專利名稱：聚能催化制氫系統(tǒng)的制作方法
聚能催化制氫系統(tǒng)
背景技術：
光化學和光電化學電池具有從日光中提取能量的能力。通過通常通過制造 自由基來激發(fā)原子或分子并使之更具活性，該太陽能由此一旦被轉(zhuǎn)化為化學能 就可用于直接制氫。構建浸沒于電解液中的半導體電極(或光電陽極)和金屬 陰極，當光射到該電池時，落入電磁波譜特定范圍的一部分光被吸收到該半導 體材料中，使得光的能量轉(zhuǎn)移至拌導體中。 一旦吸收光，該電池產(chǎn)生能量，其 隨后用于電解水或其它富氫源。在水的例子中，如下反應所示，水通過在電極 處與自由空穴(2h+)反應被氧化以制造氫離子(#)和氧氣
如下反應所示，H+離子隨后M31陰極上的電子還原為氫以制造氫氣 2e +2H+(aq)=H2^)
光電化學與光化學領域的現(xiàn)狀是，由吸收的光制氫的效率低于10%。獸,
將制氫轉(zhuǎn)化效率比率提高至約30%的光電化學或光化學系統(tǒng)會是目前在制氫過
程中釋放溫室氣體的烴燃料處理系統(tǒng)的可行且成本有效的替代選擇。由于太陽 能電池能夠利用無污染可再生能源制造有用的能量，所以光電化學和光化學電 池系統(tǒng)已成為制氫領域的焦點。
發(fā)明簡述
太陽能驅(qū)動的制氫系統(tǒng)直接產(chǎn)生氫。該太陽能驅(qū)動的制氫系統(tǒng)包括至少一
個聚能器(concentrator).富氫源、催化層和氫分離膜。富氫源經(jīng)設置以接收由 聚能器收集的聚焦的日光，并直接接觸催化層。催化層由富氫源產(chǎn)生氫。氫分 離膜隨后分離在催化層制得的氫。
附圖
簡述
附圖為具有催化層的聚能催化制氫系統(tǒng)(concentrating catalytic hydrogen production system)的實施反方案的示意圖。
發(fā)明詳述
唯一的附圖為包括聚能器12a、 12b、 12c和12d，催化層14，富氫層16，氫分離膜18和氫出口 20的聚能催化制氫系統(tǒng)10的示意圖。制氫系統(tǒng)10使用 從聚能器12a-12d俘獲的太陽能來產(chǎn)生氫。聚能器12a-12d將日光S弓l至催化層 14，其由富難16產(chǎn)生氫。制氫系統(tǒng)10提供了高,生率，同時為在制氫期 間釋放溫室氣體的燃料處理系統(tǒng)的環(huán)境友好的替代選擇。
在運行中，垂直于入射陽光方向排列聚能器12a-12d，以便俘獲最大量的太 陽光線。聚能器12a-d通常設置在催化層14正上方，并具有將通過聚能器12a-12d 收集的陽光的高能量密度光束聚焦到催化層14的非成像光學器件。聚能器 12a-12d的光學設計能夠是將收集自陽光的太陽能聚集以達至ij一個太陽(one sun)至一萬個太陽(ten thousand suns)的聚集比(concentration ratio)的反射或 折射光學器件。另外，聚能器12a-12d可以包含濾光材料以基于催化層16的吸 光性過濾波長。盡管附圖描述了具有四個聚能器12a-12d的制氫系統(tǒng)10，但是 制氫系統(tǒng)10可以包含與產(chǎn)生在特定位置所需的合意量的氫氣所必需的那樣多的 聚能器。
由聚能器12a-d收集的光射入直接接觸富氫層16的催化層14中。催化層 14能夠是光催化劑、熱催化劑，或二者的結合，其包括由能夠捕獲寬范圍波長 并將其分別轉(zhuǎn)化為電能或熱能的多結光電化學或光化學電池。以光和熱的形式 收集的太陽能促進了將富氫層16中的成分轉(zhuǎn)化為氫所必需的光化學反應和/或 熱化學反應，或二者的結合。富氫層16可以是任何含氫的源，如水^t料?？?以使用有機染料、半導體、量子點、金屬氧化物、和金屬等任選他調(diào)整或增強 催化層14的吸光性。在一種實施方案中，催化層14為二氧化鈦。
—旦富氫層16中的成分已經(jīng)反應，且氫氣已經(jīng)從其它次級成分中分離，氫 分離膜18便將氫氣從次級成分中分離出來。氫分離膜18可以由各種膜材料構 成，這些膜材料包括但不限于無機膜、有機膜、陶瓷基膜、陶瓷或金屬載體 上的二氧化硅基膜、鈀膜、或鈀與其他金屬的二元、三元或四元結合的膜。當 氫從氫分離膜18中從次級成分中分離后，氫經(jīng)氫出口 20轉(zhuǎn)移至外部源供使用。 例如，氫可以被送往發(fā)動+滅燃料電池來發(fā)電。
以流動系統(tǒng)(flow system)的形式構建該催化制氫系統(tǒng)，雜產(chǎn)生氫時同時 使用氫分離膜將氫從次級成分中分離出來。該制氫系統(tǒng)通常包括多個便攜式聚 能器，其將光的高密度能量束捕獲并聚焦至與富氫源直接接觸的催化層，如光 電化學或光化學電池。催化層從富氫源中的次級成分中分裂出氫。然后氫分離膜將氫從次級成分(secondary components)中分離出來以直接制氫。氫可以隨 后被作為jt料使用。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考優(yōu)選實施方案進行了描述，本領域技術人員將認可在 不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出形式和細節(jié)上的改變。
權利要求
1. 太陽能驅(qū)動的制氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含用于收集和聚焦日光的至少一個聚能器；經(jīng)設置以接收由所述聚能器收集的日光的富氫源；用于產(chǎn)生氫的與所述富氫源直接接觸的催化層；和用于分離在所述催化層中產(chǎn)生的所述氫的氫分離膜。
2. 權利要求1所述的制氫系統(tǒng)，并進一步包含多個聚能器。
3. 權利要求1所述的制氫系統(tǒng)，其中所述催化層包含光催化劑。
4. 權利要求1所述的制氫系統(tǒng)，其中所述催化層包含熱催化劑。
5. 權利要求1所述的制氫系統(tǒng)，其中所述催化層包含光電化學電池。
6. 權利要求1所述的制氫系統(tǒng)，其中所述催化層包含光化學電池。
7. 權利要求1所述的制氫系統(tǒng)，其中所述氫分離膜將所述氫和所述富氫源 中的次級成分分離。
8. 用以從富氫源中直接制氫的聚能太陽能催化制氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 至少一個用于聚集日光的光學元件； 經(jīng)設置以從該光學透鏡接收聚集的日光的催化電池；禾口 用于從催化電池中產(chǎn)生的次級成分中分離出氫的氫分離設備。
9. 權利要求8所述的制氫系統(tǒng)，其中所述光學元件是用以將日光聚焦為高 密度能束的聚能器。
10. 權利要求8所述的制氫系統(tǒng)，并進一步包含多個光學元件。
11. 權利要求8所述的制氫系統(tǒng)，其中所述催化電池包含光催化抓熱催化 劑，或其結合。
12. 權禾腰求8所述的制氫系統(tǒng)，其中所述催化電池包含光電化學電池。
13. 權利要求8所述的制氫系統(tǒng)，其中所述催化電池包含光化學電池。
14. 權利要求8所述的制氫系統(tǒng)，其中所述氫分離裝置是氫分離膜。
15. 4頓太陽育g直接制氫的方法，該方 跑括 用多個聚能器捕獲日光；將捕獲的日光引至催化層并通過氫源來產(chǎn)生氫和次級成分；禾口 ,A^述次級成分中分離出氫。
16. 權利要求15所述的方法，其中用多個聚能M獲日光包括使用具有非 成像光學器件的聚能器。
17. 權利要求15所述的方法，其中弓l導捕獲的日光包括將高能量密度光束聚焦到所述催化層上。
18. 權利要求15所述的方法，其中所述催化層是光電化學電池或光化學電池。
19. 權利要求15所述的方法，其中所述催化層包含光催化劑、熱催化劑， 或其結合。
20. 權利要求15所述的方法，其中從所述次級成分中分離所述氫包括使用 氫分離膜。
全文摘要
太陽能驅(qū)動的制氫系統(tǒng)直接產(chǎn)生氫。該太陽能驅(qū)動的制氫系統(tǒng)包括至少一個聚能器、富氫源、催化層和氫分離膜。放置富氫源以接收由聚能器收集的聚焦的日光，并直接接觸催化層。催化層由富氫源產(chǎn)生氫。氫分離膜隨后分離在催化層制得的氫。
文檔編號C01B3/02GK101466633SQ200680052672
公開日2009年6月24日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權日2005年12月22日
發(fā)明者J·J·桑焦文尼, R·拉哈克里什南, T·H·范德斯普爾特 申請人:聯(lián)合工藝公司