利用闭合回路光催化太阳能装置进行发电的系统和方法与流程

背景

本申请要求2016年3月9日提交的序列号第15/065,235号美国专利申请的优先权，所述美国专利申请的全部内容通过引用并入。

背景技术

本公开涉及光催化发电系统。更具体地说，本公开引入用于使用激活辐射的连续闭合回路氧化/还原循环发电的光催化发电系统的技术。

技术实现要素：

根据本公开的主题，一种光催化发电系统包含太阳能外壳、光电阳极、电解质膜、阴极、氧扩散膜和外部发电电路。太阳能外壳包括可透射光电阳极激活辐射的输入窗口且包括阳极侧和阴极侧。光电阳极定位在太阳能外壳内的阳极侧处且电耦合到外部发电电路。阴极定位在太阳能外壳内的阴极侧处且电耦合到外部发电电路。电解质膜定位在光电阳极与阴极之间且与光电阳极和阴极电化学接合，从而形成光催化电池。太阳能外壳包括闭合回路水室，所述闭合回路水室具有定位在阳极侧处的阳极侧流动通道和定位在阴极侧处的阴极侧流动通道。太阳能外壳包括从阳极侧流动通道延伸到阴极侧流动通道的重组水通道，且包括从阳极侧流动通道延伸到阴极侧流动通道的氧输送通道。此外，氧扩散膜定位在阳极侧流动通道与氧输送通道之间，且在结构上被配置成抑制在阴极处产生的重组水沿着氧输送通道从阴极侧流动通道流动到阳极侧流动通道且准许在阴极处产生的重组水沿着重组水通道从阴极侧流动通道流动到阳极侧流动通道。

根据本公开的一个实施例，光催化发电系统包含太阳能外壳、光电阳极、电解质膜、阴极、氧扩散膜和外部发电电路。太阳能外壳包括可透射光电阳极激活辐射的输入窗口。光电阳极定位在太阳能外壳内且电耦合到外部发电电路。阴极定位在太阳能外壳内且电耦合到外部发电电路。太阳能外壳包括环绕光电阳极、阴极和电解质膜的闭合回路水室。氧扩散膜定位在闭合回路水室中且在结构上被配置成抑制水流动通过氧扩散膜和准许氧分子流动通过氧扩散膜。光电阳极在结构上被配置成接收光电阳极激活辐射，且在暴露于光电阳极激活辐射时输出能够由外部发电电路接收的电子且产生电子空穴，使得容纳在闭合回路水室内的水在电子空穴处氧化成氢离子和氧分子。电解质膜在结构上被配置成在光电阳极与阴极之间提供质子通路。闭合回路水室在结构上被配置成提供穿过氧扩散膜且在光电阳极与阴极之间延伸的氧分子的通路。阴极在结构上被配置成接收来自质子通路的氢离子、接收氧分子以及通过氢离子和氧分子的还原而将氢离子和氧分子组合成重组水。此外，闭合回路水室在结构上被配置成提供并不穿过氧扩散膜且在阴极与光电阳极之间延伸的重组水的通路。

尽管本公开的概念在本文中主要参考一些具体光催化发电系统配置进行描述，但预期概念将享有对具有任何数目的光电阳极、电解质膜和阴极的光催化发电系统的适用性。

附图说明

以下对本公开的具体实施例的详细描述在结合以下图式阅读时可最佳地理解，图式中用类似的附图标记指示类似的结构且在图式中：

图1是根据本文中所示出和描述的一个或多个实施例的光催化发电系统的示意图；

图2是根据本文中所示出和描述的一个或多个实施例的具有多个光电阳极的光催化发电系统的示意图；且

图3是根据本文中所示出和描述的一个或多个实施例的具有多个光催化副电池的光催化发电系统的示意图。

具体实施方式

图1是光催化发电系统100的示意图，所述光催化发电系统100包括太阳能外壳110、光电阳极142、电解质膜146、阴极144、氧扩散膜116和外部发电电路150。太阳能外壳110包括可透射例如太阳辐射的光电阳极激活辐射102的输入窗口112，所述太阳辐射例如紫外辐射、可见光辐射、红外辐射等。

在一些实施例中，太阳能外壳110可被描述为包括阳极侧104和阴极侧106。输入窗口112可定位在太阳能外壳110的阳极侧104处。光电阳极142可类似地定位在太阳能外壳110内的阳极侧104处且电耦合到外部发电电路150。阴极144可定位在太阳能外壳110内的阴极侧106处且也电耦合到外部发电电路150。此外，电解质膜146定位在光电阳极142与阴极144之间且与光电阳极142和阴极144电化学接合，从而形成光催化电池140。太阳能外壳110可由适合于含有本文中所说明的类型的电化学有源组件的各种材料构造而成，所述各种材料包含可在电化学有源组件与环境空气、湿气、灰尘等之间实现气密分离的任何材料以及可向太阳能外壳110提供结构和机械完整性的任何材料。举例来说，预期太阳能外壳110可由一个或多个金属、inox金属、塑料、树脂玻璃、玻璃纤维或其组合构造而成。

外部发电电路150包括发电单元154和电路通路152。电路通路152包括电通路，例如，导电线、导电迹线等，且电耦合到光电阳极142、发电单元154和阴极144。发电单元154在结构上被配置成接收由光电阳极142所输出的电子产生的电流。在接收到电流时，发电单元154在结构上被配置成产生电力。

如图1中所描绘，太阳能外壳110包括环绕光催化电池140且在一些实施例中在太阳能外壳110内气密密封的闭合回路水室120。水可容纳在太阳能外壳110的闭合回路水室120内，所述水例如液态水、气态水或其一组合。在一些实施例中，水与惰性气体的混合物可容纳在闭合回路水室120内。惰性气体包含不吸收光电阳极激活辐射102的惰性气体，例如，n2、he、ar等。在操作中，容纳在闭合回路水室120内的水在连续闭合回路氧化/还原循环中发生氧化和还原，其中水在光电阳极142处分流，在阴极144处重组，且被输送回到光电阳极142用于重新使用。预期太阳能外壳110内的压力可接近于大气压。

闭合回路水室120包含定位在阳极侧104处的阳极侧流动通道122和定位在阴极侧106处的阴极侧流动通道124。闭合回路水室120还包括从阳极侧流动通道122延伸到阴极侧流动通道124的重组水通道128以及从阳极侧流动通道122延伸到阴极侧流动通道124的氧输送通道126。重组水通道128和氧输送通道126两者使阳极侧流动通道122与阴极侧流动通道124流体地耦合。另外，定位在阳极侧流动通道122中的水可接触光电阳极142且定位在阴极侧流动通道124中的水可接触阴极144。

氧扩散膜116定位在闭合回路水室120中，例如，定位在阳极侧流动通道122与氧输送通道126之间。氧扩散膜116在闭合回路水室120内提供选择性屏障，从而准许通过氧扩散膜116的氧扩散和抑制通过氧扩散膜116的水扩散。通过提供选择性屏障，氧扩散膜116被动地控制水在闭合回路水室120中的流动以有助于连续闭合回路氧化/还原循环。具体地说，氧扩散膜116在结构上被配置成抑制在阴极144处产生的重组水沿着氧输送通道126从阴极侧流动通道124流动到阳极侧流动通道122以及准许在阴极144处产生的重组水沿着重组水通道128从阴极侧流动通道124流动到阳极侧流动通道122。

预期氧扩散膜116可由适合于选择性地准许水溶液或包括水蒸气的气态溶液中的氧扩散的任何膜材料构造而成。除此之外，氧扩散膜116的精确组成超出本公开的范围且可从关于主题的常规和尚待开发的传授内容习得。举例来说，预期氧扩散膜116可由多孔无机膜、多孔聚合物膜、有机-无机复合膜、硅橡胶或其组合形成。实例多孔无机膜包含玻璃、金属、氧化铝、氧化锆、沸石、碳纤维、堇青石、碳化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化锡、云母或其组合。实例多孔聚合物膜包含膜，所述膜具有全氟间二氧杂环戊烯、聚醚砜、聚苯胺、聚酰亚胺、聚砜、聚芳酰胺、聚碳酸酯、硅橡胶、聚苯醚、乙酸纤维素、聚丙烯或其组合。此外，氧扩散膜116可包括任何膜几何形状，例如，中空纤维膜、螺旋缠绕膜、板和框式膜等。

在一些实施例中，第一电池壁118a和第二电池壁118b各自定位在太阳能外壳110中且各自耦合到光催化电池140。第一电池壁118a定位在光催化电池140与重组水通道128之间且可耦合到光电阳极142、电解质膜146和阴极144中的每一个。第一电池壁118a在重组水通道128与光电阳极142、电解质膜146和阴极144中的每一个之间提供屏障。第二电池壁118b定位在光催化电池140与氧输送通道126之间且可耦合到光电阳极142、电解质膜146和阴极144中的每一个。第二电池壁118b在氧输送通道126与光电阳极142、电解质膜146和阴极144中的每一个之间提供屏障。在一些实施例中，第一电池壁118a和第二电池壁118b各自耦合到太阳能外壳110，从而将光催化电池140附连在太阳能外壳110内，使得闭合回路水室120环绕光催化电池140。此外，在一些实施例中，氧扩散膜116定位在第二电池壁118b与太阳能外壳110之间且耦合到第二电池壁118b和太阳能外壳110。预期电池壁118a、118b可由适合于维持光催化电池140的结构和电化学完整性的任何材料构造而成。举例来说，但不作为限制，预期第一电池壁118a和第二电池壁118b可由例如聚合物的任何耐腐蚀电绝缘材料构造而成，所述聚合物例如聚丙烯或陶瓷，所述陶瓷例如氧化铝或二氧化钛，或其组合。

仍参考图1，光电阳极142是包括一个或多个半导体材料(例如，p型半导体材料)的光敏阳极且在结构上被配置成吸收光电阳极激活辐射102的波长范围内的太阳辐射，所述太阳辐射例如紫外辐射、可见光辐射、红外辐射或其一组合。光电阳极142包括带隙能量(ebg)，所述带隙能量是光电阳极142的价带与光电阳极142的导带之间的能量差。光电阳极142被配置成吸收的光子激活辐射102中的光子能量基本上等于或大于光电阳极142的带隙能量。此外，光电阳极激活辐射102的光子能量和光子波长成反比，例如，e＝hc/λ，其中e是光子能量，h是普朗克常数(6.626x10^-34焦耳秒)，c是光速(2.998x10⁸米/秒)，且λ是光子波长。作为一个实例，包括约2电子伏特(ev)带隙能量的光电阳极142被配置成吸收包括大于或等于约2ev的光子能量和小于或等于约620纳米(nm)的光子波长的光子激活辐射102。此外，包括大于光电阳极142的带隙能量的光子能量的光电阳极激活辐射102被光电阳极142吸收但可被热化和转化成热量。

在一些实施例中，光电阳极142可包括介于约3.10ev与约3.94ev之间的带隙能量，使得光电阳极142被配置成吸收包括高达约400nm波长的光电阳极激活辐射102，例如，介于约315nm与约400nm之间的紫外辐射。光电阳极142可包括介于约1.77ev与约3.10ev之间的带隙能量，使得光电阳极142被配置成吸收包括高达约700nm波长的光电阳极激活辐射102，例如，介于约400nm与约700nm之间的可见光辐射。此外，光电阳极142可包括介于约0.41ev与约1.77ev之间的带隙能量，使得光电阳极142被配置成吸收包括高达约3000nm波长的光电阳极激活辐射102，例如，介于约700nm与约3000nm之间的红外辐射。在一些实施例中，光电阳极142可被配置成吸收包括大光子能量密度的光电阳极激活辐射102，所述大光子能量密度是光子通量和光子能量的乘积。太阳光谱的最大光子能量密度在约440nm和约660nm的波长范围内，对应于介于约1.8ev与约2.8ev之间的带隙能量。

此外，光电阳极142的一个或多个半导体材料选自以下中的一个或多个：二元氧化物、二元硫化物、掺杂氧化物、三元氧化物、四元氧化物、基于ag的氧化物、氢氧化铟、卤氧化铋或四元卤氧化物。实例二元氧化物包含zno(ebg＝3.0ev)、wo3(ebg＝2.8ev)、bi2o3(ebg＝2.8ev)、tio2(ebg＝3.2ev)、ceo2(ebg＝2.9ev)、fe2o3(ebg＝2.2ev)等。实例掺杂tio2材料包含n-tio2(ebg＝2.73ev)、pt-tio2(ebg＝2.7ev)、s-tio2(ebg＝2.3ev)、ce-tio2(ebg＝2.3ev)、fe-tio2(ebg＝2.5ev)等。实例二元硫化物包含cds(ebg＝2.4ev)、cdse(ebg＝1.7ev)、sb2s5(ebg＝1.6ev)等。实例三元化合物包含invo4(介于约1.8ev与约2.0ev之间的ebg)、bi2wo6(介于约1.8ev与约2.0ev之间的ebg)、zn2sno4(ebg＝3.6ev)、znin2s4(ebg＝2.2ev)、babio3(ebg＝2.1ev)、nabio3(ebg＝2.6ev)、srtio3(ebg＝3.2ev)、bifeo3(介于约2.1ev与约2.5ev之间的ebg)、pb3nb4o13(ebg＝3ev)、pb3nb2o8(ebg＝2.8ev)、ca2sb2o7(ebg＝4.0ev)、sr2sb2o7(ebg＝3.9ev)等。实例基于ag的氧化物包含agalo2(ebg＝3.0ev)、agcro2(ebg＝1.7ev)、ag2cro4(ebg＝1.8ev)、ag2geo3(ebg＝1.8ev)等。实例氧卤化铋包含bioi(ebg＝1.8ev)、biobr(ebg＝2.9ev)、biocl(ebg＝3.2ev)等。此外，应理解，涵盖包括任何半导体材料的光电阳极142。

在操作中，在暴露于光电阳极激活辐射102时，光电阳极142吸收一定波长范围的光电阳极激活辐射102，包括具有基本上等于或大于光电阳极142的带隙能量的光子能量的光子。当光电阳极激活辐射102被吸收时，光电阳极142的电子被从价带激发到导带，使得电子空穴在价带中产生且电子由光电阳极142输出。由光电阳极142输出的电子可由外部发电电路150接收，从而在电路通路152中产生电流，使得在发电单元154中产生电力。电子空穴充当用于容纳在阳极侧流动通道122内的水被光催化氧化成氢离子(h⁺)和氧分子(o2)的活性位点，由化学方程式表示：h2o→2h⁺+1/2o2+2e^-。在一些实施例中，氧分子包括气态氧。

仍参考图1，电解质膜146包括固态质子传导电解质。举例来说，电解质膜146可包括117、聚苯并咪唑、聚醚聚合物，所述聚醚聚合物例如基于吡啶的聚醚聚合物，或固体酸，所述固体酸例如cshso4、cshseo4、rb3h(seo4)2、(nh4)3h(so4)2、k3h(so4)2等。电解质膜146在结构上被配置成在光电阳极142与阴极144之间提供质子通路145。在操作中，当容纳在阳极侧流动通道122内的水被光催化氧化成氧分子和氢离子时，氧分子可扩散通过氧扩散膜116且穿过氧输送通道126，而氢离子可沿着质子通路145穿过电解质膜146，从光电阳极142到阴极144。在一些实施例中，电解质膜146可在约25℃与约150℃之间的温度下操作(例如，提供质子通路145)，然而，应理解，涵盖任何操作温度。

阴极144包括贵金属、过渡金属或其一组合。在一些实施例中，阴极144包括一个或多个多孔的导电单个或混合金属氧化物，例如，in、sn、zn的氧化物等。阴极144在结构上被配置成接收来自由电解质膜146提供的质子通路145的氢离子、接收来自氧输送通道126的氧分子、接收来自外部发电电路150的电子以及通过氢离子和氧分子的还原而将氢离子、氧分子和电子电化学组合成重组水。重组水进入阴极侧流动通道124且被沿着重组水通道128从阴极侧流动通道124输送到阳极侧流动通道122以在连续闭合回路氧化/还原循环中重新使用。在一些实施例中，阴极144可在约25℃与约150℃之间的温度下操作，然而，应理解，涵盖任何操作温度。此外，因为阴极144并不包括半导体材料，所以电子空穴内部再组合不会在光催化电池140中发生，从而减少光催化电池140的降解和增大光催化电池140的效率和操作使用寿命。

在一些实施例中，光催化电池140的最大操作电位可在光电阳极142的带隙能量增大时增大。开路条件下的最大操作电位是阴极144的阴极反应电位与光电阳极142的阳极反应电位之间的差。举例来说，ocp＝pc-ppa，其中ocp是光催化电池140的最大操作电位，pc是阴极144的阴极反应电位且ppa是光电阳极142的阳极反应电位。在一些实施例中，pc是约1.23伏特，且ppa＝-(ebg/q-1.23v)，其中ebg是光电阳极142的带隙能量，且q是元电荷。因此，ocp＝pc-ppa可被重写为ocp＝ebg/q，其示出光催化电池140的最大操作电位与光电阳极142的带隙能量之间的正线性关系。

在一些实施例中，光催化电池140的太阳电池效率可通过增大光催化电池140的温度而增大。光催化电池140的太阳电池效率是ε＝εsεqεchem，其中εs是光催化电池140的太阳辐射效率，εq是光催化电池140的量子效率，且εchem是光催化电池140的氧化/还原循环的化学效率。太阳辐射效率εs是由光电阳极142接收的包括大于光电阳极142的带隙能量的光子能量的光子的百分比。量子效率εq是由光电阳极142接收的被转化成电流的光子的百分比。

此外，氧化/还原循环εchem的化学效率是使能量分配到产生的电子空穴的能量的水的比率，例如，εchem＝(ebg-e损耗)/ebg，其中e损耗＝e损耗，熵+e损耗，动力、e损耗，熵py是光催化电池140的熵损耗，且e损耗，动力是光催化电池140的动力损耗。此外，e损耗，熵＝tδsexc，其中t是光催化电池140的温度且δsexc是由当光电阳极142接收光电阳极激活辐射102时光电阳极142中的基态矩阵中的激发态的形成导致的熵增大。此外，e损耗，动力＝ηan+ηcath+irel，其中ηan是光电阳极142的过电位，ηcath是阴极144的过电位，且irel是电解质膜146的电阻电压降。

在操作中，温度与光催化电池140的el损耗，熵具有正线性关系，使得温度增大致使e损耗，熵的线性增大。此外，温度与光催化电池140的e损耗，动力具有负指数关系，使得温度增大致使e损耗，动力的指数减小。因此，温度增大由于elo损耗，动力的指数减小会减小光催化电池140的e损耗，使得温度增大会增大光催化电池140的太阳电池效率ε。在电解质膜146包括117的一个实例实施例中，从约25℃到约80℃的温度增大致使约75％的动力损耗(e损耗，动力)和约20％的熵损耗(e损耗，熵)增大，使得光催化电池140的总体损耗(e损耗)减小约55％。此外，在由光电阳极142吸收的所有光子被转化成电流的实施例中(例如，其中εq＝1)，光催化电池140的化学效率εchem是其中δgr是反应吉布斯自由能且n是每氧化/还原反应步骤的光子的数目。增大的温度会增大δgr，使得氧化/还原反应在更大温度下更容易地发生且允许使用在更大温度下具有更少ebg的光电阳极142。

再次参考图1，光催化发电系统100可进一步包括定位在太阳能外壳110内的太阳辐射热收集器170。在一些实施例中，太阳辐射热收集器170热耦合到光催化电池140，例如，热耦合到阴极144。太阳辐射热收集器170可包括附连到阴极144的多个多孔条带，例如，呈间断布置，使得阴极144的部分接触太阳辐射热收集器170而阴极144的部分直接暴露于阴极侧流动通道124。太阳辐射热收集器170在结构上被配置成吸收太阳辐射，且在吸收太阳辐射时温度增大，从而增大氧化/还原过程的化学效率和光催化电池140的总体太阳电池效率两者。太阳辐射热收集器170优选地由可经受在水环境中长时间操作、容易吸收太阳辐射和具有相对高的比热容和热导率的材料构造而成。举例来说，但不作为限制，预期太阳辐射热收集器170可由氧化铜、镀黑色铬镍的铜、黑色镍、氮氧化钛或其组合构造而成。

在操作中，太阳辐射热收集器170和光电阳极142可在结构上被配置成吸收包括至少部分地互斥的波长范围的太阳辐射，从而使光电阳极142和太阳辐射热收集器170两者同时吸收太阳辐射。举例来说，光电阳极142可在结构上被配置成吸收第一波长范围内的太阳辐射且太阳辐射热收集器170可在结构上被配置成吸收第二波长范围内的太阳辐射，所述第二波长范围与所述第一波长范围至少部分地互斥。此外，第一波长范围可包括大于第二波长范围内的波长的波长，使得光电阳极142吸收第二波长范围内的太阳辐射且可透射第一波长范围内的太阳辐射。这允许第一波长范围的太阳辐射穿过光电阳极142且到达太阳辐射热收集器170。

在一个实例实施例中，太阳辐射热收集器170包括红外加热层，所述红外加热层在结构上被配置成吸收包括红外波长范围(例如，介于约700nm与约3000nm之间)的太阳辐射且温度增大的太阳辐射，从而增大光催化电池140的太阳电池效率。在此实例中，光电阳极142可被配置成吸收可见光辐射、紫外辐射或两者，同时允许红外辐射穿过光电阳极142且到达太阳辐射热收集器170。

仍参考图1，光催化电池140可包括定位在光电阳极142上或定位在光电阳极142中的掺杂层160。在一些实施例中，掺杂层160包括光子上转换掺杂材料，所述光子上转换掺杂材料的特定组成和配置可从与光伏打装置中的光子上转换有关的常规或尚待建立的传授内容习得。举例来说，但不作为限制，预期光子上转换掺杂材料可包括掺杂e^r3+的nayf4、掺杂yb³⁺和er³⁺的nayf4、掺杂yb³⁺和er³⁺的la2o2s、德卟啉(txp)-敏化的红萤烯、融合二萘嵌苯的氟硼二吡咯或其一组合。掺杂有光子上转换掺杂材料的光电阳极142在结构上被配置成接收包括具有第一光子能量的第一光子和具有第二光子能量的第二光子的光电阳极激活辐射102且在结构上被配置成组合第一光子的能量和第二光子的能量以获得单个电子的激励。组合的光子能量可大于或等于光电阳极142的带隙能量，使得光电阳极142吸收组合的光子且输出可由150接收的电子，如先前所描述。通过将具有小于光电阳极142的带隙能量的光子能量的光子组合成具有大于或等于光电阳极142的带隙能量的光子能量的组合的光子，光电阳极142可吸收太阳光谱的更大部分且因此增大光催化电池140的效率。

在一些实施例中，掺杂层160包括光子下转换掺杂材料，所述光子下转换掺杂材料的特定组成和配置可从与光伏打装置中的光子下转换有关的常规或尚待建立的传授内容习得。举例来说，但不作为限制，预期光子下转换掺杂材料可包括掺杂dy³⁺的lavo4、掺杂dy³⁺的gdvo4、掺杂eu³⁺的ligdf4或其一组合。掺杂有光子下转换掺杂材料的光电阳极142在结构上被配置成接收包括第一光子的光电阳极激活辐射102，且在暴露于第一光子时，输出可由外部发电电路150接收的两个电子且产生两个电子空穴，使得容纳在闭合回路水室120内的水在每个电子空穴处氧化成氢离子和氧分子。

现在参考图2，光催化电池140可包括多个光电阳极142，例如，第一光电阳极142a、第二光电阳极142b和第三光电阳极142c。如图2中所描绘，多个光电阳极142可定位成堆叠布置。举例来说，第二光电阳极142b与第一光电阳极142a电化学接合且定位在第一光电阳极142a与电解质膜146之间。此外，第三光电阳极142c与第二光电阳极142b电化学接合且定位在第二光电阳极142b与电解质膜146之间。此外，外部发电电路150的电路通路152电耦合到第一光电阳极142a、第二光电阳极142b和第三光电阳极142c，使得由每个光电阳极142a、142b、142c产生的电子可由发电单元154接收。

现在参考图3，光催化电池140可包括多个光催化副电池141，所述多个光催化副电池141各自间隔开以在其间形成水副室180。举例来说，光催化电池140可包括：第一光催化副电池141a，其包含第一光电阳极142a、第一电解质膜146a和第一阴极144a；第二光催化副电池141b，其包含第二光电阳极142b、第二电解质膜146b和第二阴极144b；和第三光催化副电池141c，其包含第三光电阳极142c、第三电解质膜146c和第三阴极144c。应理解，涵盖任何数目的光催化副电池141。

如图3中所描绘，第二光催化副电池141b定位在第一光催化副电池141a与阴极侧流动通道124之间且与第一光催化副电池141a间隔开以在其间形成第一水副室180a。第三光催化副电池141c定位在第二光催化副电池141b与阴极侧流动通道124之间且与第二光催化副电池141b间隔开以在其间形成第二水副室180b。另外，第一电池壁118a和第二电池壁118b耦合到每个光催化副电池141。第一电池壁118a定位在光催化副电池141与重组水通道128之间且第二电池壁118b定位在光催化副电池141与氧输送通道126之间。每个水副室180a、180b容纳水且被包封在第一电池壁118a、第二电池壁118b与相邻光催化副电池141之间。此外，外部发电电路150的电路通路152电耦合到每个光催化副电池141的光电阳极142。

共同参考图2和3，第一光电阳极142a包括第一带隙能量且在结构上被配置成吸收第一波长范围内的光电阳极激活辐射102。第一波长范围内的光电阳极激活辐射102包括基本上等于或大于第一带隙能量的光子能量。第二光电阳极142b包括第二带隙能量且在结构上被配置成吸收第二波长范围内的光电阳极激活辐射102。第二波长范围内的光电阳极激活辐射102包括基本上等于或大于第二带隙能量的光子能量。第三光电阳极142c包括第三带隙能量且在结构上被配置成吸收第三波长范围内的光电阳极激活辐射102。第三波长范围内的光电阳极激活辐射102包括基本上等于第三带隙能量的光子能量。

第一光电阳极142a、第二光电阳极142b和第三光电阳极142c的带隙能量各自与第一光电阳极142a、第二光电阳极142b和第三光电阳极142c中的剩余光电阳极的带隙能量至少部分地互斥，使得第一、第二和第三波长范围中的每一个至少部分地互斥。包括各自具有至少部分地互斥的带隙能量的多个光电阳极142的光催化电池140可吸收比包括个别光电阳极142的光催化电池140更大波长范围的太阳光谱内的光子激活辐射102且可最小化光子能量热化损耗。另外，第一光电阳极142a、第二光电阳极142b和第三光电阳极142c可被布置成使得更接近输入窗口112定位的光电阳极142(例如，第一光电阳极142a)包括比更远离输入窗口112定位的光电阳极142(例如，第二光电阳极142b)更少的带隙能量，使得中间光电阳极142(更接近输入窗口112定位的那些)可透射后续光电阳极142(更远离输入窗口112定位的那些)在结构上被配置成吸收的波长范围的光电阳极激活辐射102。此外，应理解，虽然在图2和3中描绘了三个光电阳极142a、142b、142c，但在两个实施例中涵盖任何数目的光电阳极142。

再次参考图3，第一光催化副电池141a的第一电解质膜146a和第一阴极144a各自可透射至少在第一和第二波长范围内的光电阳极激活辐射102。此外，第二光催化副电池141b的第二电解质膜146b和第二阴极144b各自可透射第二波长范围内的光电阳极激活辐射102。实例光电阳极激活辐射可透射电解质膜146包含117和聚醚聚合物。实例光电阳极激活辐射可透射阴极144包含多孔的导电单个或混合金属氧化物，例如，in、sn、zn等的氧化物。

仍参考图3，在暴露于第一波长范围内的光电阳极激活辐射102时，第一光电阳极142输出可由外部发电电路150接收的第一电子且产生第一电子空穴，使得容纳在阳极侧流动通道122内的水在第一电子空穴处氧化成氢离子和氧分子。在暴露于第二波长范围内的光电阳极激活辐射102时，第二光电阳极142b输出可由外部发电电路150接收的第二电子且产生第二电子空穴，使得容纳在第一水副室180a内的水在第二电子空穴处氧化成氢离子和氧分子。此外，在暴露于第三波长范围内的光电阳极激活辐射102时，第三光电阳极142c输出可由外部发电电路150接收的第三电子且产生第三电子空穴，使得容纳在第二水副室180b内的水在第三电子空穴处氧化成氢离子和氧分子。

仍参考图3，第一电解质膜146a在结构上被配置成在第一光电阳极142a与第一阴极144a之间提供第一质子通路145a，第二电解质膜146b在结构上被配置成在第二光电阳极142b与第二阴极144b之间提供第二质子通路145b，且第三电解质膜146c在结构上被配置成在第三光电阳极142c与第三阴极144c之间提供第三质子通路145c。

此外，第一阴极144a在结构上被配置成接收来自第一质子通路145a的氢离子、接收由第二光电阳极142b在第一水副室180a中产生的氧分子、接收来自外部发电电路150的电子以及通过氢离子和氧分子的还原而将氢离子、氧分子和电子电化学组合成重组水。第二阴极144b在结构上被配置成接收来自第二质子通路145b的氢离子、接收由第三光电阳极142c在第二水副室180b中产生的氧分子、接收来自外部发电电路150的电子以及通过氢离子和氧分子的还原而将氢离子、氧分子和电子电化学组合成重组水。重组水保持在第一水副室180a和第二水副室180b两者中以在连续闭合回路氧化/还原循环中重新使用。

另外，第三阴极144c在结构上被配置成接收来自第三质子通路145c的氢离子、接收来自氧输送通道126的由第一光电阳极142a产生的氧分子、接收来自外部发电电路150的电子以及通过氢离子和氧分子的还原而将氢离子、氧分子和电子电化学组合成重组水。重组水进入阴极侧流动通道124且被沿着重组水通道128从阴极侧流动通道124输送到阳极侧流动通道122以在连续闭合回路氧化/还原循环中重新使用。

应注意，本文中以特定方式叙述本公开的组件为“配置”以体现特定属性，或以特定方式的函数为结构叙述，与既定用途的叙述相反。更具体来说，本文中提到其中组件为“配置”的方式表示组件的现有物理条件，且因此将被视为界定组件的结构特性的引述。

为了描述和界定本发明，应注意，术语“约”在本文中被利用来表示固有的不确定程度，其可归结为任何定量的比较、价值、测量或其它表示。术语“约”在本文中还被利用来表示在不导致在所关注的主题的基本功能变化的情况下，定量表示可从规定的参考变化的程度。

已详细且参考本公开的具体实施例描述本公开的主题，应注意，甚至在于伴随本描述的图式中的每一个中说明特定元件的情况下，本文中所公开的各种细节不应视为暗示这些细节涉及为本文中所描述的各种实施例的基本组件的元件。另外，很明显，在不脱离本公开的范围、包含但不限于所附权利要求书限定的实施例的情况下，修改和变化是可能的。更具体地说，尽管本公开的一些方面在本文中被识别为优选的或特别有利，但预期本公开不必限于这些方面。

应注意，以下权利要求书中的一项或多项利用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意，此术语在权利要求书中引入为开放的过渡短语，其用于引入结构的一系列特性的引述且应以与更多常用开放的前导术语“包括”相同的方式解释。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种光催化发电系统，其包括太阳能外壳、光电阳极、电解质膜、阴极、氧扩散膜和外部发电电路，使得在存在含有存在于所述太阳能外壳内的水蒸气的气态溶液的情况下由所述光电阳极接收到激活辐射时，所述光电阳极使所述水蒸气的至少一部分氧化以输出质子以及能够由所述外部发电电路接收的电子和电子空穴两者以产生氧分子，同时所述电解质膜在结构上被配置成提供在所述光电阳极与所述阴极之间的所述质子的通路以用于在所述阴极处重组合所述氧分子和所述质子，其中：

所述太阳能外壳包括能够透射光电阳极激活辐射的输入窗口；

所述太阳能外壳包括阳极侧和阴极侧；

所述光电阳极定位在所述太阳能外壳内的所述阳极侧处且电耦合到所述外部发电电路；

所述阴极定位在所述太阳能外壳内的所述阴极侧处且电耦合到所述外部发电电路；

所述电解质膜定位在所述光电阳极与所述阴极之间且与所述光电阳极和所述阴极电化学接合，从而形成光催化电池；

所述太阳能外壳包括闭合回路室，所述闭合回路室含有包括水蒸气的所述气态溶液，所述室具有定位在所述阳极侧处的阳极侧流动通道和定位在所述阴极侧处的阴极侧流动通道；

所述太阳能外壳包括重组水通道，所述重组水通道被配置成在所述阳极侧流动通道与所述阴极侧流动通道之间输送包括水蒸气的所述气态溶液的至少一部分；

所述太阳能外壳包括从所述阳极侧流动通道延伸到所述阴极侧流动通道的氧输送通道；且

所述氧扩散膜定位在所述阳极侧流动通道与所述氧输送通道之间且在结构上被配置成抑制所述气态溶液的在所述阴极处产生的水蒸气部分沿着所述氧输送通道从所述阴极侧流动通道流动到所述阳极侧流动通道以及准许所述气态溶液的在所述阴极处产生的水蒸气部分沿着所述重组水通道从所述阴极侧流动通道流动到所述阳极侧流动通道。

2.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其中包括水蒸气的所述气态溶液容纳在所述太阳能外壳的闭合回路水室内且所述光催化电池气密密封在所述太阳能外壳内。

3.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其中所述输入窗口定位在所述太阳能外壳的所述阳极侧处且能够透射光电阳极激活辐射。

4.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其进一步包括：

第一电池壁，其耦合到所述光催化电池且定位在所述光催化电池与所述重组水通道之间；和

第二电池壁，其耦合到所述光催化电池且定位在所述光催化电池与所述氧输送通道之间，其中所述氧扩散膜定位在所述第二电池壁与所述太阳能外壳之间且耦合到所述第二电池壁和所述太阳能外壳。

5.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其中所述光电阳极掺杂有光子上转换掺杂材料且在结构上被配置成(i)接收包括具有第一光子能量的第一光子和具有第二光子能量的第二光子的光电阳极激活辐射和(ii)组合所述第一光子能量和所述第二光子能量。

6.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其中所述光电阳极掺杂有光子下转换掺杂材料且在结构上被配置成(i)接收包括第一光子的光电阳极激活辐射，且在暴露于所述第一光子时输出能够由所述外部发电电路接收的两个电子和(ii)产生两个电子空穴，使得包括容纳在所述闭合回路室内的水蒸气的所述气态溶液的至少一部分在每个电子空穴处氧化成氢离子和氧分子。

7.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其进一步包括定位在所述太阳能外壳内的太阳辐射热收集器，其中：

所述输入窗口能够透射太阳辐射热收集器激活辐射；且

所述太阳辐射热收集器在结构上被配置成吸收太阳辐射，且在吸收太阳辐射时温度增大，从而增大所述光催化电池的化学效率。

8.根据权利要求7所述的光催化发电系统，其中所述光电阳极在结构上被配置成吸收第一波长范围内的太阳辐射且所述太阳辐射热收集器在结构上被配置成吸收第二波长范围内的太阳辐射，所述第二波长范围与所述第一波长范围至少部分地互斥。

9.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其进一步包括红外加热层，所述红外加热层在结构上被配置成吸收包括红外波长范围的太阳辐射的太阳辐射，且在吸收所述红外波长范围的太阳辐射时温度增大，从而增大所述光催化电池的化学效率，其中所述输入窗口能够透射红外加热层激活辐射。

10.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其进一步包括热耦合到所述阴极的太阳辐射热收集器，其中所述输入窗口能够透射太阳辐射热收集器激活辐射。

11.根据权利要求10所述的光催化发电系统，其中所述太阳辐射热收集器包括附连到所述阴极的呈间断布置的多个多孔条带。

12.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其中所述外部发电电路包括：

发电单元，其在结构上被配置成接收由所述光电阳极所输出的电子产生的电流，

且在接收到电流时产生电力；和

电路通路，其电耦合到所述光电阳极、所述发电单元和所述阴极。

13.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其中：

所述光电阳极包括第一光电阳极和第二光电阳极；且

所述第二光电阳极与所述第一光电阳极电化学接合且定位在所述第一光电阳极与所述电解质膜之间。

14.根据权利要求13所述的光催化发电系统，其中：

所述第一光电阳极在结构上被配置成吸收第一波长范围内的太阳辐射；且

所述第二光电阳极在结构上被配置成吸收第二波长范围内的太阳辐射，所述第二波长范围与所述第一波长范围至少部分地互斥。

15.根据权利要求13所述的光催化发电系统，其中所述光电阳极进一步包括第三光电阳极，所述第三光电阳极与所述第二光电阳极电化学接合且定位在所述第二光电阳极与所述电解质膜之间。

16.根据权利要求15所述的光催化发电系统，其中：

所述第一光电阳极在结构上被配置成吸收第一波长范围内的太阳辐射，所述第二光电阳极在结构上被配置成吸收第二波长范围内的太阳辐射，且所述第三光电阳极在结构上被配置成吸收第三波长范围内的太阳辐射；且

所述第一、第二和第三波长范围包括与所述第一、第二和第三波长范围中的剩余波长范围中的波长至少部分地互斥的波长。

17.根据权利要求1所述的光催化发电系统，其中所述光催化电池包括多个光催化副电池，所述多个光催化副电池各自包括光电阳极、电解质膜和阴极。

18.根据权利要求17所述的光催化发电系统，其中：

所述多个光催化副电池包括第一光催化副电池和第二光催化副电池；

所述第二光催化副电池定位在所述第一光催化副电池与所述阴极侧流动通道之间；且

所述第二光催化副电池与所述第一光催化副电池间隔开以在其间形成第一水副室。

19.根据权利要求18所述的光催化发电系统，其中所述第一光催化副电池能够透射波长范围内的太阳辐射；且

所述第二光催化副电池的光电阳极在结构上被配置成吸收所述波长范围内的太阳辐射。

20.根据权利要求18所述的光催化发电系统，其中所述多个光催化副电池包括第三光催化副电池，所述第三光催化副电池定位在所述第二光催化副电池与所述阴极侧流动通道之间且与所述第二光催化副电池间隔开以在其间形成第二水副室。

21.根据权利要求20所述的光催化发电系统，其中：

所述第一光催化副电池能够透射第一波长范围内的太阳辐射和第二波长范围内的太阳辐射两者，所述第二波长范围与所述第一波长范围至少部分地互斥；

所述第二光催化副电池能够透射所述第二波长范围内的太阳辐射；

所述第二光催化副电池的光电阳极在结构上被配置成吸收所述第一波长范围内的太阳辐射；且

所述第三光催化副电池的光电阳极在结构上被配置成吸收所述第二波长范围内的太阳辐射。

22.一种光催化发电系统，其包括太阳能外壳、光电阳极、电解质膜、阴极、氧扩散膜和外部发电电路，使得在存在含有存在于所述太阳能外壳内的水蒸气的气态溶液的情况下由所述光电阳极接收到激活辐射时，所述光电阳极使所述水蒸气的至少一部分氧化以输出质子以及能够由所述外部发电电路接收的电子和电子空穴两者以产生氧分子，同时所述电解质膜在结构上被配置成提供在所述光电阳极与所述阴极之间的所述质子的通路以用于在所述阴极处重组合所述氧分子和所述质子，其中：

所述太阳能外壳包括能够透射光电阳极激活辐射的输入窗口；

所述光电阳极定位在所述太阳能外壳内且电耦合到所述外部发电电路；

所述阴极定位在所述太阳能外壳内且电耦合到所述外部发电电路；

所述太阳能外壳包括闭合回路室，所述闭合回路室含有包括水蒸气的气态溶液，

所述室被配置成环绕所述光电阳极、所述阴极和所述电解质膜；

所述氧扩散膜定位在所述闭合回路室中且在结构上被配置成抑制所述气态溶液的水蒸气部分流动通过所述氧扩散膜以及准许氧分子流动通过所述氧扩散膜；

所述光电阳极在结构上被配置成接收光电阳极激活辐射，且在暴露于光电阳极激活辐射时输出能够由所述外部发电电路接收的电子且产生电子空穴，使得容纳在所述闭合回路室内的所述水蒸气的至少一部分在所述电子空穴处氧化成氢离子和氧分子；

所述电解质膜在结构上被配置成在所述光电阳极与所述阴极之间提供质子通路；

所述闭合回路室在结构上被配置成在氧分子穿过由所述氧扩散膜、光电阳极和所述阴极界定的路径时为所述氧分子提供通路；

所述阴极在结构上被配置成接收来自所述质子通路的所述氢离子、接收所述氧分子以及通过所述氢离子和所述氧分子的还原而将所述氢离子和所述氧分子组合成重组水；且

所述闭合回路室在结构上被配置成提供并不穿过所述氧扩散膜且在所述阴极与所述光电阳极之间延伸的重组水的通路。

23.一种光催化发电系统，其包括：

至少一个电池，其包括光电阳极、电解质膜和阴极；

太阳能外壳，其含有所述至少一个电池且包括：

输入窗口，其能够透射光电阳极激活辐射；

闭合回路室，其用于在邻近所述光电阳极形成的阳极侧流动通道与邻近所述阴极形成的阴极侧流动通道之间输送包括水蒸气的气态溶液，所述闭合回路室包括氧输送通道和重组水通道；和

氧扩散膜，其安置在所述闭合回路室的所述氧输送通道部分内以抑制所述气态溶液的在所述阴极处产生的水蒸气部分通过所述氧输送通道从所述阴极侧流动通道流动到所述阳极侧流动通道，同时准许所述气态溶液的在所述阴极处产生的水蒸气部分沿着所述重组水通道从所述阴极侧流动通道流动到所述阳极侧流动通道；和

和外部发电电路，其电耦合到所述至少一个电池，使得在通过所述输入窗口接收到光电阳极激活辐射时，所述光电阳极向所述外部发电电路输出电子且产生电子空穴以便使容纳在所述闭合回路室内的所述水蒸气的至少一部分在所述电子空穴处氧化成氢离子和氧分子，以便将已通过所述电解质膜穿过从所述光电阳极界定到所述阴极的通路的所述质子与已通过所述氧扩散膜和所述和所述氧输送通道穿过从所述光电阳极界定到所述阴极的通路的所述氧分子重组。