辐射辅助电解槽单元和组制造技术

一种用于高效产生氢的辐射辅助(通常为太阳能辅助)电解槽单元和组，其包括光电极(1)和电极对(2，3)，其中所述光电极(1)包括电耦合至与阳极(3)共用的阴极(2)的光阳极，或者电耦合至与阴极共用的阳极的光阴极；电解质；气体隔膜；全部在由所述共用阴极(2)或共用阳极分成两个腔室(7A，7b)的容器(9)内，并且容器(9)的至少一部分(10)对于所述光阳极(1)(或光阴极)所需的电磁辐射是可透过的，以向共用阴极(2)(或阳极)施加增加电解电流和氢产生的光电压。(或阳极)施加增加电解电流和氢产生的光电压。(或阳极)施加增加电解电流和氢产生的光电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】辐射辅助电解槽单元和组


[0001]本专利技术涉及一种用于有效产生例如氢的辐射辅助电解槽，其包括(i)至少光阳极、阴极和阳极，或(ii)至少光阴极、阳极和阴极，和容器，该容器在情况(i)中被所述阴极或在情况(ii)中被所述阳极分成至少两个分开的腔室，并且进一步地，其中所述腔室进一步容纳至少一种电解质、至少一种气体隔膜和至少一种光阴极、光阳极、阳极或阴极，并且所述容器的至少一部分对于所述光阳极或光阴极所需的电磁辐照是可透过的，从而是在电学上光活性的，使得当所述光阳极被辐照并且电连接至所述阴极同时在所述阴极与所述阳极之间施加电势时，或者当所述光阴极电连接至所述阳极同时在所述阳极与所述阴极之间施加电势时，所述电解质以比没有所述被辐照的光阳极或光阴极所获得的电解速率更高的电解速率电解成至少两种气态产物。

技术介绍

[0002]如本领域中熟知的，采用碱性或聚合物电解质膜或质子交换膜(P.E.M.)电解槽的电解可以采用多种电极和多种电解质以产生多种化学产物。在一个实例中，在固体或含水电解质中由气体隔膜或P.E.M.分开的阳极与阴极之间施加的电势在阴极处产生氢，并且通常在阳极处产生氧(取决于所施加的电势、电极和电解质)。出于产生氢的目的，后者的氧产生是伴生的能量损失。此外，氧产生的反应速率比氢产生慢得多，并且因此反应的电解速率和氢的流量受氧产生速率的控制和限制。因此，可以实现的用以增加氧反应速率的任何事物也将提高电解效率和氢产生的速率。电解效率是重要的，因为通过电解产生的产物诸如氢的主要成本是所需电力的高成本。此外，期望更高的电解效率以减少氢和其他电解产物产生中的碳足迹。来自“电网”的电力一般具有0.6千克(kgs)/千瓦时电能的碳足迹(这是全国平均值，根据州更高或更低)。因此减少电能降低了氢和其他电解产物的成本和碳足迹。
[0003]尽管可能难以实现对影响电解槽设计、操作和效率的经常竞争的细微差别和因素的全面理解，但是电解在其基本操作方面是非常简单的：负电极和正电极在电解质中间隔开，该电解质可以是酸性、碱性或离子流体、或固体P.E.M.。当在含水碱性电解质中跨电极施加电势时，负电极M以电化学方式产生氢氧根离子OH
‑
：
[0004]M+H2O+e
‑
←→
M+OH
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0005]负电极(或阴极)反应是可逆的。
[0006]在电解槽的正电极(或阳极)发生的反应(针对氢氧化镍阳极的实例示出)：
[0007]Ni(OH)2+OH
‑
←→
NiOOH+H2O+e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0008]因此，碱性电解槽中氢氧化镍正电极的氢产生过程由以下等式控制：
[0009]Ni(OH)2+OH
‑
→
NiOOH+H2O+e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0010]正电极的氢产生效率或电解效率和正电极材料的利用受能量
‑
伴生的氧析出过程影响，该过程受以下反应控制：
[0011]2OH
‑
→
H2O+1/2O2+2e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0012]在电解期间，在该情况下出于产生氢的目的而施加至电解槽的一部分电流反而被
氧析出反应(4)消耗。等式(4)的氧气析出是不期望的，因为它促成更低的氢产生速率。
[0013]两种反应(氧和氢析出)同时发生的一个原因是它们的电化学电势值非常接近。可以实施的用以加大它们之间的差距、降低反应(3)中的镍(或阳极)电化学电势或提高氧析出反应(4)的电化学电势的任何事物都将导致更高的氢产生速率。而且虽然此处的焦点是电解，但将看到，提高氧反应速率对于其他电化学装置，诸如电池和燃料电池，也将是有益的。值得注意的是，氧析出反应(4)的电化学电势也称为氧析出电势。第6,017,655号美国专利是一种通过将公开的添加剂用于氢氧化镍阳极来加大该差距的尝试。
[0014]本文所公开的另一种方式是通过添加与阳极共用的阴极相对的光催化阳极或光阳极以帮助在阳极处用太阳光产生氧，使得其具有更快的反应速率和对氢产生的伴生影响更小，其中所述阴极设置在光阳极与阳极之间并且密封至电解槽容器以防止离子在光阳极与阳极之间的伴生流动。当被半导体光阳极所需的能量hν的光活化(其中h是普朗克常数并且ν是该光的频率)并电连接至共用阴极时，光阳极在其与阴极之间产生光电压电势，这进而等量降低了阴极与阳极之间所需的电化学电势，同时产生氧并在阴极处产生氢。通常，光阳极(以及还有光阴极)是半导体、改性半导体、或呈单片形式的半导体化合物、或单片形式上的糊(paste)，其吸收光的光子并随后将其转化成表面电荷对，该表面电荷对可以直接电解水或降低电解通常所需的电压。理想地，这种半导体光阳极具有与氢析出电势、氧析出电势或二者重叠的导电和价带边缘。如果两者都有，则当光阳极被照射时发生自发的水电解；这被称为光解。否则，即使偏置电压或过电势电压可能显著小于理论上的1.48VDC电解电势，仍需要偏置电压或过电势电压来通过弥合(bridging)任一带边缘与其各自的析出电势之间的差距来引发电解，在该情况下，该方法称为光电化学产生氢。例如，Guerra的第7,485,799号美国专利和Guerra等人的第8,673,399号美国专利公开了光阳极，其中纳米结构使半导体诸如二氧化钛(二氧化钛(titania)或TiO2))应变，使得半导体的带隙被改变以有利地吸收更多的太阳光谱，并且还使得带边缘更有利地与氢和/或氧析出电势匹配。
[0015]因此，当用具有能量hν的光照射时，半导体光阳极大大降低或甚至消除了所需的施加电势(或电压)，因为带边缘接近氧和/或氢析出电势或与其重叠。光能量的吸收在半导体表面(SC)处形成电子(e
‑
)和空穴(p+)的电荷对，如以下(5)中。
[0016]hν+SC
→
(e
‑
+p
+
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0017]除了电子和正电荷来自光与半导体光阳极的相互作用而不是来自外部施加的电势之外，可以看到氧析出的控制反应(6)与以上用于常规阳极的(4)相同：
[0018]2p
+
+2OH
‑
→
H2O+1/2O2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0019]半导体光阳极和光阴极电极的特征在于它们是二极管，并且更具体地，它们因此是光电二极管，这对于本文所公开的本专利技术是非常重要的。光阳极仅可以在这样的情况下发挥产生光电压的功能，即光阳极电连接至阴极，该阴极进而电连接至直流(D.C.)电源的负端，并且相反地，光阴极必须电连接至阳极，该阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电解槽单元，其包括：a.能够保留液体电解质的容器；b.光电极、第一电极和第二电极，其中(i)所述光电极是光阳极，所述第一电极是阴极，并且所述第二电极是阳极，或者(ii)所述光电极是光阴极，所述第一电极是阳极，并且所述第二电极是阴极，所述第一电极将所述容器分成各自能够保留液体电解质的分开的第一腔室和第二腔室，所述光电极设置在所述第一腔室中，并且所述第二电极设置在所述第二腔室中；c.所述容器允许射在其上的至少一部分辐射到达所述光电极；d.所述容器具有被布置成用以去除在所述第一电极处产生的气体的第一孔和被布置成用以去除在所述第二电极和/或所述光电极处产生的气体的至少一个第二孔；e.所述光电极电连接至所述第一电极，以及电压源，其被布置成用以提供所述第一电极与第二电极之间的电压差。2.权利要求1所述的电解槽单元，其进一步包括设置在所述光电极与所述第一电极之间的所述第一腔室内的第一气体隔膜、以及设置在所述第一电极与所述第二电极之间的所述第二腔室内的第二气体隔膜，所述第一气体隔膜和第二气体隔膜防止气泡经由其通过，但允许电流经由其通过。3.权利要求1所述的电解槽单元，其中所述光电极装备有遮板或孔。4.权利要求1所述的电解槽单元，其中所述光电极吸收达到至少近红外的辐射，从而具有加热所述容器中的电解质的能力。5.权利要求1所述的电解槽单元，其进一步包括布置成将辐射引导到所述光电极上的呈菲涅耳透镜或圆柱形反射器的形式的光学辐照聚集器。6.权利要求1所述的电解槽单元，其中所述光电极和第二电极各自具有它们自己的导电电极基底，其包含钛、镍、碳或石墨中的一种或多种。7.权利要求1所述的电解槽单元，其中所述第一电极和第二电极之一包含在镍上或在不锈钢上的氢氧化镍、在钛上的混合金属氧化物(MMO)、在钛上的镀覆的镍或氢氧化镍膜、在钛上或在不锈钢上的镍或氢氧化镍粒子。8.权利要求2所述的电解槽单元，其中所述气体隔膜包括聚烯烃的非织造毡。9.权利要求2所述的电解槽单元，其中处理所述气体隔膜的表面以防止或减少气泡粘附至其上。10.权利要求1所述的电解槽单元，其中所述光电极包含以下中的至少一种：(1)被染色以吸收光的二氧化钛，其吸收的光超出通常被二氧化钛吸收的光，(2)掺杂有氮、碳、硅、或其他元素的二氧化钛，(3)钛酸锶，(4)二氧化钛和钛与钨或氧化钨、硫化镉、铁或铁的氧化物或硅的化合物和合金，(5)用保护性镍表面粒子引晶的硅，(6)二氧化钛的纳米管，其进一步包含如以上所...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：奈诺普特科公司，
类型：发明
国别省市：