[发明专利]一种高效自耦合太阳能制氢系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种太阳能制氢系统，具体的是光氢转化效率高的太阳能制氢系统。

背景技术：

地球上氢主要以化合物水的形式存在，其燃烧值高，空气中燃烧主要产物是水，无污染，水又用来制氢，如此循环。基于此，氢能同时满足资源、环境和可持续发展的要求，成为最有希望替代现有矿物能源的清洁能源，利用可再生能源制氢是开发氢能源的有效途径。目前以水为原料利用核能和太阳能大规模制氢，已成为世界各国共同努力的目标，其中太阳能制氢最具吸引力和现实意义。

1972年Fujishima和Honda首次报道了n-型半导体TiO₂分解水，开创了太阳能制氢的新纪元。利用太阳能分解水制氢的方法主要包括：太阳能热分解水制氢、太阳能光伏电解水制氢、太阳能光催化分解水制氢、太阳能生物制氢等。由于热分解水对反应温度要求苛刻，研究进展相对缓慢；太阳能生物制氢也尚属于起步研究阶段。所以人们对太阳能光解水制氢工作主要集中在光催化分解水制氢和太阳能光伏电解水制氢。

传统的太阳能光伏电解水制氢其发电系统一般为太阳能电池方阵，须经最大功率点跟踪器(MPPT)控制调节电压和功率，使其与电解池匹配，但同时使得功效损失，降低了太阳能-氢的转化效率，通常太阳能-氢的转化效率仅为10％左右。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题为了解决现有太阳能分解水制氢技术存在的不足，提供一种无需太阳能功率点跟踪器(MPPT)控制调节电压和功率，并可大幅度提高光-氢转化效率的太阳能制氢系统。

本发明的高效太阳能制氢系统包括多个子系统，每个子系统由光电单元及电解单元组成，其中光电单元的材质为Al_1-xGa_xAs/Si，电解单元由Pt基阴极材料、氧化钌基阳极材料及1M HClO₄或1M KOH电解液构成，所述光电单元及电解单元直接连接后，光电单元为电解单元提供1.30～1.40V的电解电压。

所述光电单元的材质组成为Al_1-xGa_xAs/Si，其中X优选为0.85。即由多层宽带隙Al_0.15Ga_0.85As(E_g＝1.6eV)和窄带隙Si(E_g＝1.1eV)组成。其制备方法为采用金属有机化学气相淀积法(MOCVD)，由Al和GaAs掺杂调制成宽带隙，使AlGaAs层和p-GaAs顶层在Si原子上持续生长，底层由p⁺-Si/n-Si/n⁺-Si多结组成。MgF₂/ZnS层是消反射膜。Au-Zn/Au和Au-Sb/Au干燥后作为p-电极和n-电极的接触面。

所述电解单元Pt基阴极材料，通过将H₂PtCl₆和Pb(C₂H₃O₂)₂溶于水中制得电镀液，将Pt网用稀硝酸清洗，然后用水洗，最后浸入电镀液。用4V的阴极电压，在0.5mol/L H₂SO₄溶液中电解去除杂质氯，然后水洗制得Pt_black。电解单元阳极材料，通过将钛片进行打磨、蚀刻、水洗等预处理，将其浸入一定浓度含有RuCl₃(20％盐酸溶液)或其他盐的混合溶液，蒸干溶剂，在350℃焙烧15min，重复涂敷五次，最后在350℃～400℃焙烧1h，自然降至室温。

本发明的理论依据为：

25℃水的理论分解电压为1.229V，由于过电势的存在，水的实际分解电压都高于1.229V，使得其电解效率降低。附图1为25℃不同电压电解水的电解效率，由该图可以看出工作电压越趋近于1.229V，其电解效率会越高。

而本发明光电单元的材质为多带隙Al_1-xGa_xAs/Si材料，因为该材料可以与太阳能光谱匹配，可最大限度利用太阳能，所以该光电单元可以为电解单元提供电解所需的最大能量，并可调整其最大功率点以满足不同工作电压的需要。

本发明的技术效果是：该制氢系统的光电单元与电解单元自耦合在一起，使得光电单元与太阳能全光谱相匹配，这样使得光电单元最大功率点电压与电解单元电解电压相匹配，光电单元最大功率点与电解单元的功率点耦合匹配，从而最大限度地提高太阳能-氢的转化效率。