專利名稱：制氫反應(yīng)器及系統(tǒng)和集氣方法、光氫能轉(zhuǎn)化效率測量系統(tǒng)及光氫能/光電轉(zhuǎn)化效率測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制氫反應(yīng)器，其適于通過光電化學(xué)制氫反應(yīng)分解水來制 氫。本發(fā)明還涉及一種制氫反應(yīng)系統(tǒng)、光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量方法、光氫能 轉(zhuǎn)化效率在線測量系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)化效率在線測量方法和分開收集光電化學(xué)制氬 反應(yīng)器中生成的氫氣和氧氣的方法。
背景技術(shù)：
目前利用太陽光分解水制備氬從而獲得清潔燃料的主要方法有(1 )光 電化學(xué)法(Photoelectrochemical Cell, PEC),通過光半導(dǎo)體材料吸收光能 產(chǎn)生電子-空穴對，分別在兩電極分解水；(2)半導(dǎo)體光催化法；(3)均相 光助絡(luò)合法，利用金屬配合物組成的氧化還原系統(tǒng)吸收光分解水。在這些方法 中，光電化學(xué)制氫是目前公認的比較有前途的一種方法。光電化學(xué)制氬系統(tǒng)是 將半導(dǎo)體材料作為光陽極(簡稱陽極)(工作電極)，以貴金屬或貴金屬氧
化物等材料作為陰極(對電極)組成的電化學(xué)系統(tǒng)。陰極和陽極之間用質(zhì)子交 換膜(PEM)隔開。光在陽極上被吸收，然后電子在陽極材料內(nèi)由價帶躍遷到 導(dǎo)帶，最后被轉(zhuǎn)移到陰極，最后陰極附近的質(zhì)子被轉(zhuǎn)移過來的電子所還原生成 氫氣。
仍然需要開發(fā)一種能夠在線測試光氫能轉(zhuǎn)化效率的方法，以更好地控制光 氫能轉(zhuǎn)化過程。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種在線測量光氫能轉(zhuǎn)化效率的方法，其能 夠用于控制光氫能轉(zhuǎn)化過程。
通過深入細致的研究，本發(fā)明的發(fā)明人設(shè)計了一種光電化學(xué)制氫反應(yīng)器， 該反應(yīng)器適于在線測試光氫能轉(zhuǎn)化效率，從而能夠為光電化學(xué)制氫提供可靠有效的技術(shù)參數(shù)，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)對光電化學(xué)制氫的有效控制。
從而，本發(fā)明的第一個方面，提供了一種光電化學(xué)制氫反應(yīng)器，其包括 用于容納電解質(zhì)溶液的密封的反應(yīng)容器 ；
至少一部分由質(zhì)子交換膜構(gòu)成的隔板，其位于反應(yīng)容器內(nèi)并且用于將反應(yīng) 容器分成用于生成氧氣的第一反應(yīng)室和用于生成氫氣的第二反應(yīng)室； 參比電極，其位于第一反應(yīng)室內(nèi)； 其特征在于，所述反應(yīng)器還包括 與第 一反應(yīng)室相連的第 一 電解質(zhì)溶液注入口 ； 與第二反應(yīng)室相連的第二電解質(zhì)溶液注入口；
位于第一反應(yīng)室中的至少一個第 一固定裝置(優(yōu)選卡槽)，用于固定陽極； 位于第二反應(yīng)室中的至少一個第二固定裝置(優(yōu)選卡槽)，用于固定陰極； 與第一反應(yīng)室連接的第一儲氣裝置；和 與第二反應(yīng)室連接的第二儲氣裝置。
本發(fā)明的第二個方面，提供了一種光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括
光強測試裝置，用于測量照射到由前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器 的所述至少 一 個第 一 固定裝置固定的陽極上的光的強度；
氣相色譜，其與第一或第二儲氣裝置相連，用于在線分析儲氣裝置中氫氣 或氧氣的量；和測壓計，其與第一或第二儲氣裝置相連，用于測量整個體系的壓強。 本發(fā)明的第三個方面，提供了一種光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量方法，其特征
在于，該方法包括
測量照射到由前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第
一固定裝置固定的陽極上的光的強度，并由此計算整個測量時間內(nèi)照射在陽極
上的光子的摩爾數(shù)；
單獨收集由光電化學(xué)制氫反應(yīng)器產(chǎn)生的氫氣；
利用氣相色譜在線分析在所述測量時間內(nèi)收集的氬氣的量；
根據(jù)如下公式計算光氫能轉(zhuǎn)化效率r|尸2Mh2/M沖。
式中，m為光氫能轉(zhuǎn)化效率，MH2為由所述測量時間內(nèi)產(chǎn)生氫氣的摩爾數(shù),
Mph。為所述測量時間內(nèi)照射在所述陽極上的光子的摩爾數(shù)。
本發(fā)明的第四個方面，提供了一種光電轉(zhuǎn)化效率在線測量方法，其特征在 于，該方法包括
測量某段測量時間內(nèi)照射到由前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的 所述至少一個第一固定裝置固定的陽極上的光子的摩爾數(shù)； 測量在所述測量時間內(nèi)流過外電路的電子的摩爾數(shù)； 根據(jù)如下公式計算光電轉(zhuǎn)化效率 r| 2= Me/Mph。
式中，ri2為光電轉(zhuǎn)化效率，Ms為所述測量時間內(nèi)流過外電路的電子的摩 爾數(shù)，M一為所述測量時間內(nèi)照射在所述陽極上的光子的摩爾數(shù)。
本發(fā)明的第五個方面，提供了一種光電化學(xué)制氫系統(tǒng)，其包括前述第一個 方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器和第二個方面的光氬能轉(zhuǎn)化效率在線測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的第六個方面，提供了一種分開收集光電化學(xué)制氫反應(yīng)器中生成的 氫氣和氧氣的方法，該方法包括
對前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器進行抽真空處理，以隔絕空氣；
利用抽真空形成的負壓向反應(yīng)器中注入電解質(zhì)溶液；
對由前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第一固定裝 置固定的陽極進行光照進行光電化學(xué)制氫反應(yīng)以將水分解成氫氣和氧氣；和
將氧氣和氬氣分別收集到第一儲氣裝置和第二儲氣裝置中。
本發(fā)明中，反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氧氣和氫氣可進行分開收集，這樣保證了所收 集氫氣與氧氣的純度，并且可通過氣相色譜來在線分析產(chǎn)生的氫氣與氧氣的 量，在此基礎(chǔ)上可測試體系的光電化學(xué)制氫轉(zhuǎn)化效率


圖1為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的光電化學(xué)制氫系統(tǒng)的示意圖。 圖2為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的示意圖。 圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的氫氣儲氣裝置的示意圖。
具體實施例方式
除非另外指明，本發(fā)明中
術(shù)語"光氫能轉(zhuǎn)化效率"是指在光電化學(xué)制氫中光能轉(zhuǎn)化為氫能的效率， 如果是單色光的轉(zhuǎn)化效率，也叫做量子效率rh。
術(shù)語"光電轉(zhuǎn)化效率"是指光電化學(xué)制氫中，光能轉(zhuǎn)化為電能的效率1！
術(shù)語"質(zhì)子交換膜，，是指只允許質(zhì)子通過的有機聚合物薄膜。 術(shù)語"電化學(xué)工作站"是指可對陽極材料進行電化學(xué)分析的儀器，也可 作為外加電源^吏用。
術(shù)語"析氫反應(yīng)"是指在陰極電子還原質(zhì)子產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)。
術(shù)語"析氧反應(yīng)"是指在陽極，水分子或氫氧根離子被氧化為氧氣的反應(yīng)。
術(shù)語"陽極薄膜材料"是指在電解質(zhì)溶液中，經(jīng)光照可析出氧氣的半導(dǎo) 體薄膜材料。
術(shù)語"陰極薄膜材料"是指在光電化學(xué)制氫反應(yīng)中，可析出氫氣的薄膜 材料。
本發(fā)明提供了一種光電化學(xué)制氫反應(yīng)器，其包括 用于容納電解質(zhì)溶液的密封的反應(yīng)容器；
至少一部分由質(zhì)子交換膜構(gòu)成的隔板，其位于反應(yīng)容器內(nèi)并且用于將反應(yīng) 容器分成彼此不透氣的用于生成氧氣的第一反應(yīng)室和用于生成氫氣的第二反 應(yīng)室；
參比電極，其位于第一反應(yīng)室內(nèi)； 其特征在于，所述反應(yīng)器還包括 與第一反應(yīng)室相連的第一電解質(zhì)溶液注入口； 與第二反應(yīng)室相連的第二電解質(zhì)溶液注入口 ； 位于第一反應(yīng)室中的至少一個第一固定裝置，用于固定陽極； 位于第二反應(yīng)室中的至少一個第二固定裝置，用于固定陰極； 與第一反應(yīng)室連接的第一儲氣裝置；和與第二反應(yīng)室連接的第二儲氣裝置。
根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，所述第一和第二電解質(zhì)溶液注入口位于所述反 應(yīng)容器的底部。
根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，所述第一固定裝置和第二固定裝置中至少之一 為卡槽，更優(yōu)選都為卡槽。
根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，所述第 一儲氣裝置和第二儲氣裝置中至少 一個 為管狀，更優(yōu)選都為儲氣管形式。
根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，在本發(fā)明反應(yīng)器中，在第一反應(yīng)室中進行析氧 反應(yīng)，在第二反應(yīng)室中進行析氫反應(yīng)，兩個室中間用質(zhì)子交換膜(PEM)隔開。 在兩個反應(yīng)室的底面分別設(shè)置有卡槽，由陽極薄膜材料制成的陽極和由陰極薄 膜材料制成的陰極可分別插在卡槽中，這樣更有利于陽極和陰極的更換。連接 陽極和陰極的導(dǎo)線分別通過中間穿孔的橡膠塞連到外面。第一和第二反應(yīng)室通 過塑料真空管分別與第一和第二儲氣管相連( 一個儲存氫氣， 一個儲存氧氣)。 另外在兩個室的底部分別設(shè)置一個電解質(zhì)溶液注入口 ，兩個電解質(zhì)溶液注入口 分別通過吸液管與電解質(zhì)溶液儲罐連接，在反應(yīng)器負壓情況下電解質(zhì)溶液可通 過吸液管直接吸入兩個反應(yīng)室內(nèi)。這樣既保證了電解質(zhì)溶液內(nèi)盡可能沒有氧氣 分子的存在又保證了整個反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)沒有氧氣分子的存在。儲氣管在本發(fā)明 中起到臨時儲存氣體的作用，這樣可為而后進行的氣體分析做準(zhǔn)備，儲氣管共 有五個接口，分別和反應(yīng)器、機械真空泵、氣相色譜、氬氣瓶、以及圓底燒瓶 相連。經(jīng)機械真空泵抽真空后可將氬氣通入其中作為保護氣體。并且在反應(yīng)器 中生成的氣體首先在儲存管中被儲存起來，然后通過氣相色譜來分析氣體的成 分以及摩爾數(shù)，進而為計算光轉(zhuǎn)化效率提供實驗數(shù)據(jù)。為了保證電解質(zhì)溶液內(nèi)
盡可能沒有氧氣分子的存在，可以通過如下方式實現(xiàn)向電解質(zhì)溶液中不斷沖 入氬氣，利用氬氣將電解質(zhì)溶液中的氧氣分子沖出，然后由機械泵抽取真空， 而后充入一定量的氬氣作為保護氣體，最后將電解質(zhì)溶液直接導(dǎo)入反應(yīng)器中。 在本發(fā)明的反應(yīng)器內(nèi)，氬氣和氧氣可分開進行收集。在反應(yīng)器的兩個室內(nèi) 分別安裝有卡槽，在反應(yīng)室的底部分別有一個電解質(zhì)溶液注入口，在反應(yīng)室的 上部分別有一個氣體出口，所述出口分別與一個儲氣管連接。使用時，將陽極 與陰極材料分別插在反應(yīng)器兩側(cè)的卡槽內(nèi)并將反應(yīng)器用蓋子封好，然后對反應(yīng)器抽取真空后注入電解質(zhì)溶液(在吸管接口位置注入)，將已知光強的光從左 邊照射到陽極材料上，并記錄下此時陽極材料的受光面積，然后對產(chǎn)生的氫氣 與氧氣進行收集。
根據(jù)某些實施方案，本發(fā)明光電化學(xué)制氫反應(yīng)器還包括由所述至少一個第 一固定裝置固定的陽極和由所述至少一個第二固定裝置固定的陰極。
本發(fā)明還提供了 一種光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括
光強測試裝置，用于測量照射到由前述第 一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器
的所述至少一個第一固定裝置固定的陽極上的光的強度；
氣相色譜，其與第一或第二儲氣裝置相連，用于在線分析儲氣裝置中氬氣 或氧氣的量；和
測壓計，其與第一或第二儲氣裝置相連，用于測量整個體系的壓強。 根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量系統(tǒng)還包括為
光電化學(xué)制氫提供外加偏電壓的電源。例如電化學(xué)工作站，用于提供加偏壓并
記錄流過外電路的電流大小。
本發(fā)明還提供了一種光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量方法，其特征在于，該方法
包括
測量照射到由前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第 一固定裝置固定的陽極上的光的強度，并由此計算整個測量時間內(nèi)照射在陽極 上的光子的摩爾數(shù)；
單獨收集由光電化學(xué)制氫反應(yīng)器產(chǎn)生的氫氣；
利用氣相色譜在線分析在所述測量時間內(nèi)收集的氫氣的量；
根據(jù)如下公式計算光氫能轉(zhuǎn)化效率
ri產(chǎn)2MH2/Mph。
式中，rh為光氫能轉(zhuǎn)化效率，MH2為由所述測量時間內(nèi)產(chǎn)生氫氣的摩爾數(shù) (例如，可由圖1中的氣相色譜21測得)，Mph。為所述測量時間內(nèi)照射在陽極 上的光子的摩爾數(shù)(例如，可由圖1中的測量光強的照度計15測得)。
本發(fā)明還提供了一種光電轉(zhuǎn)化效率在線測量方法，其特征在于，該方法包
括
測量某段測量時間內(nèi)照射到由前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第一固定裝置固定的陽極上的光子的摩爾數(shù)； 測量在所述測量時間內(nèi)流過外電路的電子的摩爾數(shù)； 根據(jù)如下公式計算光電轉(zhuǎn)化效率 ri 2= Me/Mph。
式中，ri2為光電轉(zhuǎn)化效率，M。為流過外電路的測量時間內(nèi)電子的摩爾數(shù) (例如，由通過圖1中的恒電位儀9測得的外電流的大小獲得)，M一為測量 時間內(nèi)照射在所述陽極上的光子的摩爾數(shù)(例如，由圖1中的測量光強的照度 計15測得)。
根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明光電轉(zhuǎn)化效率在線測量方法中，所述光 子的摩爾數(shù)是通過照度計測得的。
根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明光電轉(zhuǎn)化效率在線測量方法中，所述流 過外電路的電子的摩爾數(shù)是通過測量流過外電路的電流大小計算得出的。
本發(fā)明還提供了 一種光電化學(xué)制氫系統(tǒng)，其包括前述光電化學(xué)制氫反應(yīng)器 和前述光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量系統(tǒng)。
根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明光電化學(xué)制氫系統(tǒng)包括 一個光電化學(xué) 制氫反應(yīng)器(其帶有兩個儲氣管)， 一臺氙燈， 一臺電化學(xué)工作站、 一臺照度 計、 一臺氣相色譜儀、 一臺真空機械泵、 一臺壓力表，以及幾個作為連接用的 塑料真空管和銅管等設(shè)備。
根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明光電化學(xué)制氫系統(tǒng)中氣相色譜的六通閥 通過毛細銅管分別與兩個儲氣管、載氣瓶、以及分析柱相連，通過閥門控制， 對儲氣管里的氣體進行成分分析。壓力表可以精確的測量系統(tǒng)內(nèi)的壓強，通過 壓力表和氣相色譜兩者的結(jié)合，再利用理想氣體標(biāo)準(zhǔn)方程可計算出儲氣管里的 總氣體量，然后根據(jù)反應(yīng)時間便可以精確的計算出氣體的生成速率，為進一步 計算光電化學(xué)制氳效率提供實驗依據(jù)。
本發(fā)明還提供了一種分開收集光電化學(xué)制氫反應(yīng)器中生成的氫氣和氧氣 的方法，該方法包括
對前述光電化學(xué)制氫反應(yīng)器進行抽真空處理，以隔絕空氣；
利用抽真空形成的負壓向反應(yīng)器中注入電解質(zhì)溶液；
對由前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第一固定裝置固定的陽極進行光照進行光電化學(xué)制氫反應(yīng)以將水分解成氫氣和氧氣；和 將氧氣和氬氣分別收集到所述第一儲氣裝置和所述第二儲氣裝置中。 根據(jù)某些優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明分開收集光電化學(xué)制氫反應(yīng)器中生成的
氫氣和氧氣的方法中，借助于抽真空，電解質(zhì)溶液通過分別位于第一反應(yīng)室和
第二反應(yīng)室底部的第 一 電解質(zhì)溶液注入口和第二電解質(zhì)溶液注入口抽入反應(yīng)器。
圖1為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的光電化學(xué)制氬系統(tǒng)的示意圖。
如圖1中所示，陽極材料與陰極材料分別放入反應(yīng)器13中的陽極位置11 與陰極位置12,參比電極插入?yún)⒈入姌O插口 10中，反應(yīng)器13通過軟管分別 通過閥門4與第一玻璃儲氣管7 (用于儲存氧氣)和第二玻璃儲氣管8 (用于 儲存氫氣)連接。兩個儲氣管7、 8通過閥門1與2分別與氬(氫)氣瓶17 和真空泵16相連接，儲氣管7、 8的閥門3與體積已知的燒瓶(圖中未示出) 連接，儲氣管7、 8分別通過閥門5和銅管與氣相色譜21相連。載氣瓶20和 色譜柱19分別連接在氣相色傳21上。氙燈14位于反應(yīng)器13的一側(cè)并用于照 射反應(yīng)器13。照度計15位于氛燈14和反應(yīng)器13之間，用于測量光強。氣相 色譜21通過壓力表18與真空泵16相連，在壓力表18與真空泵16之間設(shè)置 閥門6。插入?yún)⒈入姌O插口 10中的參比電極、位于陽極位置11的陽極、位于 陰極位置12的陰極分別與恒電位儀9電連接。
圖2為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的示意圖。 圖2中，陽極材料插入卡槽24 (作為第一固定裝置)中，陰極材料插入 卡槽25 (作為第二固定裝置)中，圖1中恒電位儀9 (作為電化學(xué)工作站)的 導(dǎo)線分別通過第一導(dǎo)線入口 22和第二導(dǎo)線入口 23與陽極材料和陰極材料相 連，參比電極插入位于反應(yīng)器13的上蓋28中的參比電極插口 10中。通過軟 管將氣體出口 29分別與儲氣管相連。工作時，電解質(zhì)溶液通過第一電解質(zhì)溶 液注入口 26和第二電解質(zhì)溶液注入口 32倒吸入反應(yīng)器13中。質(zhì)子交換膜27 將反應(yīng)室隔為兩部分(即第一反應(yīng)室30和第二反應(yīng)室31)。
圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的氫氣儲氣裝置(儲氣管8)的示意圖。 圖3所示的儲氣管8包括儲氣用的管體和5個出口，儲氣管8通過岡門5、 4、 3、 2、 l分別與氣相色譜、反應(yīng)器、圓底燒瓶、真空泵和氬氣罐相連。反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氫氣與氧氣可分別收集在儲氣管內(nèi)，然后通過定時開關(guān)連接氣相色譜 的閥門來對儲氣管8內(nèi)的氫氣進行定量分析。用于儲存氧氣的儲氣裝置(儲氣 管7)可以采取與上述相同的構(gòu)造。
下面，結(jié)合附圖，描述本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案
如圖1,首先通過機械泵對整個體系抽取真空，然后關(guān)閉與機械泵連接的
所有閥門，使整個系統(tǒng)處于真空狀態(tài)。然后利用氬(氫)氣瓶17,通過儲氣
管的閥門1向體系內(nèi)充入一定量的氫氣，充完氬氣后關(guān)閉閥門l,并記下此時
壓力表18的讀數(shù)，并同時關(guān)閉閥門3 (事先在閥門3的下面連接一個體積已 知的燒瓶)，而后再對整個系統(tǒng)抽取真空，抽完真空后關(guān)閉閥門2,并打開閥 門3，使燒瓶內(nèi)儲存的氫氣充滿在整個體系內(nèi)，然后記錄下此時的壓力表18 讀數(shù)，利用理想氣體的德布羅意方程式(PJ產(chǎn)P2VJ便可得到任意一個儲氣管 的體積。
將氬(氫)氣瓶17換作商用的氫氣與氬氣按一定比例混合的氣體瓶，在 將整個系統(tǒng)抽取真空以后將混合氣體充入氬氣儲氣管內(nèi)，關(guān)閉閥門，記下此時 壓力表的讀數(shù)，然后用連接在系統(tǒng)內(nèi)的氣相色譜對混合中的氫氣進行分析，記 下此時氫氣峰的積分面積，然后利用理想氣體方程(PV-nRT)計算此時氣相色 譜內(nèi)的螺旋管內(nèi)的氬氣的摩爾數(shù)，然后標(biāo)記在以氪氣峰的積分面積為橫坐標(biāo)， 氫氣的物摩爾數(shù)為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，通過多次向體系內(nèi)充入不同摩爾數(shù)的混 合氣體來獲取坐標(biāo)系內(nèi)的一系列點，將所有點連接在一起便組成了一條標(biāo)準(zhǔn)曲 線。
將陽極材料和陰極材料分別放入反應(yīng)器13的卡槽24和卡槽25內(nèi)，并將 參比電極固定在參比電極插口 10上，然后將兩電極和參比電極分別連接在電 化學(xué)工作站的工作電極、輔助電極和參比電極上，最后將整個反應(yīng)器密封好， 保證反應(yīng)器具有較好的氣密性。
打開氙燈，并分別將氙燈調(diào)節(jié)到不同的強度對陽極進行照射，然后通過電 化學(xué)化學(xué)工作站來測試陽極材料的I-V曲線等等一系列測試結(jié)果。而后關(guān)閉氛 燈，利用電化學(xué)工作站測試陽極材料的微分電容曲線，利用微分電容曲線可分 析陽極材料的平帶電位和摻雜濃度等。
將閥門1、 2、 3、 4、 5全部打開，啟動機械泵對整個體系抽取真空，然后關(guān)閉閥門2、 3、 5,同時打開閥門2，并打開氬氣瓶閥門向整個體系中通入一 定量氬氣作為保護氣體，完畢后關(guān)閉閥門2。最后打開氙燈，將氙燈調(diào)節(jié)到一 定光強，對準(zhǔn)陽極，對陽極進行照射，同時記錄下此時照度計的數(shù)值和陽極的 受光面積。等穩(wěn)定后記錄電化學(xué)工作站的電流大小(1)。
反應(yīng)一段時間以后關(guān)閉閥門6(機械泵始終開啟)，記下此時反應(yīng)進行時 間(T),并打開閥門5,等壓力表數(shù)值穩(wěn)定后關(guān)閉閥門5,然后用氣相色譜對 充進色譜螺旋管內(nèi)的氫氣進行分析，分析完畢后對照標(biāo)準(zhǔn)曲線來計算此反應(yīng)時 間產(chǎn)氫量的多少，并同時計算出產(chǎn)氫速率。對產(chǎn)氧速率也進行同樣的過程。
測試完畢后，利用已記錄的數(shù)據(jù)對光電、光氫轉(zhuǎn)化效率進行計算。
根據(jù)如下公式計算光氫能轉(zhuǎn)化效率
r|產(chǎn)2MH2/Mph。
式中，m為光氫能轉(zhuǎn)化效率，MH2為由測量時間內(nèi)產(chǎn)生氫氣的摩爾數(shù)(例 如，可由圖1中的氣相色譜21測得)，Mph。為所述測量時間內(nèi)照射在反應(yīng)器中 陽極上的光子的摩爾數(shù)(例如，可由圖1中的測量光強的照度計15測得)。
同時利用如下公式也可計算光電轉(zhuǎn)化效率
r) 2= Me/Mph0
式中，rh為光電轉(zhuǎn)化效率，M為測量時間內(nèi)流過外電路的電子的摩爾數(shù) (例如，由通過圖1中的恒電位儀9測得的外電流的大小獲得)，Mph。為測量 時間內(nèi)照射在光電化學(xué)制氫陽極上的光子的摩爾數(shù)(例如，由圖1中的測量光 強的照度計15測得)。
通過本發(fā)明中所設(shè)計出的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器和系統(tǒng)，既可以保證電解質(zhì)溶液 中最大可能地排出氧氣分子，從而最大可能地消除氧氣分子對產(chǎn)氫效率的影 響。此外，本發(fā)明中，反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氧氣和氫氣可進行分開收集，這樣保證 了所收集氫氣與氧氣的純度，并且可通過氣相色譜來在線分析產(chǎn)生的氫氣與氧 氣的量，在此基礎(chǔ)上可在線測試整個光電化學(xué)制氫系統(tǒng)的光電化學(xué)制氫轉(zhuǎn)化效 率，從而實現(xiàn)光電反應(yīng)的可控操作，并且可為進一步研發(fā)出性能更優(yōu)的電極材 料以及電解質(zhì)溶液提供直接的實驗依據(jù)。并且在本系統(tǒng)中，反應(yīng)器內(nèi)的陽極材 料和陰極材料的更換更加便捷，這樣更有利于對新研制出的電極材料進行更加 快捷的性能和效率測試。
權(quán)利要求
1、一種光電化學(xué)制氫反應(yīng)器，其包括用于容納電解質(zhì)溶液的密封的反應(yīng)容器；至少一部分由質(zhì)子交換膜構(gòu)成的隔板，其位于反應(yīng)容器內(nèi)并且用于將反應(yīng)容器分成彼此不透氣的用于生成氧氣的第一反應(yīng)室和用于生成氫氣的第二反應(yīng)室；參比電極，其位于第一反應(yīng)室內(nèi)；其特征在于，所述反應(yīng)器還包括與第一反應(yīng)室相連的第一電解質(zhì)溶液注入口；與第二反應(yīng)室相連的第二電解質(zhì)溶液注入口；位于第一反應(yīng)室中的至少一個第一固定裝置，用于固定陽極；位于第二反應(yīng)室中的至少一個第二固定裝置，用于固定陰極；與第一反應(yīng)室連接的第一儲氣裝置；和與第二反應(yīng)室連接的第二儲氣裝置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于所述第一和第二電解質(zhì) 溶液注入口位于所述反應(yīng)容器的底部。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于所述第一儲氣裝置和第 二儲氣裝置中至少一個為管狀。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于所述第一固定裝置和第 二固定裝置為卡槽。
5、 一種光氬能轉(zhuǎn)化效率在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 光強測試裝置，用于測量照射到由前述權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第一固定裝置固定的陽極上的光的強 度；氣相色譜，其與第一或第二儲氣裝置相連，用于在線分析儲氣裝置中氫氣 或氧氣的量；和測壓計，其與第一或第二儲氣裝置相連，用于測量整個體系的壓強。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括為光電化學(xué)制氪提供外加偏電壓的電源。
7、 一種光氫能轉(zhuǎn)化效率在線測量方法，其特征在于，所述方法包括 測量照射到由前述權(quán)利要求1-4中任一項的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第一固定裝置固定的陽極上的光的強度，并由此計算整個測量時間內(nèi) 照射在陽極上的光子的摩爾數(shù)；單獨收集由光電化學(xué)制氫反應(yīng)器產(chǎn)生的氫氣；利用氣相色譜在線分析在所述測量時間內(nèi)收集的氫氣的量；根據(jù)如下公式計算光氫能轉(zhuǎn)化效率<formula>formula see original document page 3</formula>式中，ill為光氫能轉(zhuǎn)化效率，MH2為由所述測量時間內(nèi)產(chǎn)生氫氣的摩爾 數(shù)，Mpho為所述測量時間內(nèi)照射在所述陽極上的光子的摩爾數(shù)。
8、 一種光電轉(zhuǎn)化效率在線測量方法，其特征在于，所述方法包括 測量某段測量時間內(nèi)照射到由前述權(quán)利要求1-4中任一項的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第一固定裝置固定的陽極上的光子的摩爾數(shù)； 測量在所述測量時間內(nèi)流過外電路的電子的摩爾數(shù)； 根據(jù)如下公式計算光電轉(zhuǎn)化效率 <formula>formula see original document page 3</formula>式中，i!2為光電轉(zhuǎn)化效率，Me為所述測量時間內(nèi)流過外電路的電子的摩 爾數(shù)，Mpho為所述測量時間內(nèi)照射在所述陽極上的光子的摩爾數(shù)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電轉(zhuǎn)化效率在線測量方法，其特征在于所 述光子的摩爾數(shù)是通過照度計測得的。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8的所述光電轉(zhuǎn)化效率在線測量方法，其特征在于所 述流過外電路的電子的摩爾數(shù)是通過測量流過外電路的電流大小計算得出的。
11、 一種光電化學(xué)制氫系統(tǒng)，其包括前述權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所 述的光電化學(xué)制氬反應(yīng)器和權(quán)利要求5-6中任一權(quán)利要求所述的光氫能轉(zhuǎn)化 效率在線測量系統(tǒng)。
12、 一種分開收集光電化學(xué)制氫反應(yīng)器中生成的氫氣和氧氣的方法，所述方法包括對前述權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器進行抽 真空處理，以隔絕空氣；利用抽真空形成的負壓向反應(yīng)器中注入電解質(zhì)溶液；對由前述第一個方面的光電化學(xué)制氫反應(yīng)器的所述至少一個第一固定裝 置固定的陽極進行光照進行光電化學(xué)制氫反應(yīng)以將水分解成氳氣和氧氣；和將氧氣和氫氣分別收集到第 一儲氣裝置和第二儲氣裝置中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光電化學(xué)制氫反應(yīng)器，其包括密封的反應(yīng)容器，用于容納電解質(zhì)溶液；至少一部分由質(zhì)子交換膜構(gòu)成的隔板，其位于反應(yīng)容器內(nèi)并且用于將反應(yīng)容器分成彼此不透氣的用于生成氧氣的第一反應(yīng)室和用于生成氫氣的第二反應(yīng)室；參比電極，其位于第一反應(yīng)室內(nèi)；其特征在于，所述反應(yīng)器還包括與第一反應(yīng)室相連的第一電解質(zhì)溶液注入口；與第二反應(yīng)室相連的第二電解質(zhì)溶液注入口；位于第一反應(yīng)室中的至少一個第一固定裝置，用于固定陽極；位于第二反應(yīng)室中的至少一個第二固定裝置，用于固定陰極；與第一反應(yīng)室連接的第一儲氣裝置；和與第二反應(yīng)室連接的第二儲氣裝置。還提供了光電化學(xué)制氫系統(tǒng)和氣體收集方法、光氫能轉(zhuǎn)化效率測量系統(tǒng)、光氫能/光電轉(zhuǎn)化效率測量方法。
文檔編號C25B15/08GK101586245SQ20091013625
公開日2009年11月25日 申請日期2009年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月4日
發(fā)明者偉 趙, 鄭善亮 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司