專利名稱：一種光電化學復合或耦合制氫制氧裝置及方法
技術領域：
本發明屬于綠色可再生能源技術領域，涉及一種利用太陽能電池的光電化 學復合或耦合系統裝置及進行高效低成本綠色環保的制氫制氧方法。
背景技術：
為解決能源緊缺和全球溫暖化問題，綠色可再生能源的開發與利用已成為 人類所面臨的亟需解決的重大課題。氫能以其潔凈、高效、高熱值、環境友好 等特點成為最有前途的新能源，可改變目前主要依賴化石能源的狀況，解決未
來發展能源的需求。制氫的方法很多，但是目前化石燃料制氫占整體的90%以上， 不但給環境造成嚴重的負擔，而且從能量利用角度而言得不償失，另外從長遠 觀點看化石燃料制氫，已不符合可持續發展的要求。太陽能制氫，不但可以互補 太陽能和氫能的優缺點，而且由于是兩種無污染可再生能源的強強聯合，可形成 太陽能一氫能一燃料電池一電能一用戶這樣一個獨立的完全可再生無污染的燃 料循環系統
太陽能制氫有幾種方法，如光伏法，光化學催化制氫，熱化學循環法及太 陽能生物制氫等，但是由于制氫成本高，效率低影響了其技術的發展。本發明 的太陽能光電化學分解水制氫方法是很有前景的綠色制氫技術。在光催化分解 水制氫中光陽極的禁帶寬度能級匹配問題最為突出。對水的裂解最佳禁帶寬度 是2eV，具有這一寬度的材料如Fe203相符，但抗腐蝕性差。通常使用的Ti02具有 較強的耐腐蝕性，但禁帶寬度大(3.0-3.2 eV)，只能吸收紫外光，需要對其
進行改良，提高可見光的吸收，進而提高制氫效率，但是目前為止，還未能達
到制氫效率的大幅度提高。另外Ti02電極材料，據推算光照能夠產生0.7-0.9 V 的能量，因此要使水裂解必須施加一定的偏壓。本發明就是利用太陽能電池提 供外部或內部偏壓，協和光電化學池進行制氫制氧的一項技術(見附圖)。這 一技術避免了傳統方法的電化學腐蝕，整個系統的光穩定性好且壽命長。另外 可以使用價格低廉的染料敏化太陽能電池、解決目前制氫體系的低效率高成本， 不適合大規模產氫等問題。可以預見這一耦合體系是實現高效低成本及環保的 制氫制氧的極好模式，具有很好的發展前景。
迄今為止該領域的發明專利多為利用太陽能集熱器將水加熱后電解水。如 專利申請公開號為CN1966776A的發明屬太陽能制氫工藝，它主要由拋物鏡面集 熱板，氣輪機(發電機)和蓄電池及水電解器等組成。其方法為將水加熱到沸點， 蒸汽推動氣輪發電機，電能貯存于電瓶中，再由電瓶供電給水電解器，水加熱 至8(TC并加入工業級雙氧水電解水分離出氫氣。
專利申請公開號為CN2459328A的實用新型專利屬于太陽能制氫工藝，是一 種利用太陽能制取氫氣并儲存的裝置。它的主要特征是包括由硅太陽能電池構 成的太陽能光電轉換器；由經度和諱度跟蹤器、跟蹤控制電路構成的太陽能光 源自動跟蹤裝置；由電極板組、隔離板和氫氣導管構成的氫氧分解裝置；由內 筒、外筒、三通閘閥和配重物構成的儲氣裝置。
專利申請公開號為CN1554969A的專利是利用太陽能集熱器提供熱量，使水 蒸氣在尖晶石型催化劑作用下進行制氫制氧的工藝。它的主要特征是包括太陽 能集熱器和尖晶石型催化劑等。
但上述制氫體系存在著結構復雜，效率低和成本高等缺點，因此不利于大 規模推廣普及。
發明內容
本發明為解決上述技術問題，提供一種光電化學復合或耦合制氫制氧裝置 及方法，利用該技術可利用太陽能進行大規模制氫。 本發明的技術方案如下
本發明的裝置包括上部的太陽能電池和下部的光電化學池。上部的太陽能 電池裝置包括電極基板、光陽極、太陽能電池電解液和對電極。該上部的太陽能 電池為硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、無機半導體化 合物太陽能電池或聚合物太陽能電池等。結構上采用單層或多層；采用多層結 構太陽能電池時，所用的太陽能電池的結構可相同或不同，結構不同是指所用 的電極材料、電極基板材料、電解質、電極膜厚度或染料等不同。下部的光電 化學池包括光電化學池光陽極、光電化學池電解液和光電化學池對電極。光電化 學池中的光陽極材料可以是半導體氧化物，如二氧化鈦、改性氧化鈦，氧化鋅、 氧化鎢、或是氧化鎳等。
本發明利用上述裝置在無需加過高電壓的溫和條件下利用太陽能對光電化 學池中的水進行分解來高效制備氫能。利用該裝置制備氫氣和氧氣的方法
(1) 在太陽光或模擬太陽光照射下，上部的太陽能電池發電，產生電壓；在 太陽光或模擬太陽光照射下，光電化學池的光陽極產生電勢或能量。
(2) 上部的太陽能電池所產生的電壓做為外加偏壓，該外加偏壓與光電化學 池光陽極所產生的電勢或能量一起達到光電化學池中水的裂解禁帶寬度1. 23V， 兩個電極上分別產生氫氣和氧氣。
本發明的效果益處是 (1)由于耦合或復合系統可以采用高效低成本的染料敏化太陽能電池，因此可 大幅度提高制氫效率和降低成本。并且利用染料敏化來增加光譜吸收，制作工
藝簡單，解決了傳統方法制備工藝復雜成本高的問題。另外采用疊層結構可吸 收較全波段的太陽光，能有效地提高制氫效率。
(2) 采用復合或耦合制氫系統，太陽能電池不需浸在光電化學池中，避免了傳統 方法的電化學腐蝕。池中使用的光陽極又是光穩定性好的半導體光陽極，整個 系統的光穩定性好且壽命長。
(3) 傳統的電解水制氫需要過高的電壓且成本高。并且使用的是用化石燃料發
電的常規電，耗電量高污染嚴重，且使用能源得不償失。本發明建立的系統是
太陽能光電化學耦合系統制氫，即節能又有益于環保。
附圖是太陽能光電化學復合或耦合制氫制氧裝置示意圖。
圖中l電極基板；2光陽極；3另外一種半導體光陽極；4對電極；5電 壓調節器；6光電化學池電解液；7光電化學池光陽極；8光電化學池對電極；9
太陽能電池電解液。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。 本實施例采用疊層染料敏化太陽能電池，使用二層不同結構，見附圖。該
二層結構包括電極基板1和吸附著可見光染料的半導體光陽極2和吸附著近紅 外光染料的半導體光陽極3和對電極4及太陽能電池電解液9。其中導電基板為 塑料薄膜或是導電玻璃。半導體薄膜由二氧化鈦或是氧化鋅等半導體氧化物制 成。在半導體薄膜電極上吸附上一層染料。其中組成疊層太陽能電池的兩個光 陽極所用的染料可相同或不同，作為上層的太陽能電池，所用的染料為可見光 染料。第二疊層的太陽電池，所用染料為近紅外區染料。該層也可使用與上層 相同或不同的可見光染料。對電極4為有催化劑層的導電玻璃，催化劑層可以是
金屬鉑，金，活性碳或碳納米管及石墨等。本發明的光電化學池部分，是由光
電化學池電解液6和光電化學池光陽極7及光電化學池對電極8組成。
上述裝置連接后，對系統進行模擬太陽光照射，疊層染料敏化太陽能電池 開始發電，產生電壓1.4V。所產生的電壓協同光電化學池光陽極所產生的電勢 0.7V,達到了裂解水的能量，使光電化學池中的水被分解，在兩個電極處分別 產生了氫氣和氧氣，制氫效率比利用光催化劑單獨制氫提高了數十倍。光電化 學池中的半導體光陽極材料采用的是二氧化鈦和改性氧化鈦或是氧化鉤等。
值得注意的是，以上提到的材料還可選用其他材料及太陽能電池可為其他 類型的太陽能電池，不應以本實施例加以限制。
權利要求
1. 一種光電化學復合或耦合制氫制氧系統裝置，其特征在于，該裝置包括上部的太陽能電池和下部的光電化學池；上部的太陽能電池包括電極基板、光陽極、太陽能電池電解液和對電極，該上部的太陽能電池為硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、化合物半導體太陽能電池或聚合物太陽能電池；下部的光電化學池包括光電化學池光陽極、光電化學池電解液和光電化學池對電極。
2 .根據權利要求1所述的一種光電化學復合或耦合制氫制氧裝置，其特征 還在于，所述的裝置結構上采用單層或多層；采用多層結構太陽能電池時，所 用的太陽能電池的結構相同或不同；結構不同是指所用的電極材料、電解質、 電極基板材料、電極膜厚度或染料的不同。
3.權利要求1至2任一所述裝置制備氫氣和氧氣方法，其特征在于，(1) 在太陽光或模擬太陽光照射下，上部的太陽能電池發電，產生電壓；在 太陽光或模擬太陽光照射下，光電化學池光陽極產生電勢或能量；(2) 上部的太陽能電池所產生的電壓做為偏壓，該外加偏壓與光電化學池光 陽極所產生的電勢或能量一起達到光電化學池中水的裂解能量，兩個電極上分 別產生氫氣和氧氣。
全文摘要
一種光電化學復合或耦合制氫制氧裝置及方法，屬于綠色可再生能源技術領域。其特征是該裝置包括上部的太陽能電池和下部的光電化學池；上部的太陽能電池裝置包括電極基板、光陽極、電解液和對電極；該上部的太陽能電池為硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、化合物半導體太陽能電池或聚合物太陽能電池等；下部的光電化學池包括光陽極、電解液和對電極。使用時，在太陽光或模擬太陽光照射下，上部的太陽能電池發電，產生外加偏壓，光電化學池的光陽極產生電勢或能量。外加偏壓與光電化學池光陽極所產生的電勢或能量一起達到光電化學池中水的裂解能量，兩個電極上分別產生氫氣和氧氣。該裝置太陽能氫能轉換效率高，成本低，工藝簡單，易于大規模產氫的特點。
文檔編號C25B1/04GK101376987SQ20081001350
公開日2009年3月4日 申請日期2008年9月28日 優先權日2008年9月28日
發明者鋼 辛, 馬廷麗 申請人:大連理工大學