ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА Российский патент 2024 года по МПК H01L31/04 C25B1/02 C25B11/32 C25B11/49 

Изобретение относится к различным отраслям, где осуществляется превращение солнечной энергии в электрическую: получение водорода электролизом воды, преобразование водорода в электроэнергию.

Увеличение глобального производства энергии для нужд человечества неизменно приводит к истощению различных ископаемых источников энергии. В связи с чем, возрастает роль альтернативных или возобновляемых источников энергии, интенсифицируются исследования таких источников энергии и их практического применения. Особое место уделяется исследованиям эффективности использования солнечной энергии. Прямое преобразование солнечного излучения в электроэнергию с помощью современных солнечных элементов уже приблизилось к своему возможному пределу эффективности. Однако получение экологически чистой электроэнергии с помощью солнечных батарей сопровождается проблемой, связанной с непостоянством солнечного излучения. Кроме того, возникла проблема накопления избыточной электроэнергии, генерируемой при максимальной интенсивности солнечной излучения, и ее использования при пиковых нагрузках. В качестве схемы накопления электроэнергии, как правило, рассматривается электролиз воды с целью получения кислорода и водорода, который является топливом для водородных топливных элементов. Такая схема (солнечный элемент–электролизер–топливный элемент) на протяжении долго времени рассматривалась как основа водородной энергетики.

Известно фотоэлектрохимическое устройство, содержащее фотокатод, выполненный из природного ильменита, а фотоанод – из продукта его выветривания – псевдорутила (патент RU 2105087).

Недостаток данного устройства заключается в том, что отсутствует возможность его использования в условиях отсутствия солнечного излучения.

Известна фотоэлектрохимическая ячейка – Photofuelcell, включающая в себя катод и анод с нанесенным фотокатализатором, расположенные в жидком электролите с добавлением различных органических добавок (глюкоза, аминокислоты, органические кислоты, спирты и др.). Под действием света и в присутствии фотокатализатора происходит окисление органических соединений и генерация электрического тока (патент JP2013098075A).

Недостатком данного устройства является отсутствие разделения анодного и катодного пространства, что не позволяет разделять фотоэлектрохимические процессы выделения кислорода и водорода, а, значит применять данную ячейку в качестве фотолектролизера с целью получения водорода. Кроме того, устройство не может генерировать электрический ток в отсутствии солнечного излучения.

Наиболее близким по техническому решению является фотоэлектрохимическая ячейка – Photofuelcell, включающая в себя катод и анод с нанесённым фотокатализатором, разделенные протонпроводящей полимерной мембраной. В анодное пространство заливается жидкофазное топливо органической природы, катодное пространство заполняется раствором кислого электролита. Протоны, образующиеся в процессе фотокаталитического окисления топлива, проводятся через протоннопроницаемую мембрану к катоду. Электроны, образующиеся при фотокаталитическом окислении топлива, перемещаются от анода к катоду по внешней цепи, генерируя тем самым электрический ток. При наличии протонов на катоде протекает окислительно-восстановительная реакция, при которой кислород восстанавливается электронами и превращается в воду (патент JP2009218080A).

Недостатком данного устройства является невозможность генерировать электрический ток и водород в отсутствии солнечного излучения.

Техническая задача данного изобретения заключается в разработке устройства фотоэлектрохимической ячейки, сочетающего функции солнечного элемента, электролизера и топливного элемента, производящего водород в режиме электролизера под действием солнечного излучения и генерирующего электрический ток в отсутствии солнечного излучения.

Поставленная задача достигается посредством предложенной конструкции фотоэлектрохимической ячейки, включающей электроды с нанесенным фотокатализатором, разделенные протонпроводящей полимерной мембраной. Конструкция дополнительно содержит электроактивный электрод, представляющий собой газодиффузионный слой с нанесенным каталитическим материалом – частицы платины на углеродной саже. Фотоактивный электрод представляет собой проводящее стекло с тонким слоем оксида олова, легированного фтором с нанесенным слоем фотокатализатора. Электроды размещены в общем корпусе, конструкция которого включает алюминиевые прижимные пластины с окном и без окна, графитовые пластины, снабженные штуцерами для подвода электролита и токосъемами и разделенные протонопроводящей полимерной мембраной, алюминиевые и графитовые пластины изолированы между собой прокладками, выполненными из электроизолирующего материала, при этом алюминиевая прижимная пластина с окном снабжена направляющими для сборки.

Существенным и новым в предложенной конструкции фотоэлектрохимической ячейки является то, что в одном устройстве сочетаются функции фотоэлектролизера для фотоэлектрохимической ячейки получения водорода и топливного элемента для генерации электрического тока, что обеспечивает возможность её использования в условиях отсутствия солнечного излучения.

Технический результат данного изобретения заключается в создании устройства, сочетающего функции фотоэлектролизера и топливного элемента, предназначенного для производства водорода под действием солнечного излучения в режиме электролизера и генерации электрического тока в отсутствии солнечного излучения.

На Фиг. 1 представлена конструкция устройства фотоэлектрохимической ячейки, где 1 –электроактивный электрод; 2 – фотоактивный электрод; 3 – графитовая пластина; 4 – штуцер для подвода электролита; 5 – токосъем; 6 – протонпроводящая полимерная мембрана; 7 – алюминиевая прижимная пластина с окном; 8 – алюминиевая прижимная пластина без окна; 9 – направляющие; 10 – изолирующая прокладка.

Устройство фотоэлектрохимической ячейки (Фиг. 1), предназначенное для работы в режиме фотоэлектролизера и в режиме топливного элемента, включает электроактивный электрод 1, представляющий собой газодиффузионный слой с нанесенным каталитическим материалом – частицы платины на углеродной саже, и фотоактивный электрод 2 в виде стекла с тонким слоем оксида олова, легированного фтором с нанесенным слоем фотокатализатора, размещенные в общем корпусе, конструкция которого включает графитовые пластины 3, снабженные штуцерами 4 для подвода электролита и токосъемами 5, разделенные между собой протонпроводящей полимерной мембраной 6, алюминиевые прижимные пластины с окном 7 для пропускания света к фотоактивному электроду и без окна 8, причем алюминиевая прижимная пластина с окном снабжена направляющими 9 для сборки ячейки, при этом алюминиевые прижимные пластины и графитовые пластины изолированы между собой прокладками, выполненными из электроизолирующего материала 10, а электроактивный и фотоактивный электроды помещены между графитовыми пластинами и упомянутыми электроизолирующими прокладками.

При работе фотоэлектрохимической ячейки в режиме фотоэлектролизера применяется раствор SO₃^2-/SO₄^2-электролита, содержащего катионы щелочного металла концентрацией 1 моль/л. На фотоактивном электроде под действием солнечного излучения происходит генерация электронов (e^-) и дырок (h⁺), их разделение, а также процесс окисления воды с образованием кислородсодержащих соединений и протонов водорода. Электроны от фотоактивного электрода направляются к электроактивному электроду. Протоны через протонпроводящую полимерную мембрану также направляются к электроактивному электроду, где протекает процесс их восстановления до водорода.

При работе фотоэлектрохимической ячейки в режиме топливного элемента применяется раствор SO₃^2-/SO₄^2-электролита, содержащего катионы щелочного металла, концентрация 1 моль/л, с добавлением органической составляющей, например, метанол или этанол, или глюкоза. Концентрация органической составляющей - 1 моль/л. На фотоактивном электроде без воздействия солнечного излучения протекает процесс окисления органического соединения с образованием протонов и электронов. Электроны по внешней цепи направляются к электроактивному электроду, создавая тем самым электрический ток. Протоны через протонпроводящую полимерную мембрану направляются к электроактивному электроду, где протекает процесс восстановления кислорода до воды.

Изобретение относится к устройствам для превращения солнечной энергии в электрическую. Фотоэлектрохимическая ячейка содержит электроактивный электрод и фотоактивный электрод, размещенные в общем корпусе, конструкция которого включает графитовые пластины, снабженные штуцерами для подвода электролита и токосъемами, разделенные между собой протонпроводящей полимерной мембраной, алюминиевые прижимные пластины с окном для пропускания света к фотоактивному электроду и без окна. Алюминиевые прижимные пластины и графитовые пластины изолированы между собой прокладками. Электроактивный и фотоактивный электроды помещены между графитовыми пластинами и упомянутыми прокладками. Фотоэлектрохимическая ячейка сочетает функции фотоэлектролизера и топливного элемента, предназначенного для производства водорода под действием солнечного излучения в режиме электролизера и генерации электрического тока в отсутствие солнечного излучения. 1 ил.

Фотоэлектрохимическая ячейка, содержащая электроактивный электрод, представляющий собой газодиффузионный слой с нанесенным каталитическим материалом – частицы платины на углеродной саже, и фотоактивный электрод в виде стекла с тонким слоем оксида олова, легированного фтором с нанесенным слоем фотокатализатора, размещенные в общем корпусе, конструкция которого включает графитовые пластины, снабженные штуцерами для подвода электролита и токосъемами, разделенные между собой протонпроводящей полимерной мембраной, алюминиевые прижимные пластины с окном для пропускания света к фотоактивному электроду и без окна, причем алюминиевая прижимная пластина с окном снабжена направляющими для сборки ячейки, при этом алюминиевые прижимные пластины и графитовые пластины изолированы между собой прокладками, выполненными из электроизолирующего материала, а электроактивный и фотоактивный электроды помещены между графитовыми пластинами и упомянутыми электроизолирующими прокладками.