TW201349651A - 水燃料電池 - Google Patents

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本發明為一種裝置，此裝置係利用光及化學能為能源與水為燃料進行光化學能轉換成電能即發電。該裝置包括：(a)光觸媒與陽極；(b)隔膜包括陽離子交換膜；(c)觸媒氣體分散層；(d)陰極；(e)光纖；(f)水進出口；(g)空氣進出口；(h)裝置的外殼；(i)由(a)-(g)單一燃料電池組成的電池堆。

Description

水燃料電池
本案係結合太陽能電池(solar cell)質子交換膜燃料電池(proten exchange membrane fuel cell；PEMFC)組裝成一裝置以水為燃料，光(包括太陽光)為驅動力將光能及化學能轉換成電力。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是低溫型燃料電池，也是目前最盛行而且是綠能重要來源之一，可應用範圍很廣，尤其是交通方面的電動車。目前質子交換膜燃料電池主要是氫燃料電池，直接甲醇燃料電池，間接甲醇燃料(重組式甲醇燃料電池)相關專利很多，這三類燃料電池有一共通性，即利用溫度或熱能為驅動力及觸媒的作用下使用可燃性的氫氣或甲醇為原料將化學能轉換成電能，其陽極與陰極反應式如下：
(i)氫燃料電池：
(ii)直接甲醇燃料電池：
這一類的燃料電池都需昂貴的氫氣或甲醇為原料，對於氫氣為原料雖不會產生CO2是屬綠色能源，但氫的儲存，安全性等問題相當多，甲醇進行發電會產生CO2是屬非綠色能源。太陽能電池種類很多，如染料敏化太陽能電池(die sensitivity solar cell,DSSC)是利用陽光為能源，照射在陽極光觸媒上產生電洞並進行電解液離子或分子氧化反應成氧化態的分子或離子再擴散到陰極同時，並由陽極產生的電子由外導線將電子送到陰極進 行還原反應並發電，這一類太陽能電池世界各國積極開發中，相關的專利很多。這類太陽能電池都須尋找適當的氧化還原媒(Redox media)，這一樣化學品都相當昂貴，同時在操作要維持這些化學品(Redox media)的適當濃度。
利用光觸媒與陽光將水分解成氫氣與氧氣(water splitting)文獻報導很多，如A.Fujishima與Honda以TiO2光觸媒，照光下可將水分解成氫氣與氧氫，分解效率不佳，隨後有研究者將光觸媒製成電極，利用外加電場增進水分解。1998年孫志誠與周澤川利用外加電場進行光觸媒分解水產生初生態氧原子氧化水中的有害物質，至目前為止尚無人結合光觸媒將水分解與燃料電池，整合成一裝置進行發電。
有鑑於此，本發明之目的係結合太陽能電池與燃料電池的技術，組裝成一裝置同時具有太陽能分水與燃料電池發電功能以水為燃料的發電機。此發明不同於目前各式太陽能電池與各式質子交換膜燃料電池(PEMFC)。
本案之構想在提供一種以水為燃料，以太陽能為主要能源，將光能與化學能轉換成電能的水燃料電池。本案水燃料電池的驅動力是光線包括太陽光。其反應式
水燃料電池裝置圖一及圖二(各部位加阿拉數字，並整合成a,b,c,d,...各項)包括：
(a)光觸媒陽極，其中光觸媒TiO2與其修飾如摻雜(doping)氮、碳、銀、白金等元素，MnO2等半導體材料及陽極的材料有不鏽鋼、鈦金屬片與鋼各種金屬片、ITO透明導電玻璃等光觸媒可分開或組合成單一體。陽極之光電化學反應：
(b)隔膜包括各型陽離子交換膜如Nafion117等，濾紙、碳紙等。
(c)觸媒與氣體分散層包括Pt等觸媒，PEDOT導電高分子及碳紙即氣體分散層(gas diffusion layer,GDL)。
(d)陰極可以任何電極材料如不鏽鋼、鎳片、PEDOT等導電高分子。
(e)光源及光纖其材料含有玻璃、高分子等，其形狀可以光纖線，片狀光纖等。
(f)水進出口在裝置外殼設計有水，進出口可由外加水或由陰極流出是開放系統，水來源亦可由陰極產生送到陽極，整個封裝成封閉式系統，如圖三所示。
(g)氧氣(或空氣)進出口可由陽極流出，氧或空氣由外面打入陰極，此為開放系統，亦可由陽極產生的氧氣直接導入陰極而形成封閉式系統如圖二所示。
(h)裝置電池的外殼，其材料可用壓克力等塑膠材料透明或不透明，視有無使用光纖而定。
(i)圖三是電池堆構造圖，此為四個單一電池組合而成，可延伸到所要的單一電池數量，並可進行串聯或並聯。圖三所示是四個單一電池組成的封閉式電池堆，陽極所需的水由陰極產生的水來供應自行循環，如圖四所示。陰極所需的氧由陽極產生的氧來供應，如圖四所示，此電池堆可操作在較高的氧氣壓力，並不需外加任何泵來輸送水與氧氣。
另外，本案的電池堆自行操作在較高壓的純氧，加速陰極氧的還原反應，其反應式如下：O2+4H++4e→2H2O
O2+2H++2e→H2O2
本案將以實施例結果說明，如下：
實施例之一：
本案根據構想，以溶膠-凝膠法(sol-gel process)製備陽極光觸媒於碳紙上，並用多洞不鏽鋼片當電子收集電極，白金在碳紙上當氧氣的還原陰極，亦以不鏽鋼片為陰極電子供給電極，依圖一的結構圖組裝成單一電池，進行水燃料電池測試產生電力的結果，如圖五所示。通360ml/hr空氣流量到陰極其輸出的最大功率在0.15V是0.024W/cm2與沒通空氣仍有功率輸出，但功率較小，可能是陽極產生的氧氣溶在水中，因溶解水中的氧(dissolved oxygen)在陽極高於陰極由陽極擴散到陰極進行氧的陰極還原反應產生水所致。
其中Eapp=Emeas-Evoc，Emeas=量之電位(V)，E=開路電位(V)Erev=1.23(V)，jp=電流密度(mA/cm2)，FF=充填因子(fill factor)
表一所示係本案水燃料電池的特性之一。由表中可知通入陰極360ml/hr空氣，開路電壓(Voc)由0.14V增加到0.27V，短路電流由0.177mA/cm2增加到0.394mA/cm2， 最大輸出功率由0.006mW/cm2增加到0.024mV/cm2功率增加四倍，最大輸出功率計算完電轉換效率(photoconversion efficiency)由0.002%增加到0.010%增加五倍。若以分解水(water splitting)的功率計算光電轉換效率由0.098%增加到0.248%增加2.53倍。
〔註〕輸出功率光電轉換效率%=最大輸出功率/入射光功率分解水光電轉換效率%=jp(Erev-Eapp)×100/入射光功率其中Eapp=Emeas-Evoc，Emeas：量測電壓，Evoc：開路電壓
在這例子中，入射光100mW/cm2，jp：量測電流，Erev：水分解電位1.23V
實施例之二：
本案利用構想利用鈦電極表面氧化成氧化鈦(TiO2)，並將碳元素摻雜在氧化鈦內而成為修飾光觸媒陽極，此陽極免用電子收集電子，光觸媒電極本身就可收集電子。陽離子交換膜用H-型Nafion117，以PEDOT碳紙當陰極組裝時不用熱壓。由此所得水燃料電池進行發電，在輸出電位0.6V。從開始操作時間19min時，進行照光不照光試驗，其結果如圖六所示，有太陽光(sunshine)時，電流是約5.5mA/cm2無光時電流降至約0.4 mA/cm2，有單一紫外線時，電流是約5.3 mA/cm2；無單一紫外線時，電流降至約0.7 mA/cm2，有光無光兩者電流差異大，由這數據證實本案水燃料電池的電力幾乎由光能經陽極光電化學反應及陰極電化學反應轉換成電能。
依實施例之一，本案水燃料電池的輸出功率光電轉換效率定義，利用摻雜碳元素的TiO2光觸媒為陽極有很滿意的成果，入射陽光還是100 mW/cm2在第一分鐘可達3.10%光電轉換效率，到第25分鐘後尚有1.08%，長久時間維 持在0.7%。第一分鐘水分解的光電轉換效率是12.36%，到第25分鐘後尚有7.18%長久時間約維持在約7.0%。
11‧‧‧壓克力外殼
12‧‧‧陽極(陽極電子收集器)
13‧‧‧光觸媒
14‧‧‧陽離子交換膜
15‧‧‧白金觸媒或PEDOT導電性高分子
16‧‧‧氣體擴散層(碳紙)
17‧‧‧陰極(陰極電子收集器)
21=11=31=41
22=12=32
23=13
24=14
25=15
26=16
27=17=37
28‧‧‧金屬導線
29‧‧‧光源或光纖
38=28
310‧‧‧耐隆網
311‧‧‧第一單一水燃料電池
312‧‧‧第二單一水燃料電池
313‧‧‧第三單一水燃料電池
314‧‧‧第四單一水燃料電池
411=311
412=312
413=313
414=314
415‧‧‧氧回流管(陽極到陰極)
416‧‧‧水回流管(陰極到陽極)
圖一 單一水燃料電池之結構圖
圖二 單一水燃料電池陽極水燃料輸入與陰極水產品輸出以及陰極O2輸入與陽極O2產品輸出
圖三 串連四個單一水燃料電池成電池堆結構圖
圖四 封閉式水燃料電池堆之一例及其O2內部循環圖
圖五 空氣流率影響水燃料電池的功率電位關係陽極：不鏽鋼電子收集器、白金觸媒、碳紙、MnO2TiO2光觸媒陰極：不鏽鋼電子收集器、白金觸媒、碳紙
圖六 摻雜碳TiO2光觸媒陽極，電流時間變化(I-t curves)，H型Nafion 117陽極子交膜，PEDOT碳紙陽極，操作到第19min開始切換有無光源、電壓0.6(V)
封閉式水燃料電池堆之一例及其O2內部循環圖
411‧‧‧第一單一水燃料電池
412‧‧‧第二單一水燃料電池
413‧‧‧第三單一水燃料電池
414‧‧‧第四單一水燃料電池
415‧‧‧氧回流管(陽極到陰極)
416‧‧‧水回流管(陰極到陽極)

Claims (18)

  1. 一種裝置，同時將光能與化學能轉換成電力。
  2. 如1所述，一種水燃料電池，可利用水為燃料，光為驅動力，將水分解產生質子，氧氣與電子，並將質子傳送到陰極進行電化學還原氧氣成水而發電，該水燃料電池包括：a)光源(如太陽光等)；b)光觸媒陽極產生電子與電洞，電洞分解水成氧氣、質子與產生電子；c)電子收集電極；d)隔離膜；e)觸媒陰極；f)陰極氣體分散層；g)透明外殼；h)氧氣出入導管；i)水進出入導管。
  3. 如申請專利範圍第2項所述，其中光源包括太陽光、各種人造燈光。
  4. 如申請專利範圍第2項所述，其中光觸媒包括各種半導體及其組合的光觸媒，各種光觸媒的修飾觸媒如太陽能敏化修飾光觸媒(DSSC catalyst)，金屬修飾光觸媒，金屬氧化物修飾光觸媒、氮、硼、碳等各種元素修飾光觸媒。
  5. 如申請專利範圍第2項所述，電子收集電極包括各種透明與非透明導電體與半導體，其形狀包括無孔、有孔、網狀各類導體、半導體。
  6. 如申請專利範圍第3項與第4項所述，光觸媒與電子收集電極整合成一體，如光觸媒可濺鍍、火焰、浸泡、電鍍、無電鍍(化學鍍)、sol-gel法、水熱法、化學真空鍍之乾式與濕式法結合於電子收集電極。
  7. 如申請專利範圍第2項所述，其中隔離膜包括各類陽離子交換膜、具微水孔洞有機與無機薄膜、過濾紙、過濾膜、膠體隔離膜如Agar等。
  8. 如申請專利範圍第2項所述，觸媒陰極包括含各類電化學還原氧氣之觸媒陰極。
  9. 如申請專利範圍第8項所述，觸媒陰極包括增加溶氧氣如prophillin，ferrocene boronic acid並可同時電化學還原氧氣之修飾陰極。
  10. 如申請專利範圍第2項所述，其中陰極氣體分散層包括各種多孔性薄膜，如碳紙等。
  11. 如申請專利範圍第2項所述，其中透明外殼包括各類透明材料，如玻璃、壓克力塑膠等。
  12. 如申請專利範圍第2項所述，其中氧氣導出入管包括各金屬、非金屬、塑膠等材料，其開口可通大氣。
  13. 如申請專利範圍第12項所述，其中氧氣導管可由陽極導出，同連接導入陰極氣體分散層，同時由陽極擴散到陰極。
  14. 如申請專利範圍第2項所述，其中水出入導管包括各種金屬，金屬與塑膠材料，其中水由管流入為陽極，水導管另一段接在水源。
  15. 如申請專利範圍第13與第14項所述，其中水出入導管的水源由陰極產生的水供應。
  16. 如申請專利範圍第2項所述，水燃料電池之二個以上與單一電池進行串、並聯組裝成電池堆，並以光纖、光板導入光源於陽極處。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電池堆，陽極產生的氧氣導入陰極氣體分散層。
  18. 如申請專利範圍第12項與第16項所述，陰極產生的水、經導管導入陽極；同時由陰極擴散到陽極。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111204847A (zh) * 2020-01-10 2020-05-29 广州大学 一种光电化学废水资源化装置及废水处理方法

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