RU2815041C1 - Фотоэлектрохимическая ячейка - Google Patents
Фотоэлектрохимическая ячейка Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815041C1 RU2815041C1 RU2023115418A RU2023115418A RU2815041C1 RU 2815041 C1 RU2815041 C1 RU 2815041C1 RU 2023115418 A RU2023115418 A RU 2023115418A RU 2023115418 A RU2023115418 A RU 2023115418A RU 2815041 C1 RU2815041 C1 RU 2815041C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- window
- electrode
- photoactive
- plates
- electroactive
- Prior art date
Links
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 claims description 7
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 3
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 claims description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims 2
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 15
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 13
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 13
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 12
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 12
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 2
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 alkali metal cations Chemical class 0.000 description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- YDZQQRWRVYGNER-UHFFFAOYSA-N iron;titanium;trihydrate Chemical compound O.O.O.[Ti].[Fe] YDZQQRWRVYGNER-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 1
- 239000006259 organic additive Substances 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к устройствам для превращения солнечной энергии в электрическую. Фотоэлектрохимическая ячейка содержит электроактивный электрод и фотоактивный электрод, размещенные в общем корпусе, конструкция которого включает графитовые пластины, снабженные штуцерами для подвода электролита и токосъемами, разделенные между собой протонпроводящей полимерной мембраной, алюминиевые прижимные пластины с окном для пропускания света к фотоактивному электроду и без окна. Алюминиевые прижимные пластины и графитовые пластины изолированы между собой прокладками. Электроактивный и фотоактивный электроды помещены между графитовыми пластинами и упомянутыми прокладками. Фотоэлектрохимическая ячейка сочетает функции фотоэлектролизера и топливного элемента, предназначенного для производства водорода под действием солнечного излучения в режиме электролизера и генерации электрического тока в отсутствие солнечного излучения. 1 ил.
Description
Изобретение относится к различным отраслям, где осуществляется превращение солнечной энергии в электрическую: получение водорода электролизом воды, преобразование водорода в электроэнергию.
Увеличение глобального производства энергии для нужд человечества неизменно приводит к истощению различных ископаемых источников энергии. В связи с чем, возрастает роль альтернативных или возобновляемых источников энергии, интенсифицируются исследования таких источников энергии и их практического применения. Особое место уделяется исследованиям эффективности использования солнечной энергии. Прямое преобразование солнечного излучения в электроэнергию с помощью современных солнечных элементов уже приблизилось к своему возможному пределу эффективности. Однако получение экологически чистой электроэнергии с помощью солнечных батарей сопровождается проблемой, связанной с непостоянством солнечного излучения. Кроме того, возникла проблема накопления избыточной электроэнергии, генерируемой при максимальной интенсивности солнечной излучения, и ее использования при пиковых нагрузках. В качестве схемы накопления электроэнергии, как правило, рассматривается электролиз воды с целью получения кислорода и водорода, который является топливом для водородных топливных элементов. Такая схема (солнечный элемент–электролизер–топливный элемент) на протяжении долго времени рассматривалась как основа водородной энергетики.
Известно фотоэлектрохимическое устройство, содержащее фотокатод, выполненный из природного ильменита, а фотоанод – из продукта его выветривания – псевдорутила (патент RU 2105087).
Недостаток данного устройства заключается в том, что отсутствует возможность его использования в условиях отсутствия солнечного излучения.
Известна фотоэлектрохимическая ячейка – Photofuelcell, включающая в себя катод и анод с нанесенным фотокатализатором, расположенные в жидком электролите с добавлением различных органических добавок (глюкоза, аминокислоты, органические кислоты, спирты и др.). Под действием света и в присутствии фотокатализатора происходит окисление органических соединений и генерация электрического тока (патент JP2013098075A).
Недостатком данного устройства является отсутствие разделения анодного и катодного пространства, что не позволяет разделять фотоэлектрохимические процессы выделения кислорода и водорода, а, значит применять данную ячейку в качестве фотолектролизера с целью получения водорода. Кроме того, устройство не может генерировать электрический ток в отсутствии солнечного излучения.
Наиболее близким по техническому решению является фотоэлектрохимическая ячейка – Photofuelcell, включающая в себя катод и анод с нанесённым фотокатализатором, разделенные протонпроводящей полимерной мембраной. В анодное пространство заливается жидкофазное топливо органической природы, катодное пространство заполняется раствором кислого электролита. Протоны, образующиеся в процессе фотокаталитического окисления топлива, проводятся через протоннопроницаемую мембрану к катоду. Электроны, образующиеся при фотокаталитическом окислении топлива, перемещаются от анода к катоду по внешней цепи, генерируя тем самым электрический ток. При наличии протонов на катоде протекает окислительно-восстановительная реакция, при которой кислород восстанавливается электронами и превращается в воду (патент JP2009218080A).
Недостатком данного устройства является невозможность генерировать электрический ток и водород в отсутствии солнечного излучения.
Техническая задача данного изобретения заключается в разработке устройства фотоэлектрохимической ячейки, сочетающего функции солнечного элемента, электролизера и топливного элемента, производящего водород в режиме электролизера под действием солнечного излучения и генерирующего электрический ток в отсутствии солнечного излучения.
Поставленная задача достигается посредством предложенной конструкции фотоэлектрохимической ячейки, включающей электроды с нанесенным фотокатализатором, разделенные протонпроводящей полимерной мембраной. Конструкция дополнительно содержит электроактивный электрод, представляющий собой газодиффузионный слой с нанесенным каталитическим материалом – частицы платины на углеродной саже. Фотоактивный электрод представляет собой проводящее стекло с тонким слоем оксида олова, легированного фтором с нанесенным слоем фотокатализатора. Электроды размещены в общем корпусе, конструкция которого включает алюминиевые прижимные пластины с окном и без окна, графитовые пластины, снабженные штуцерами для подвода электролита и токосъемами и разделенные протонопроводящей полимерной мембраной, алюминиевые и графитовые пластины изолированы между собой прокладками, выполненными из электроизолирующего материала, при этом алюминиевая прижимная пластина с окном снабжена направляющими для сборки.
Существенным и новым в предложенной конструкции фотоэлектрохимической ячейки является то, что в одном устройстве сочетаются функции фотоэлектролизера для фотоэлектрохимической ячейки получения водорода и топливного элемента для генерации электрического тока, что обеспечивает возможность её использования в условиях отсутствия солнечного излучения.
Технический результат данного изобретения заключается в создании устройства, сочетающего функции фотоэлектролизера и топливного элемента, предназначенного для производства водорода под действием солнечного излучения в режиме электролизера и генерации электрического тока в отсутствии солнечного излучения.
На Фиг. 1 представлена конструкция устройства фотоэлектрохимической ячейки, где 1 –электроактивный электрод; 2 – фотоактивный электрод; 3 – графитовая пластина; 4 – штуцер для подвода электролита; 5 – токосъем; 6 – протонпроводящая полимерная мембрана; 7 – алюминиевая прижимная пластина с окном; 8 – алюминиевая прижимная пластина без окна; 9 – направляющие; 10 – изолирующая прокладка.
Устройство фотоэлектрохимической ячейки (Фиг. 1), предназначенное для работы в режиме фотоэлектролизера и в режиме топливного элемента, включает электроактивный электрод 1, представляющий собой газодиффузионный слой с нанесенным каталитическим материалом – частицы платины на углеродной саже, и фотоактивный электрод 2 в виде стекла с тонким слоем оксида олова, легированного фтором с нанесенным слоем фотокатализатора, размещенные в общем корпусе, конструкция которого включает графитовые пластины 3, снабженные штуцерами 4 для подвода электролита и токосъемами 5, разделенные между собой протонпроводящей полимерной мембраной 6, алюминиевые прижимные пластины с окном 7 для пропускания света к фотоактивному электроду и без окна 8, причем алюминиевая прижимная пластина с окном снабжена направляющими 9 для сборки ячейки, при этом алюминиевые прижимные пластины и графитовые пластины изолированы между собой прокладками, выполненными из электроизолирующего материала 10, а электроактивный и фотоактивный электроды помещены между графитовыми пластинами и упомянутыми электроизолирующими прокладками.
При работе фотоэлектрохимической ячейки в режиме фотоэлектролизера применяется раствор SO3 2-/SO4 2-электролита, содержащего катионы щелочного металла концентрацией 1 моль/л. На фотоактивном электроде под действием солнечного излучения происходит генерация электронов (e-) и дырок (h+), их разделение, а также процесс окисления воды с образованием кислородсодержащих соединений и протонов водорода. Электроны от фотоактивного электрода направляются к электроактивному электроду. Протоны через протонпроводящую полимерную мембрану также направляются к электроактивному электроду, где протекает процесс их восстановления до водорода.
При работе фотоэлектрохимической ячейки в режиме топливного элемента применяется раствор SO3 2-/SO4 2-электролита, содержащего катионы щелочного металла, концентрация 1 моль/л, с добавлением органической составляющей, например, метанол или этанол, или глюкоза. Концентрация органической составляющей - 1 моль/л. На фотоактивном электроде без воздействия солнечного излучения протекает процесс окисления органического соединения с образованием протонов и электронов. Электроны по внешней цепи направляются к электроактивному электроду, создавая тем самым электрический ток. Протоны через протонпроводящую полимерную мембрану направляются к электроактивному электроду, где протекает процесс восстановления кислорода до воды.
Claims (1)
- Фотоэлектрохимическая ячейка, содержащая электроактивный электрод, представляющий собой газодиффузионный слой с нанесенным каталитическим материалом – частицы платины на углеродной саже, и фотоактивный электрод в виде стекла с тонким слоем оксида олова, легированного фтором с нанесенным слоем фотокатализатора, размещенные в общем корпусе, конструкция которого включает графитовые пластины, снабженные штуцерами для подвода электролита и токосъемами, разделенные между собой протонпроводящей полимерной мембраной, алюминиевые прижимные пластины с окном для пропускания света к фотоактивному электроду и без окна, причем алюминиевая прижимная пластина с окном снабжена направляющими для сборки ячейки, при этом алюминиевые прижимные пластины и графитовые пластины изолированы между собой прокладками, выполненными из электроизолирующего материала, а электроактивный и фотоактивный электроды помещены между графитовыми пластинами и упомянутыми электроизолирующими прокладками.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2815041C1 true RU2815041C1 (ru) | 2024-03-11 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2105087C1 (ru) * | 1995-07-07 | 1998-02-20 | Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН | Фотоэлектрохимическое устройство |
| JP2009218080A (ja) * | 2008-03-10 | 2009-09-24 | Osaka Prefecture Univ | 光燃料電池 |
| JP2013098075A (ja) * | 2011-11-02 | 2013-05-20 | Shinshu Univ | 光燃料電池 |
| KR101633383B1 (ko) * | 2014-11-12 | 2016-06-27 | 한국기계연구원 | 광전기화학전지용 광전극 및 이의 제조방법 |
| EP2629337B1 (en) * | 2012-02-16 | 2016-10-19 | ML SYSTEM Spólka Akcyjna | Application of fluorine doped tin (IV) oxide SnO2:F for making a heating layer on a photovoltaic panel, and the photovoltaic panel |
| EP4129931A1 (en) * | 2021-08-05 | 2023-02-08 | Universitat Rovira I Virgili (URV) | Photocatalytic panel reactor for the anaerobic photoreforming of waste aqueous effluents and the production of hydrogen as co-product |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2105087C1 (ru) * | 1995-07-07 | 1998-02-20 | Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН | Фотоэлектрохимическое устройство |
| JP2009218080A (ja) * | 2008-03-10 | 2009-09-24 | Osaka Prefecture Univ | 光燃料電池 |
| JP2013098075A (ja) * | 2011-11-02 | 2013-05-20 | Shinshu Univ | 光燃料電池 |
| EP2629337B1 (en) * | 2012-02-16 | 2016-10-19 | ML SYSTEM Spólka Akcyjna | Application of fluorine doped tin (IV) oxide SnO2:F for making a heating layer on a photovoltaic panel, and the photovoltaic panel |
| KR101633383B1 (ko) * | 2014-11-12 | 2016-06-27 | 한국기계연구원 | 광전기화학전지용 광전극 및 이의 제조방법 |
| EP4129931A1 (en) * | 2021-08-05 | 2023-02-08 | Universitat Rovira I Virgili (URV) | Photocatalytic panel reactor for the anaerobic photoreforming of waste aqueous effluents and the production of hydrogen as co-product |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Verlage et al. | A monolithically integrated, intrinsically safe, 10% efficient, solar-driven water-splitting system based on active, stable earth-abundant electrocatalysts in conjunction with tandem III–V light absorbers protected by amorphous TiO 2 films | |
| Azevedo et al. | Unbiased solar energy storage: Photoelectrochemical redox flow battery | |
| Bak et al. | Photo-electrochemical properties of the TiO2-Pt system in aqueous solutions | |
| KR100815627B1 (ko) | 광전기화학 소자 및 전극 | |
| Peter | Photoelectrochemical water splitting. A status assessment | |
| US7241950B2 (en) | Solar cell electrolysis of water to make hydrogen and oxygen | |
| Chen et al. | Hydrogen production on TiO2 nanorod arrays cathode coupling with bio-anode with additional electricity generation | |
| KR100806168B1 (ko) | 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 수소에너지제조방법 | |
| US20050183962A1 (en) | System and method for generating hydrogen gas using renewable energy | |
| Stoll et al. | Solar fuel production in a novel polymeric electrolyte membrane photoelectrochemical (PEM-PEC) cell with a web of titania nanotube arrays as photoanode and gaseous reactants | |
| Tan et al. | > 10% solar-to-hydrogen efficiency unassisted water splitting on ALD-protected silicon heterojunction solar cells | |
| JP2006508253A (ja) | 液状電解物を有した集積型光電気化学とそのシステム | |
| Ardo et al. | Unassisted solar-driven photoelectrosynthetic HI splitting using membrane-embedded Si microwire arrays | |
| Ajayi et al. | Optimization studies of bio-hydrogen production in a coupled microbial electrolysis-dye sensitized solar cell system | |
| US20230332304A1 (en) | Radiation-assisted electrolyzer cell and panel | |
| Iyatani et al. | Development of separate-type Pt-free photofuel cells based on visible-light responsive TiO 2 photoanode | |
| Liu et al. | Photo-assisted seawater-electrolyte Mg/H2O batteries for simultaneous generation of electricity and hydrogen | |
| Seo et al. | Hydrogen production by photoelectrochemical water splitting | |
| RU2815041C1 (ru) | Фотоэлектрохимическая ячейка | |
| CN113890091A (zh) | 一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法 | |
| KR101759106B1 (ko) | 태양 에너지를 변환하고 저장하기 위한 인공 나뭇잎 장치 | |
| CN103852501A (zh) | 一种多功能光电化学测试装置 | |
| CN1900366A (zh) | 利用太阳能直接分解水制氢的离子隔膜光电解池 | |
| EP3377675B1 (en) | Electrochemical production of hydrogen with dye-sensitized solar cell-based anode | |
| US20170137950A1 (en) | Electrochemical production of hydrogen with dye-sensitized solar cell-based anode |