[发明专利]一种光电化学复合或耦合制氢制氧装置及方法

说明书

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。