TWI680099B - 太陽能裂解水產氫裝置 - Google Patents

Abstract

本發明太陽能裂解水產氫裝置利用太陽能所產生的光催化反應來裂解水產生氫的功能，在此裝置中浸泡於水中的部分是可置換的，當水中的催化層及金屬層因使用耗盡時，直接於予置換水下的部分：金屬電極和催化層，避免因此整個系統汰舊換新，以減少成本、縮短置換等待時程。

Description

太陽能裂解水產氫裝置

本發明係關於一種太陽能裂解水產氫裝置。

有鑑於石化燃料來源有限，且使用時產生的廢氣對環境有害，尋找新的低污染替代能源是受到關注的課題。其中，氫氣因其重量輕、高能量密度及無污染等特性，被視為最佳的替代能源之一。在現有數種獲取氫氣的主要方法中，將電能轉換為化學能之電催化提供了一個有效的產氫途徑。尤其若使用太陽能電池作為電能來源，將更能符合環保的訴求。

然而，使用太陽能電池在水箱之中進行光電轉化反應以產生氫氣時，因為水箱中之雜質，如硬水中之金屬陽離子（如Ca ²⁺及Mg ²⁺），與海水中之鹽類（如NaCl及MgCl ₂）可能會沉積於裝置表面，造成裝置耗損甚至短路。另外，整組浸泡在水中之太陽能光催化分解水產氫的裝置，其元件會在相關電化學環境中自然地腐蝕，導致元件快速退化與失效。因此會造成系統之使用壽命減少，部分元件甚至需要更換，造成產氫系統成本增加。

本發明的目的在於提供一種太陽能裂解水產氫裝置，供使用於水體之表面，具有較佳的耐用性、較低的成本。

本發明之太陽能裂解水產氫裝置包含太陽能電池、防水元件、導電元件、水裂解電極、以及催化層。太陽能電池具有正面電極以及背面電極，其中正面電極位於太陽能電池之受光側。防水元件設置於太陽能電池之背面電極之一側。導電元件設置於太陽能電池之背面電極之一側。水裂解電極設置於導電元件相對於背面電極之另一側，其中水裂解電極藉由導電元件與背面電極電連接。催化層設置在水裂解電極之表面。其中，當太陽能裂解水產氫裝置放入水體，太陽能裂解水產氫裝置浮在水體之表面，防水元件防止背面電極接觸到水體，催化層位於水體內。

在本發明的實施例中，水裂解電極可拆卸地設置於導電元件相對於背面電極之另一側。

在本發明的實施例中，防水元件在背面電極及水裂解電極之間形成密閉空間，導電元件設置於密閉空間內。

在本發明的實施例中，防水元件覆蓋背面電極之與導電元件連接以外區域。

在本發明的實施例中，催化層設置於水裂解電極相對於導電元件之另一側。

在本發明的實施例中，催化層具有3維（3 dimensions，3D）結構。

在本發明的實施例中，太陽能電池產生電池電壓，導電元件造成第一電壓損耗，水體裂解水產生氫氣的電壓為裂解水電壓，電池電壓 － 第一電壓損耗 ≧ 裂解水電壓。

在本發明的實施例中，太陽能裂解水產氫裝置進一步包含浮力增加裝置，設置於太陽能電池之側邊，增加太陽能裂解水產氫裝置浮在水體之表面之浮力。

在本發明的實施例中，太陽能裂解水產氫裝置進一步包含浮力增加裝置，設置於水裂解電極之側邊，增加太陽能裂解水產氫裝置浮在水體之表面之浮力。

在本發明的實施例中，太陽能電池為III-V族太陽能電池。

如圖1所示的實施例，本發明之太陽能裂解水產氫裝置900是使用於水體800之表面。其中，水體800包含例如河、海、湖、泊、池塘、溪澗、水庫中的含鹽分或不含鹽分的水。

如圖1所示的實施例，太陽能裂解水產氫裝置900包含太陽能電池100、防水元件200、導電元件300、水裂解電極400、以及催化層500。太陽能電池100具有正面電極110以及背面電極120，其中正面電極110位於太陽能電池之受光側。亦即，太陽能裂解水產氫裝置900以正面電極110接受光線600之照射。太陽能電池100較佳為III-V族太陽能電池。

如圖1所示的實施例，導電元件300設置於太陽能電池100之背面電極120之一側。以較佳實施例而言，導電元件300較佳為金屬環。然而在不同實施例中，導電元件300可為接點、墊片或焊塊等，且可為非金屬導電材料。其中，太陽能電池100產生電池電壓，導電元件300造成第一電壓損耗，水體裂解水產生氫氣的電壓為裂解水電壓，電池電壓 － 第一電壓損耗 ≧ 裂解水電壓。以太陽能電池100為III-V族太陽能電池為例，可產生電池電壓2.1V。若裂解水電壓為1.23V，則第一電壓損耗應不大於0.87V。進一步而言，導電元件300之形狀及材質應有適當配置（例如較短的長度、較佳的導電率），以使導電元件300造成之第一電壓損耗應控制在一定範圍內。

如圖1所示的實施例，水裂解電極400設置於導電元件300相對於背面電極120之另一側，其中水裂解電極400藉由導電元件300與背面電極120電連接。催化層500設置在水裂解電極400之表面。在較佳實施例中，水裂解電極400選用鎳金屬，催化層500為氫氧化鐵（FeOOH）。然而在不同實施例中，基於使用、製造或設計需求，水裂解電極400可選用其他金屬或非金屬導體，催化層500可選用例如MoS ₂、FeOOH等。

如圖1所示的實施例，防水元件200設置於太陽能電池100之背面電極120之一側。其中，當太陽能裂解水產氫裝置900放入水體800，太陽能裂解水產氫裝置900浮在水體800之表面，催化層500位於水體800內。進一步而言，本發明太陽能裂解水產氫裝置900藉由導電元件300與背面電極120將太陽能電池100所產生之電壓與電子，提供至催化層500，藉以分解水產生氫氣701；若提供載子（hole）至催化層500，則分解水產氧。

如上所述，由於防水元件200可防止背面電極120接觸到水體800，故可減少背面電極120之氧化，降低太陽能電池100之損耗。更具體而言，在如圖1所示的實施例中，防水元件200為密封環，且較佳可選用例如矽膠、橡膠等彈性材料，其能夠在背面電極120及水裂解電極400之間形成密閉空間222，導電元件300設置於密閉空間222內。如此，太陽能電池100及導電元件300均不會接觸到水體800，可減少受潮氧化。在較佳實施例中，水裂解電極400可拆卸地設置於導電元件300相對於背面電極120之另一側。據此，當水裂解電極400或催化層500因反應、氧化或被侵蝕時，僅需單獨拆卸更換水裂解電極400，無須將太陽能裂解水產氫裝置900整組汰換，可減少成本、縮短置換等待時間。

在不同實施例中，防水元件200可基於製造、設計或使用需求而有不同設置。在如圖2所示的實施例中，防水元件200覆蓋背面電極120之與導電元件300連接以外區域，且還進一步延伸覆蓋到正面電極110以外的部分，以增加防水效果。在如圖3所示的實施例中，防水元件200覆蓋背面電極120之與導電元件300連接以外區域，且還進一步填充滿背面電極120與水裂解電極400之間的區域。以製程的角度觀之，圖2所示的實施例可以是將太陽能電池100的正面電極110以及與導電元件300連接處以外的部分用防水材料塗佈形成防水層以作為防水元件200。在此實施例中，導電元件300突出於作為防水元件200之防水層，以便在後續製程中與導電元件300電連接。另一方面，圖3所示的實施例可以是將背面電極120與水裂解電極400以導電元件300連接後，將流體防水材料填充進入兩者之間的空間並待其固化而後形成防水元件200。

如圖4及圖5所示的實施例，為了確保當太陽能裂解水產氫裝置900放入水體800，太陽能裂解水產氫裝置900浮在水體800之表面，催化層500位於水體800內，太陽能裂解水產氫裝置900可進一步包含浮力增加裝置700，增加太陽能裂解水產氫裝置900浮在水體800之表面之浮力。如圖4所示的實施例，浮力增加裝置700設置於太陽能電池100之側邊。如圖5所示的實施例，浮力增加裝置700設置於水裂解電極400之側邊。其中，浮力增加裝置700可以例如是由高分子、矽膠、橡膠、木材等密度低於水的材料所製成的物件。

在上述實施例中，催化層500設置於水裂解電極400相對於導電元件300之另一側。然而在不同實施例中，催化層500可基於製造、設計或使用需求而有不同設置。如圖6所示的實施例，催化層500具有3維（3 dimensions，3D）結構，藉以增加反應面積。舉例而言，3維結構包含皺折化結構）。更具體而言，催化層500較佳係為n-GAInN/Ti/Mo。

雖然前述的描述及圖式已揭示本發明之較佳實施例，必須瞭解到各種增添、許多修改和取代可能使用於本發明較佳實施例，而不會脫離如所附申請專利範圍所界定的本發明原理之精神及範圍。熟悉本發明所屬技術領域之一般技藝者將可體會，本發明可使用於許多形式、結構、佈置、比例、材料、元件和組件的修改。因此，本文於此所揭示的實施例應被視為用以說明本發明，而非用以限制本發明。本發明的範圍應由後附申請專利範圍所界定，並涵蓋其合法均等物，並不限於先前的描述。

100‧‧‧太陽能電池

110‧‧‧正面電極

120‧‧‧背面電極

200‧‧‧防水元件

222‧‧‧密閉空間

300‧‧‧導電元件

400‧‧‧水裂解電極

500‧‧‧催化層

600‧‧‧光線

700‧‧‧浮力增加裝置

701‧‧‧氫氣

800‧‧‧水體

900‧‧‧太陽能裂解水產氫裝置

圖1為本發明太陽能裂解水產氫裝置的實施例示意圖。

圖2為本發明太陽能裂解水產氫裝置具有不同設置之防水元件的不同實施例示意圖。

圖3為本發明太陽能裂解水產氫裝置具有不同設置之防水元件的不同實施例示意圖。

圖4為本發明太陽能裂解水產氫裝置具有浮力增加裝置的不同實施例示意圖。

圖5為本發明太陽能裂解水產氫裝置具有不同設置之浮力增加裝置的不同實施例示意圖。

圖6為本發明太陽能裂解水產氫裝置中催化層具有3維結構的不同實施例示意圖。

（無）

Claims (10)

1. 一種太陽能裂解水產氫裝置，供使用於一水體之表面，包含：
   一太陽能電池，具有一正面電極以及一背面電極，其中該正面電極位於該太陽能電池之受光側；
   一防水元件，設置於該太陽能電池之該背面電極之一側；
   一導電元件，設置於該太陽能電池之該背面電極之一側；
   一水裂解電極，設置於該導電元件相對於該背面電極之另一側，其中該水裂解電極藉由該導電元件與該背面電極電連接；
   一催化層，設置在該水裂解電極之表面；
   其中，當該太陽能裂解水產氫裝置放入該水體，該太陽能裂解水產氫裝置浮在該水體之表面，該防水元件防止該背面電極接觸到該水體，該催化層位於該水體內。
2. 如請求項1所述之太陽能裂解水產氫裝置，其中該水裂解電極可拆卸地設置於該導電元件相對於該背面電極之另一側。
3. 如請求項1所述之太陽能裂解水產氫裝置，其中該防水元件在該背面電極及該水裂解電極之間形成一密閉空間，該導電元件設置於該密閉空間內。
4. 如請求項1所述之太陽能裂解水產氫裝置，其中該防水元件覆蓋該背面電極之與該導電元件連接以外區域。
5. 如請求項1所述之太陽能裂解水產氫裝置，其中該催化層設置於該水裂解電極相對於該導電元件之另一側。
6. 如請求項5所述之太陽能裂解水產氫裝置，其中該催化層具有3維（3 dimensions，3D）結構。
7. 如請求項1所述之太陽能裂解水產氫裝置，其中該太陽能電池產生一電池電壓，該導電元件造成一第一電壓損耗，該水體裂解水產生氫氣的電壓為一裂解水電壓，該電池電壓 － 該第一電壓損耗 ≧ 該裂解水電壓。
8. 如請求項1所述之太陽能裂解水產氫裝置，進一步包含一浮力增加裝置，設置於該太陽能電池之側邊，增加該太陽能裂解水產氫裝置浮在該水體之表面之浮力。
9. 如請求項1所述之太陽能裂解水產氫裝置，進一步包含一浮力增加裝置，設置於該水裂解電極之側邊，增加該太陽能裂解水產氫裝置浮在該水體之表面之浮力。
10. 如請求項1所述之太陽能裂解水產氫裝置，其中該太陽能電池為III-V族太陽能電池。