專利名稱：一種耦合光(電)化學池和燃料電池的太陽能貯存系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于可再生儲能技術領域，具體地說，是涉及一種耦合光(電)化學池和燃料電池的太陽能貯存系統及進行高效低成本貯存太陽能并利用的綠色儲能方法。
背景技術：
太陽能是一種清潔可再生能源，在所有的可再生能源中，太陽能分布最廣，能量最大，獲取最容易。但是太陽能受地理、晝夜和季節等規律性變化的影響以及陰晴云雨等隨機因素的制約，能流密度低，通常每平方米不到一千瓦，此外，能量隨著時間和天氣的變化呈現不穩定性和不連續性。為了保證太陽能利用穩定運行，就需要把太陽能儲存起來，在太陽能不足時再釋放出來，以滿足生產和生活用能連續和穩定供應的需要。因此，太陽能的貯存是促進其實際利用的關鍵技術之一。當前國內外研究太陽能的儲存方法主要有熱能、生物質能、機械能、電能和化學能等貯存方式。熱能貯存是直接用集熱器將太陽光的能量收集起來；生物質能貯存是自然界中利用光合作用貯存太陽能的普遍方式；機械能貯存是利用太陽能加熱，通過熱機產生機械能；電能貯存是利用熱機發電、溫差發電以及光伏電池發電等將太陽能直接轉化為電能； 化學能貯存是利用太陽能分解水制取潔凈氫能并加以貯存的方法。在這些貯存方式中，只有氫能可以進行長時間、大容量地貯存，并且以氫氣為燃料的氫氧燃料電池可以將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能，這種裝置的最大特點是由于反應過程中不涉及到燃燒，故其能量轉換效率不受“卡諾循環”的限制，能量轉換效率高達60% 80%，實際使用效率是普通內燃機的2 3倍。因此，我們擬通過耦合太陽能制氫技術與氫氧燃料電池技術組裝可再生太陽能貯存系統，發展新型太陽能貯存技術，以便高效、長期地收集轉化太陽能并可實時利用。利用太陽能分解水制氫是該貯能系統的核心部件，可采用兩條途徑來制氫其一是利用基于液結光電化學電池的分解水制氫技術；其二是利用光催化劑分解水的制氫技術。前者使用光陽極和(光)陰極為太陽能光催化材料，通過連接陰、陽兩極與電解質一起構成光電化學池，在光照下分解水，分別在陰極和陽極產生體積比為2 1的純凈氫氣和氧氣，恰好是氫氧燃料電池所需的氣源，可直接被利用進行發電；后者利用光催化劑將水分解產生氫氣和氧氣的混合氣體，可通過分離純化系統使其輸出體積比為2 1的純凈氫氣和氧氣，從而直接供給燃料電池。現有的利用太陽能制氫技術與燃料電池耦合而構成的太陽能貯存系統，是利用光伏電池將太陽能轉化為電，然后再利用其產生的電進行電解水獲得燃料電池所需的氫氣和氧氣，這一系統簡稱RFC系統，已經在臨近空間的各種飛行器上獲得應用，但該系統造價高昂、體積龐大，目前尚無法實現規模利用。本發明同現有RFC系統向比較，具有明顯的技術優勢⑴裝置簡化。省去了光伏電池部件和電解水部件，僅以太陽光為輸入能量，使太陽能一步轉化為氫能，因此使裝置獲得大幅簡化，體積和重量也隨之大幅降低。(2)儲能路線縮短。能量轉化路線由光能一電能 —化學能一電能，縮短為光能一化學能一電能，能量轉換環節的減少有利于降低過程能耗， 提高太陽能的存儲效率。這種即以水為介質、以太陽光為輸入能量的光(電)化學池制氫技術與氫氧燃料電池技術耦合而成的新概念太陽能貯存與循環利用系統及方法，目前尚未見報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種耦合光(電)化學池和燃料電池的新概念太陽能貯存系統，利用該技術可實現太陽能的貯存且便于利用。本發明利用光電化學池或光化學池在太陽光的照射下將水分解，一步獲得體積比為2 1的純凈氫氣和純凈氧氣，為燃料電池的工作提供氣體來源，而燃料電池發電生成的產物——水又可以用于補償在光(電)化學池中分解損失的水，因而可以構成一個可再生的太陽能貯存系統，具體可以按照下述技術方案實行該太陽能貯存系統包括管路相連的光電化學池或光化學池、貯氫系統、貯氧系統和氫氧燃料電池；貯氫系統的氫氣入口與光電化學池或光化學池的氫氣出口通過管路相連，貯氧系統的氧氣入口與光電化學池或光化學池氧氣出口通過管路相連，貯氫系統和貯氧系統的氣體出口分別通過管路與氫氧燃料電池的氫氣入口、氧氣入口相連；氫氧燃料電池的氫氣出口、氧氣出口分別通過管路經汽液分離器冷卻收集水蒸汽后放空，汽液分離器的出水口通過管路與光電化學池或光化學池入水口相連。所述的光電化學池為密封的池體，內部被電極室隔膜分為兩部分，一部分裝有陽極電解液，為陽極室，其內設置有光陽極；另一部分裝有陰極電解液，為陰極室，其內設置有對電極；所述的光化學池為密封的池體，內部裝有光催化劑和光解溶液，其內的氫氣和氧氣復合分離膜設置于靠近光化學池氧氣出口和光化學池氫氣出口的一側。所述對電極為陰極或光陰極。氫氧燃料電池由正極、負極、電解液和密封燃料電池池體組成，氫氧燃料電池為氫氧堿電池、氫氧磷酸電池或質子交換膜氫氧電池，上述電池均是以氫氣為燃料的燃料電池。 所述的貯氫系統、貯氧系統由貯氣容器或者貯氣材料以及氣體進出的連接通道組成；燃料電池產生的水通過連接通道返回光電化學池或光化學池。所述的光電化學池或光化學池為 1個或者一個以上串聯形成光電化學池和/或光化學池陣列；多個光(電)化學池串聯時， 所用的光(電)化學池結構相同或者不同；結構不同是指光電化學池所用的光陽極材料、對電極材料、電解質、電極基板材料、電極膜厚度或光電化學池池體材料的不同；或者指光化學池所用的催化劑材料、光解溶液、氫氣和氧氣的分離部件及方式或光化學池的池體材料的不同。本發明利用上述系統將太陽能轉化為化學能并儲存利用的方法如下(1)利用光電化學池制備氫氣和氧氣時，在太陽光或模擬太陽光的照射下，光陽極表面發生水的氧化放氧反應，而對電極(陰極或者光陰極)表面發生質子的還原放氫反應， 從而在陽極室和陰極室分別釋放氧氣和氫氣，將太陽能轉化為可以貯存的化學能。(2)利用光化學池制備氫氣和氧氣時，在太陽光或模擬太陽光的照射下，光催化劑將水分解同時釋放氫氣和氧氣，將太陽能轉化為可以貯存的化學能；該混合氣體經氫氣和氧氣的分離部件進行分離純化，轉化成為可以直接供氫氧燃料電池使用的純凈氫氣和氧氣。
(3)氫氣和氧氣被分別收集到貯氣裝置后作為氫氧燃料電池的氣源供給其進行工作釋放可直接利用的電能，發電產生的水通過水進出通道返回光電化學池或光化學池，在光電化學池或光化學池里重新被分解為氫氣和氧氣，因此形成一個閉合能量轉化系統，實現太陽能的可再生儲存。本發明的有益效果(1)穩定性好、適用范圍廣。本發明以太陽光為輸入能量，以水為循環介質，在常溫常壓下進行，條件溫和，電極材料或光催化劑以及光(電)化學池池體不易受腐蝕，可支持長期運行。(2)儲能環節少、過程能耗低。本發明的儲能路線為光能一化學能一電能，能量轉換環節的減少有利于降低過程能耗，提高太陽能的存儲效率。(3)結構簡單、比能量高。本發明在利用太陽能制氫的環節無需外加偏壓，因而可以省去外加的供電系統，例如光伏電池或者其它電源，只有光(電)化學池、燃料電池為主要設備，儲氫和儲氧裝置為附件，省去了光伏電池和電解水裝置，結構大大簡化。(4)安裝簡便、易于規模化。本發明中為了擴大光(電)化學池接受太陽光照的面積，增大貯能容量，可以通過串聯多個光(電)化學單元池形成光電化學池陣列，在陣列形成中不涉及復雜電路連接，而僅涉及氣路連接，因而可以方便地根據實際需要進行安裝并升級擴容。
圖1是耦合光電化學電池和燃料電池的太陽能貯存系統的結構示意圖。圖1中1電極室隔膜；2陰極電解液；3陽極電解液；4儲氫系統；5儲氧系統；6氫氧燃料電池；7對電極(陰極或者光陰極)；8光陽極；9光電化學池氫氣出口 ；10光電化學池氧氣出口 ； 11燃料電池氫氣入口 ； 12燃料電池氧氣入口 ； 13光電化學池入水口。圖2是耦合光化學電池和燃料電池的太陽能貯存系統的結構示意圖。圖2中14催化劑和光解液的混合物；15氫氣和氧氣的復合分離膜；4儲氫系統； 5儲氧系統；6氫氧燃料電池；9光化學池氫氣出口 ；10光化學池氧氣出口 ；11燃料電池氫氣入口 ； 12燃料電池氧氣入口 ； 13光化學池入水口。
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。實施例1采用單個光電化學單元池和瓦級燃料電池進行耦合，見圖1。該單元池包括電極室隔膜1、電解液2和3以及對電極7 (陰極或者光陰極均可)和光陽極8。光陽極材料使用BiVO4多孔薄膜，陰極材料可以是Pt、碳等低析氫過電位的導電材料，光陰極材料可以是 ρ型GaN薄膜，控制其薄膜厚度為1 10 μ m，光照面積0.01m2，將陽極和陰極或光陰極用導線連接，兩極之間以Nafion膜隔開，三者形成一個電池組件，將這一電池組件和電解質封裝在帶有入射光接收窗口的絕緣池體中，構成光電化學池(預留氫氣出口 9、氧氣出口 10 和進水口 13)，將光電化學池的氫氣出口和氧氣出口分別與儲氫系統(為儲氫容器，如儲氫罐)4及儲氧系統(為儲氧容器，如儲氧罐)5的入口相連接，而儲氫、儲氧系統出口則與瓦級氫氧燃料電池6的氫氣入口 11和氧氣入口 12分別連接，然后將氫氧燃料電池的殘余氫氣和殘余氧氣經汽液分離器14冷卻后分別經出口 15和出口 16排空，汽液分離器14收集的冷卻水經管道17由光電化學池進水口 13返回光電化學電池，即構成耦合光電化學電池和燃料電池的新概念太陽能貯存系統。組裝完成后，對系統進行模擬太陽光照射，則光電化學池開始分解水制備氫氣和氧氣，生成的氣體通過儲氣裝置進行存儲升壓，進入燃料電池發電利用后生成的水蒸氣冷凝收集循環進入光電化學池，補充其因水分解而損失的電解質，以保證系統的持續穩定運行。實施例2采用單個光化學單元池和瓦級燃料電池進行耦合，見圖2。該單元池包括光催化劑例如feiaiON和水的混合物18、氫氣和氧氣的復合分離膜19，受光面積0. 01m2。將光化學池的氫氣出口 9和氧氣出口 10分別與儲氫系統4及儲氧系統5相連接，而儲氫、儲氧系統出口則與氫氧燃料電池6的負極室和正極室分別連接，然后將氫氧燃料電池的殘余氫氣和殘余氧氣經汽液分離器14冷卻后分別經出口 15和出口 16排空，汽液分離器14收集的冷卻水經管道17由光電化學池進水口 13返回光電化學電池，即構成耦合光化學電池和燃料電池的新概念太陽能貯存系統。組裝完成后，對系統進行模擬太陽光照射，則光化學池開始分解水制備氫氣和氧氣并經復合膜分離純化后，生成的氣體通過儲氣裝置進行存儲升壓后進入燃料電池，被發電利用后生成的水蒸汽冷卻凝結后返回光化學池，補充其因水分解而損失的光解液，以保證系統的持續運行。值得注意的是，以上提到的單個光(電)化學單元池還可以通過串聯形成光(電) 化學池陣列，以增加吸光面積，擴大貯能容量，可根據實際需要，其串聯個數或方法，不應以實施例加以限制。系統中匹配的燃料電池的功率可根據實際氣體存儲量進行調節，也不應以實施例加以限制。
權利要求
1.一種耦合光(電)化學池和燃料電池的太陽能貯存系統，其特征在于該系統包括管路相連的光電化學池或光化學池、貯氫系統、貯氧系統和氫氧燃料電池；貯氫系統的氫氣入口與光電化學池或光化學池的氫氣出口通過管路相連，貯氧系統的氧氣入口與光電化學池或光化學池氧氣出口通過管路相連，貯氫系統和貯氧系統的氣體出口分別通過管路與氫氧燃料電池的氫氣入口、氧氣入口相連；氫氧燃料電池的氫氣出口、氧氣出口分別通過管路經汽液分離器(冷卻收集水蒸汽后放空，汽液分離器的出水口通過管路與光電化學池或光化學池入水口相連。
2.根據權利要求1所述的太陽能貯存系統，其特征在于所述的光電化學池為密封的池體，內部被電極室隔膜分為兩部分，一部分裝有陽極電解液，為陽極室，其內設置有光陽極；另一部分裝有陰極電解液，為陰極室，其內設置有對電極；所述的光化學池為密封的池體，內部裝有光催化劑和光解溶液，其內的氫氣和氧氣復合分離膜設置于靠近光化學池氧氣出口和光化學池氫氣出口的一側。
3.根據權利要求2所述的太陽能貯存系統，其特征在于所述的對電極為陰極或光陰極。
4.根據權利要求1所述的太陽能貯存系統，其特征在于所述的氫氧燃料電池由正極、 負極、電解液和密封燃料電池池體組成；氫氧燃料電池為氫氧堿電池、氫氧磷酸電池或質子交換膜氫氧電池，上述電池均是以氫氣為燃料的燃料電池。
5.根據權利要求1所述的太陽能貯存系統，其特征在于所述的貯氫系統、貯氧系統由貯氣容器或者貯氣材料以及氣體進出的連接通道組成；燃料電池產生的水通過連接通道返回光電化學池或光化學池。
6.根據權利要求1所述的太陽能貯存系統，其特征還在于所述的光電化學池或光化學池為1個或者一個以上串聯形成光電化學池和/或光化學池陣列；一個以上光電化學池和/或光化學池串聯時，所述的光電化學池或光化學池結構相同或者不同；結構不同是指光電化學池所用的光陽極材料、對電極材料、電解質、電極基板材料、電極膜厚度或光電化學池池體材料的不同；或者指光化學池所用的催化劑材料、光解溶液、氫氣和氧氣的分離部件及方式或光化學池的池體材料的不同。
全文摘要
一種耦合光(電)化學池和燃料電池的太陽能貯存系統。本發明提供一種耦合光(電)化學池和燃料電池的新概念太陽能貯存系統。該太陽能貯存系統包括管路相連的光電化學池或光化學池、貯氫系統、貯氧系統和氫氧燃料電池；貯氫系統的氫氣入口與光電化學池或光化學池的氫氣出口通過管路相連，貯氧系統的氧氣入口與光電化學池或光化學池氧氣出口通過管路相連，貯氫系統和貯氧系統的氣體出口分別通過管路與氫氧燃料電池的氫氣入口、氧氣入口相連；氫氧燃料電池的氫氣出口、氧氣出口分別通過管路經汽液分離器冷卻收集水蒸汽后放空，汽液分離器的出水口通過管路與光電化學池或光化學池入水口相連。
文檔編號H01M16/00GK102376999SQ20101025851
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月20日 優先權日2010年8月20日
發明者施晶瑩, 朱劍, 李 燦 申請人:中國科學院大連化學物理研究所