专利名称：一种耦合光(电)化学池和燃料电池的太阳能贮存系统的制作方法
技术领域：
本发明属于可再生储能技术领域，具体地说，是涉及一种耦合光(电)化学池和燃料电池的太阳能贮存系统及进行高效低成本贮存太阳能并利用的绿色储能方法。
背景技术：
太阳能是一种清洁可再生能源，在所有的可再生能源中，太阳能分布最广，能量最大，获取最容易。但是太阳能受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响以及阴晴云雨等随机因素的制约，能流密度低，通常每平方米不到一千瓦，此外，能量随着时间和天气的变化呈现不稳定性和不连续性。为了保证太阳能利用稳定运行，就需要把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，以满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。因此，太阳能的贮存是促进其实际利用的关键技术之一。当前国内外研究太阳能的储存方法主要有热能、生物质能、机械能、电能和化学能等贮存方式。热能贮存是直接用集热器将太阳光的能量收集起来；生物质能贮存是自然界中利用光合作用贮存太阳能的普遍方式；机械能贮存是利用太阳能加热，通过热机产生机械能；电能贮存是利用热机发电、温差发电以及光伏电池发电等将太阳能直接转化为电能； 化学能贮存是利用太阳能分解水制取洁净氢能并加以贮存的方法。在这些贮存方式中，只有氢能可以进行长时间、大容量地贮存，并且以氢气为燃料的氢氧燃料电池可以将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能，这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，故其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率高达60% 80%，实际使用效率是普通内燃机的2 3倍。因此，我们拟通过耦合太阳能制氢技术与氢氧燃料电池技术组装可再生太阳能贮存系统，发展新型太阳能贮存技术，以便高效、长期地收集转化太阳能并可实时利用。利用太阳能分解水制氢是该贮能系统的核心部件，可采用两条途径来制氢其一是利用基于液结光电化学电池的分解水制氢技术；其二是利用光催化剂分解水的制氢技术。前者使用光阳极和(光)阴极为太阳能光催化材料，通过连接阴、阳两极与电解质一起构成光电化学池，在光照下分解水，分别在阴极和阳极产生体积比为2 1的纯净氢气和氧气，恰好是氢氧燃料电池所需的气源，可直接被利用进行发电；后者利用光催化剂将水分解产生氢气和氧气的混合气体，可通过分离纯化系统使其输出体积比为2 1的纯净氢气和氧气，从而直接供给燃料电池。现有的利用太阳能制氢技术与燃料电池耦合而构成的太阳能贮存系统，是利用光伏电池将太阳能转化为电，然后再利用其产生的电进行电解水获得燃料电池所需的氢气和氧气，这一系统简称RFC系统，已经在临近空间的各种飞行器上获得应用，但该系统造价高昂、体积庞大，目前尚无法实现规模利用。本发明同现有RFC系统向比较，具有明显的技术优势⑴装置简化。省去了光伏电池部件和电解水部件，仅以太阳光为输入能量，使太阳能一步转化为氢能，因此使装置获得大幅简化，体积和重量也随之大幅降低。(2)储能路线缩短。能量转化路线由光能一电能 —化学能一电能，缩短为光能一化学能一电能，能量转换环节的减少有利于降低过程能耗， 提高太阳能的存储效率。这种即以水为介质、以太阳光为输入能量的光(电)化学池制氢技术与氢氧燃料电池技术耦合而成的新概念太阳能贮存与循环利用系统及方法，目前尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种耦合光(电)化学池和燃料电池的新概念太阳能贮存系统，利用该技术可实现太阳能的贮存且便于利用。本发明利用光电化学池或光化学池在太阳光的照射下将水分解，一步获得体积比为2 1的纯净氢气和纯净氧气，为燃料电池的工作提供气体来源，而燃料电池发电生成的产物——水又可以用于补偿在光(电)化学池中分解损失的水，因而可以构成一个可再生的太阳能贮存系统，具体可以按照下述技术方案实行该太阳能贮存系统包括管路相连的光电化学池或光化学池、贮氢系统、贮氧系统和氢氧燃料电池；贮氢系统的氢气入口与光电化学池或光化学池的氢气出口通过管路相连，贮氧系统的氧气入口与光电化学池或光化学池氧气出口通过管路相连，贮氢系统和贮氧系统的气体出口分别通过管路与氢氧燃料电池的氢气入口、氧气入口相连；氢氧燃料电池的氢气出口、氧气出口分别通过管路经汽液分离器冷却收集水蒸汽后放空，汽液分离器的出水口通过管路与光电化学池或光化学池入水口相连。所述的光电化学池为密封的池体，内部被电极室隔膜分为两部分，一部分装有阳极电解液，为阳极室，其内设置有光阳极；另一部分装有阴极电解液，为阴极室，其内设置有对电极；所述的光化学池为密封的池体，内部装有光催化剂和光解溶液，其内的氢气和氧气复合分离膜设置于靠近光化学池氧气出口和光化学池氢气出口的一侧。所述对电极为阴极或光阴极。氢氧燃料电池由正极、负极、电解液和密封燃料电池池体组成，氢氧燃料电池为氢氧碱电池、氢氧磷酸电池或质子交换膜氢氧电池，上述电池均是以氢气为燃料的燃料电池。 所述的贮氢系统、贮氧系统由贮气容器或者贮气材料以及气体进出的连接通道组成；燃料电池产生的水通过连接通道返回光电化学池或光化学池。所述的光电化学池或光化学池为 1个或者一个以上串联形成光电化学池和/或光化学池阵列；多个光(电)化学池串联时， 所用的光(电)化学池结构相同或者不同；结构不同是指光电化学池所用的光阳极材料、对电极材料、电解质、电极基板材料、电极膜厚度或光电化学池池体材料的不同；或者指光化学池所用的催化剂材料、光解溶液、氢气和氧气的分离部件及方式或光化学池的池体材料的不同。本发明利用上述系统将太阳能转化为化学能并储存利用的方法如下(1)利用光电化学池制备氢气和氧气时，在太阳光或模拟太阳光的照射下，光阳极表面发生水的氧化放氧反应，而对电极(阴极或者光阴极)表面发生质子的还原放氢反应， 从而在阳极室和阴极室分别释放氧气和氢气，将太阳能转化为可以贮存的化学能。(2)利用光化学池制备氢气和氧气时，在太阳光或模拟太阳光的照射下，光催化剂将水分解同时释放氢气和氧气，将太阳能转化为可以贮存的化学能；该混合气体经氢气和氧气的分离部件进行分离纯化，转化成为可以直接供氢氧燃料电池使用的纯净氢气和氧气。
(3)氢气和氧气被分别收集到贮气装置后作为氢氧燃料电池的气源供给其进行工作释放可直接利用的电能，发电产生的水通过水进出通道返回光电化学池或光化学池，在光电化学池或光化学池里重新被分解为氢气和氧气，因此形成一个闭合能量转化系统，实现太阳能的可再生储存。本发明的有益效果(1)稳定性好、适用范围广。本发明以太阳光为输入能量，以水为循环介质，在常温常压下进行，条件温和，电极材料或光催化剂以及光(电)化学池池体不易受腐蚀，可支持长期运行。(2)储能环节少、过程能耗低。本发明的储能路线为光能一化学能一电能，能量转换环节的减少有利于降低过程能耗，提高太阳能的存储效率。(3)结构简单、比能量高。本发明在利用太阳能制氢的环节无需外加偏压，因而可以省去外加的供电系统，例如光伏电池或者其它电源，只有光(电)化学池、燃料电池为主要设备，储氢和储氧装置为附件，省去了光伏电池和电解水装置，结构大大简化。(4)安装简便、易于规模化。本发明中为了扩大光(电)化学池接受太阳光照的面积，增大贮能容量，可以通过串联多个光(电)化学单元池形成光电化学池阵列，在阵列形成中不涉及复杂电路连接，而仅涉及气路连接，因而可以方便地根据实际需要进行安装并升级扩容。
图1是耦合光电化学电池和燃料电池的太阳能贮存系统的结构示意图。图1中1电极室隔膜；2阴极电解液；3阳极电解液；4储氢系统；5储氧系统；6氢氧燃料电池；7对电极(阴极或者光阴极)；8光阳极；9光电化学池氢气出口 ；10光电化学池氧气出口 ； 11燃料电池氢气入口 ； 12燃料电池氧气入口 ； 13光电化学池入水口。图2是耦合光化学电池和燃料电池的太阳能贮存系统的结构示意图。图2中14催化剂和光解液的混合物；15氢气和氧气的复合分离膜；4储氢系统； 5储氧系统；6氢氧燃料电池；9光化学池氢气出口 ；10光化学池氧气出口 ；11燃料电池氢气入口 ； 12燃料电池氧气入口 ； 13光化学池入水口。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。实施例1采用单个光电化学单元池和瓦级燃料电池进行耦合，见图1。该单元池包括电极室隔膜1、电解液2和3以及对电极7 (阴极或者光阴极均可)和光阳极8。光阳极材料使用BiVO4多孔薄膜，阴极材料可以是Pt、碳等低析氢过电位的导电材料，光阴极材料可以是 ρ型GaN薄膜，控制其薄膜厚度为1 10 μ m，光照面积0.01m2，将阳极和阴极或光阴极用导线连接，两极之间以Nafion膜隔开，三者形成一个电池组件，将这一电池组件和电解质封装在带有入射光接收窗口的绝缘池体中，构成光电化学池(预留氢气出口 9、氧气出口 10 和进水口 13)，将光电化学池的氢气出口和氧气出口分别与储氢系统(为储氢容器，如储氢罐)4及储氧系统(为储氧容器，如储氧罐)5的入口相连接，而储氢、储氧系统出口则与瓦级氢氧燃料电池6的氢气入口 11和氧气入口 12分别连接，然后将氢氧燃料电池的残余氢气和残余氧气经汽液分离器14冷却后分别经出口 15和出口 16排空，汽液分离器14收集的冷却水经管道17由光电化学池进水口 13返回光电化学电池，即构成耦合光电化学电池和燃料电池的新概念太阳能贮存系统。组装完成后，对系统进行模拟太阳光照射，则光电化学池开始分解水制备氢气和氧气，生成的气体通过储气装置进行存储升压，进入燃料电池发电利用后生成的水蒸气冷凝收集循环进入光电化学池，补充其因水分解而损失的电解质，以保证系统的持续稳定运行。实施例2采用单个光化学单元池和瓦级燃料电池进行耦合，见图2。该单元池包括光催化剂例如feiaiON和水的混合物18、氢气和氧气的复合分离膜19，受光面积0. 01m2。将光化学池的氢气出口 9和氧气出口 10分别与储氢系统4及储氧系统5相连接，而储氢、储氧系统出口则与氢氧燃料电池6的负极室和正极室分别连接，然后将氢氧燃料电池的残余氢气和残余氧气经汽液分离器14冷却后分别经出口 15和出口 16排空，汽液分离器14收集的冷却水经管道17由光电化学池进水口 13返回光电化学电池，即构成耦合光化学电池和燃料电池的新概念太阳能贮存系统。组装完成后，对系统进行模拟太阳光照射，则光化学池开始分解水制备氢气和氧气并经复合膜分离纯化后，生成的气体通过储气装置进行存储升压后进入燃料电池，被发电利用后生成的水蒸汽冷却凝结后返回光化学池，补充其因水分解而损失的光解液，以保证系统的持续运行。值得注意的是，以上提到的单个光(电)化学单元池还可以通过串联形成光(电) 化学池阵列，以增加吸光面积，扩大贮能容量，可根据实际需要，其串联个数或方法，不应以实施例加以限制。系统中匹配的燃料电池的功率可根据实际气体存储量进行调节，也不应以实施例加以限制。
权利要求
1.一种耦合光(电)化学池和燃料电池的太阳能贮存系统，其特征在于该系统包括管路相连的光电化学池或光化学池、贮氢系统、贮氧系统和氢氧燃料电池；贮氢系统的氢气入口与光电化学池或光化学池的氢气出口通过管路相连，贮氧系统的氧气入口与光电化学池或光化学池氧气出口通过管路相连，贮氢系统和贮氧系统的气体出口分别通过管路与氢氧燃料电池的氢气入口、氧气入口相连；氢氧燃料电池的氢气出口、氧气出口分别通过管路经汽液分离器(冷却收集水蒸汽后放空，汽液分离器的出水口通过管路与光电化学池或光化学池入水口相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能贮存系统，其特征在于所述的光电化学池为密封的池体，内部被电极室隔膜分为两部分，一部分装有阳极电解液，为阳极室，其内设置有光阳极；另一部分装有阴极电解液，为阴极室，其内设置有对电极；所述的光化学池为密封的池体，内部装有光催化剂和光解溶液，其内的氢气和氧气复合分离膜设置于靠近光化学池氧气出口和光化学池氢气出口的一侧。
3.根据权利要求2所述的太阳能贮存系统，其特征在于所述的对电极为阴极或光阴极。
4.根据权利要求1所述的太阳能贮存系统，其特征在于所述的氢氧燃料电池由正极、 负极、电解液和密封燃料电池池体组成；氢氧燃料电池为氢氧碱电池、氢氧磷酸电池或质子交换膜氢氧电池，上述电池均是以氢气为燃料的燃料电池。
5.根据权利要求1所述的太阳能贮存系统，其特征在于所述的贮氢系统、贮氧系统由贮气容器或者贮气材料以及气体进出的连接通道组成；燃料电池产生的水通过连接通道返回光电化学池或光化学池。
6.根据权利要求1所述的太阳能贮存系统，其特征还在于所述的光电化学池或光化学池为1个或者一个以上串联形成光电化学池和/或光化学池阵列；一个以上光电化学池和/或光化学池串联时，所述的光电化学池或光化学池结构相同或者不同；结构不同是指光电化学池所用的光阳极材料、对电极材料、电解质、电极基板材料、电极膜厚度或光电化学池池体材料的不同；或者指光化学池所用的催化剂材料、光解溶液、氢气和氧气的分离部件及方式或光化学池的池体材料的不同。
全文摘要
一种耦合光(电)化学池和燃料电池的太阳能贮存系统。本发明提供一种耦合光(电)化学池和燃料电池的新概念太阳能贮存系统。该太阳能贮存系统包括管路相连的光电化学池或光化学池、贮氢系统、贮氧系统和氢氧燃料电池；贮氢系统的氢气入口与光电化学池或光化学池的氢气出口通过管路相连，贮氧系统的氧气入口与光电化学池或光化学池氧气出口通过管路相连，贮氢系统和贮氧系统的气体出口分别通过管路与氢氧燃料电池的氢气入口、氧气入口相连；氢氧燃料电池的氢气出口、氧气出口分别通过管路经汽液分离器冷却收集水蒸汽后放空，汽液分离器的出水口通过管路与光电化学池或光化学池入水口相连。
文档编号H01M16/00GK102376999SQ20101025851
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者施晶莹, 朱剑, 李 灿 申请人:中国科学院大连化学物理研究所