矿叠层，硅/钙钛矿叠层，钙钛矿/钙钛矿串联电池、Ⅲ-Ⅴ族/钙钛矿串联电池等。
尤佳地，所用阴/阳极电催化剂不需要具有较高的催化活性，与太阳能电池匹配后在电池输出的电流密度下能够长时间稳定运行即可。
进一步地，太阳能电池运行过程中热辐射产生的热能可以直接传递给电解槽，进一步提高了电解槽的催化效率。
尤佳地，多个独立的集成器件单元可进行串联，根据实际需求选择串联数量。
尤佳地，电解槽其左端板和右端板设置有进出口，电解液和气体可通过进出口流出。另一方面，在阳极端通入电解液，电解产生的氧气随着电解液流出，阴极端电解产生的氢气自动流出。
进一步地，独立的器件单元通过多个光解水器件单元组成，电解液流动通过蠕动泵控制，器件单元电解产生的氢气和氧气随着电解液流出，分别进行收集，各器件单元通过Z型管道连接。另一方面，在阳极端通入电解液，电解产生的氧气随着电解液流出，阴极端电解产生的氢气随着Z型管路结构自动流出。
以下将结合示意图对本发明所提供的一种基于光伏电池和电催化剂的集成光解水器件做进一步的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
附图说明
图1单个光伏电池和电催化剂的集成光解水器件。
图2电解槽示意图。
图3集成模块系统。
实施方式
请参考图1、2所示，单个光伏电池和电催化剂的集成光解水器件包括光伏太阳能电池，导线，沟道及电解槽，而电解槽包括左端板，阴极集流板，阴极电催化剂，离子交换膜，阳极电催化剂，阳极集流板，右端板。集成模块系统将多个光解水器件单元通过Z型管路进行连接，请参考图3所示。
该装置中，所述光伏选用钙钛矿/硅叠层太阳能电池,顶部电池为Cs0.19FA0.81Pb(Br0.13I0.87)3太阳能电池，硅作为底部太阳能电池，匹配电流密度为20.11 mA /cm2。
该装置中，以选用碱性电解槽为例。
该装置中，电解槽的阴/阳极集流板选择钛板，垫片为氟胶垫片。
该装置中，所述电解槽内阳极电催化剂选用负载在泡沫镍铁上的NiFe LDH, 阴极电催化剂选用NiMo合金氧化物，离子交换膜选用厚度为75 μm的FAA-3-PK-75阴离子交换膜，电解液为1M KOH。
该装置中，蠕动泵选择兰格BT100-2J大流量蠕动泵。
该装置中，沟道的尺寸选择，电解液流速通过不同光伏太阳能电池与电催化剂的最佳匹配点来决定。
该装置中，测试温度为室温25摄氏度。
所述的光伏太阳能电池包括但不仅限于硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、CuInGaSn太阳能电池、Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池、化合物太阳能电池等。
所述的光伏太阳能电池连接方式包括但不仅限于叠层，单节甚至多节串并联等。
所述的电解槽阴阳极板可选择包括但不仅限于耐腐蚀的钛板、不锈钢板、PEEK板等，所用流道包括但不仅限于蛇形流道及平行场流道等。
所述的阳催化剂包括但不仅限于NiFe基、NiCo基、CoFe基过渡金属催化剂及Ru基等贵金属基催化剂，所述的阴极催化剂包括但不仅限于NiMo基、NiFe基等过渡金属催化剂及Pt基等贵金属基催化剂。
所述太阳光照强度包括但不仅限于自然光、1.5个太阳光甚至更高强度的太阳光。
太阳光照射到太阳能电池表面，产生的电流通过导线传递给电解槽，电解液在蠕动泵的作用下流过各个独立的集成器件，此时电催化水分解反应发生。一方面，产生的氧气和氢气随着左端板和右端板流入的电解液流出；另一方面，在阳极端通入电解液，通过离子交换膜渗透到阴极端，产生的氧气随着电解液流出，产生的氢气随着阴极板流场流出。
集成模块化系统通过多个光解水器件单元组成，电解液流动通过蠕动泵控制，器件单元电解产生的氢气和氧气随着电解液流出，分别进行收集，各器件单元通过Z型管道连接。另一方面，在阳极端通入电解液，电解产生的氧气随着电解液流出，阴极端电解产生的氢气随着Z型管路结构自动流出。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍属于在本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种光伏太阳能电池和电催化剂集成的光解水器件和模块集成系统，其器件单元特征在于包括光伏电池板和电解槽；其中，电解槽为包含阴极和阳极的电解装置。
2.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其特征在于，包括但不限于选择单节、双节、三节、四节甚至多节串联、并联或叠层等多种连接方式。
3.如权利要求1所述的光伏太阳能电池板与电解槽，包括但不限于使用导线连接。
4.如权利要求1所述的集成模块化系统，其特征在于，各光解水器件单元拆卸自如，不影响其他器件单元的正常使用。
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