[发明专利]一种反渗析电池耦合光电产氢装置的制氢系统

说明书

一种反渗析电池耦合光电产氢装置的制氢系统，包括光电产氢装置和用于向光电产氢装置提供电能的反渗析电池，反渗析电池是将浓盐水与淡水产生的盐差能转化为电能，通过分别设置在反渗析电池两端的负极接头和正极接头向反渗析电池提供电能；光电产氢装置是采用复合光电阴极作为工作电极通过第一导线连接反渗析电池的负极接头，采用铂片电极用为对电极通过第二导线连接反渗析电池的正极接头，并采用太阳光提供光能作用在复合光电阴极上，实现氢的产生。本发明通过阴离子和阳离子交换膜隔离浓盐水和淡水构成反渗析电池，利用其产生的电能为光电催化产氢电解池供电，从而实现从盐差能和光能到化学能的转化，有效利用了自然界中存在的太阳能和盐差能。

技术领域

本发明涉及一种制氢系统。特别是涉及一种反渗析电池耦合光电产氢装置的制氢系统。

背景技术

盐差能是海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，主要存在于河海交接处，是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。我国海岸线绵长，盐差能资源丰富，如果能够将这些盐差能量合理开发利用，将能在很大程度上缓解现在面临的能源问题。在现有的利用盐差能发电的方法中反电渗析法(REC)是最具有应用前景，将反电渗析技术(REC)能产生的盐差能转化为电能用于电解水制备氢气，具有很大的发展潜力。

一般来说，REC系统所得电压的大小可以通过改变交换膜的对数和不同浓度的盐溶液的浓度差来进行控制，由于电阻以及电极过电位的存在，提高交换膜的对数会造成装置产生电能的损失，而且交换膜对数越多，能量损失越大，一个具有50个单元的反电渗析(REC)系统，其能量损失可以达到约25％。光电化学电解池(PEC)产氢技术也是一种常见的新兴能源技术，可以将太阳能转化为电能并用来制备氢气。提高PEC系统的产氢效率不仅需要高效稳定的光电极提高光电转换效率，还需要外加偏压来克服产氢过程中电极极化产生的过电位，促进光生电子的定向移动，减小电子和空穴的复合机率。如果能够将REC与PEC系统结合开发，利用REC产生的电能为PEC系统提供偏压来提高其光电转换以及产氢效率，将对两种能源的开发利用都起到积极的促进作用。如果利用PEC系统将太阳能转化为电能，并为REC提供一定范围的外加偏压，就可以减少离子交换膜对数和系统内阻，从而有效提高盐差能的利用效率，实现REC系统的高效产氢，以反电渗析过程产生的电压作为PEC系统的偏压来实现盐差能与太阳能联用的催化产氢过程，能够更有效的利用太阳光能以及盐差能来制备氢气，为解决能源问题提供一个新的选择。

为了提高光电产氢装置的光电转化效率，制备高效的光电催化阴极对于高效利用反渗析电池耦合光电产氢装置具有重要意义，开发可见光响应的光催化剂是近年来在光催化领域的研究重点之一。晶体硅在地球中含量丰富，提取简单，且其电学性质具有极高的可塑性，导电类型、禁带宽度位置以及电荷密度都可以通过元素掺杂、形貌控制等措施实现，但纯晶体硅易受光腐蚀和化学腐蚀，且析氢活性交差，因此需要对其进行修饰，二氧化钛(TiO₂)作为一种稳定性极好的n型半导体，可以与p型半导体形成异质结，有效促进电子与空穴的分离且阻止其快速复合，从而有效减弱晶体硅的光辐射，延长光电阴极的寿命。WS₂的禁带宽度较窄，其导带和价带电位比多数光敏感的半导体要高，能够促进空穴和电子的分离，使半导体光电极的光电转换效率，同时作为析氢反应的催化剂，石墨烯(GR)是一种独特层状二维结构的新型碳材料，其禁带宽度为零，具有优异的电子传导性(200,000cm²V^-1s^-1)，可以作为优良的WS₂的载体，同时作为析氢反应的助催化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现不间断产电，具有极高的光电转化效率的一种反渗析电池耦合光电产氢装置的制氢系统。