本技術(shù)涉及光伏制氫領(lǐng)域，具體涉及一種光伏制氫的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源供需體系向低碳化、無碳化轉(zhuǎn)型，太陽能和氫能等可再生能源日益受到人們的重視。其中，利用太陽能主要的途徑是制備光伏電池或太陽能熱發(fā)電，并且目前國內(nèi)已經(jīng)建成多個(gè)百兆瓦級(jí)別的大型光伏或光熱電站。然而，在太陽能的利用過程中，由于晝夜或者天氣的變化，使得太陽能到電能的轉(zhuǎn)化具有波動(dòng)性和隨機(jī)性。一個(gè)可行的方案是將多余的電能轉(zhuǎn)換為易于儲(chǔ)存的氫氣，以平抑太陽能的波動(dòng)，提高消納水平。并且電解水制氫作為一種清潔能源技術(shù)，生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生溫室氣體排放，有助于改善環(huán)境質(zhì)量。

2、然而，利用太陽能發(fā)電隨后電解水制氫也存在一些問題。一方面是太陽能發(fā)電設(shè)備和電解水制氫設(shè)備通常位于不同地點(diǎn)，因而需要先太陽能發(fā)電再經(jīng)過電網(wǎng)輸運(yùn)，最后到電解廠電解水制氫。這個(gè)過程會(huì)引入額外的外電路設(shè)備，如匯流箱、逆變器以及電網(wǎng)導(dǎo)線等，造成制氫成本投入的增加以及輸運(yùn)過程的能量損耗。另一方面，工業(yè)上電解水制氫廣泛使用的操作溫度是70-80℃的堿性水溶液，因而需要添加額外的加熱電阻對(duì)電解液進(jìn)行加熱，這也會(huì)造成新的能量損耗。

3、因此，開發(fā)一種電解水制氫過程中無需對(duì)電解液進(jìn)行額外加熱的方法，而且能實(shí)現(xiàn)太陽能進(jìn)行充分利用，是至關(guān)重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問題，本技術(shù)提供一種光伏制氫的方法及裝置，所述方法可以對(duì)太陽光的各個(gè)光譜區(qū)均能實(shí)現(xiàn)有效利用，提高了能源利用率；而且，利用紅外光區(qū)的光子對(duì)電解液進(jìn)行加熱，減少了額外加熱裝置的使用，降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了能源利用率；本技術(shù)所述方法還可以優(yōu)化所使用的裝置的結(jié)構(gòu)。

2、第一方面，本技術(shù)提供一種光伏制氫的方法，所述方法包括如下步驟：

3、將太陽光透過至少部分電解液，到達(dá)有機(jī)光伏器件后進(jìn)行發(fā)電，完成制氫；

4、所述電解液包括水。

5、相較于無機(jī)光伏電池，有機(jī)光伏器件是一種具有光譜可調(diào)、易溶液加工等優(yōu)勢(shì)的太陽能發(fā)電技術(shù)。有機(jī)光伏器件有望憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在未來能源領(lǐng)域占據(jù)特殊應(yīng)用場(chǎng)景。整個(gè)太陽光源分為紫外光區(qū)、可見光區(qū)和紅外光區(qū)，一般而言，有機(jī)光伏器件只能吸收紫外光區(qū)和可見光區(qū)的光子(吸收光譜一般在1000nm之前)并將其轉(zhuǎn)換成為電子；因而，太陽輻射的紅外光區(qū)的光子(吸收光譜一般在1000nm之后)并不能被有機(jī)光伏器件有效利用，因而太陽能源被部分浪費(fèi)。

6、本技術(shù)實(shí)施方式的技術(shù)方案中，太陽光經(jīng)過電解液，先利用電解液中的水吸收太陽光輻射的紅外光區(qū)的光子，可以對(duì)電解液進(jìn)行加熱，降低了電解液的電阻；接著太陽光輻射的收紫外光區(qū)和可見光區(qū)的光子透過電解液到達(dá)有機(jī)光伏器件用于發(fā)電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了制氫。上述方法中，太陽光的各個(gè)光譜區(qū)均能實(shí)現(xiàn)有效利用，提高了能源利用率；而且，利用紅外光區(qū)的光子對(duì)電解液進(jìn)行加熱，減少了額外加熱裝置的使用，降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了能源利用率；本技術(shù)所述方法還可以優(yōu)化所使用的裝置的結(jié)構(gòu)。

7、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏器件至少部分設(shè)置于電解液中，或，所述有機(jī)光伏器件設(shè)置于電解液下方。

8、本技術(shù)實(shí)施方式的技術(shù)方案中，有機(jī)光伏器件直接設(shè)置于電解液中，或者，電解液下方，可以直接利用太陽光進(jìn)行水下光伏電解水制氫，無需額外先將太陽能轉(zhuǎn)化為電能后經(jīng)過電網(wǎng)輸運(yùn)，再進(jìn)入電解液進(jìn)行制氫，簡化了工藝過程，節(jié)約了設(shè)備和運(yùn)輸成本以及能源利用率。

9、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏器件至少部分設(shè)置于電解液中，所述有機(jī)光伏器件與電解液液面的距離為0～10cm，且不等于0cm，例如1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm等。

10、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏器件包括阻水阻氧封裝部件。

11、本技術(shù)實(shí)施方式的技術(shù)方案中，在有機(jī)光伏器件中設(shè)置阻水阻氧封裝部件，可以減少電解液對(duì)有機(jī)光伏器件的侵蝕，延長有機(jī)光伏器件的使用壽命。

12、優(yōu)選地，所述阻水阻氧封裝部件的材質(zhì)包括玻璃、石英、聚甲基丙烯酸甲酯、聚異丁烯、聚乙烯、熱塑性聚氨酯、乙烯乙酸乙烯酯或環(huán)化全氟聚合物中的任意一種或至少兩種的組合。

13、優(yōu)選地，所述阻水阻氧封裝部件所采用的粘結(jié)劑包括有機(jī)硅、聚氨酯、聚烯烴類樹脂樹脂、脲醛樹脂、酚醛樹脂或蜜胺樹脂中的任意一種或至少兩種的組合。

14、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏器件包括有機(jī)光伏電池。

15、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏電池包括柔性電池、剛性電池、串聯(lián)電池或疊層電池中的任意一種或至少兩種的組合。

16、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏電池包括有機(jī)光伏材料。

17、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏材料包括給體有機(jī)光伏材料和受體有機(jī)光伏材料。

18、優(yōu)選地，所述給體有機(jī)光伏材料和受體有機(jī)光伏材料的質(zhì)量比為1：(0.1-5)，其中，0.1-5可以為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5等。

19、優(yōu)選地，所述給體有機(jī)光伏材料包括p3ht、pbdb-tf、pbdb-t、pbdb-tcl、d18、d18-cl、pbqx-tf、pbqx-tcl、pb-2f、pb-2或pto2中的任意一種或至少兩種的組合。

20、優(yōu)選地，所述受體有機(jī)光伏材料包括btp-ec9、btp-ec9-2cl、y6、bo-4i、itic、it-4f、l8-bo、fpcc-br、fpcc-cl、itcc-cl、itcc、ftcc-br、fcc-cl、gs-iso、bta3、f-bta3、cl-bta3或ito-4f中的任意一種或至少兩種的組合。

21、作為示例，所述給體有機(jī)光伏材料的分子式如下：

22、

23、

24、作為示例，所述受體有機(jī)光伏材料的分子式如下：

25、

26、

27、

28、本技術(shù)中，所述有機(jī)光伏材料的重均分子量的范圍為10000-500000，例如20000、40000、60000、100000、200000、300000、400000、500000等，優(yōu)選100000；分子式中n為聚合度，其取值范圍為10-500，例如50、100、200、300、400等，優(yōu)選100。

29、優(yōu)選地，所述電解液中的電解質(zhì)包括強(qiáng)堿、弱堿、弱酸或水中的任意一種或至少兩種的組合。

30、作為示例，所述強(qiáng)堿包括氫氧化鈉和/或氫氧化鉀。

31、作為示例，所述弱堿包括一水合氨(nh3·h2o)、氫氧化鋁(al(oh)3)、甲胺、丙氨酸(c3h5o2nh2)、磷酸鈉、磷酸氫鈉、碳酸氫鈉或碳酸鈉中的任意一種或至少兩種的組合。

32、作為示例，所述弱酸包括磷酸二氫鈉、氯化銨、醋酸、硫酸氫鈉、次氯酸、草酸、碳酸、氫氰酸、檸檬酸或亞鐵氰化物中的任意一種或至少兩種的組合。

33、優(yōu)選地，所述電解液中還包括交換膜和/或催化電極。

34、本技術(shù)中，對(duì)于交換膜的種類不做限制，采用本領(lǐng)域公知的材料即可。作為示例，所述交換膜可以為離子交換膜和/或質(zhì)子交換膜。

35、作為示例，所述交換膜選自離子交換膜如陰離子交換膜，電解質(zhì)包括水和/或弱堿。

36、作為示例，所述交換膜選自質(zhì)子交換膜，電解質(zhì)包括水和/或弱酸。

37、作為示例，所述電解質(zhì)包括質(zhì)量濃度為20％-40％的氫氧化鉀(koh)或氫氧化鈉(naoh)溶液。

38、優(yōu)選地，所述催化電極的材質(zhì)包括鉑、鉑(pt)、銥(ir)、鎳(ni)、鐵(fe)、鈷(co)、碳(c)、氧化銦錫(ito)或氟摻雜的氧化錫(fto)中的任意一種或至少兩種的組合。

39、優(yōu)選地，所述電解液中還包括催化劑。

40、優(yōu)選地，所述催化劑包括氧化銥(iro2)和/或氧化釕(ruo2)。

41、第二方面，本技術(shù)提供一種用于光伏制氫的裝置，所述裝置包括電解槽；

42、所述電解槽中包括有機(jī)光伏器件，和/或，所述電解槽的至少部分底部設(shè)置有有機(jī)光伏器件。

43、現(xiàn)有技術(shù)中的光伏電解水裝置，一般來說，太陽能發(fā)電設(shè)備和電解水制氫設(shè)備通常位于不同的地點(diǎn)，即，太陽能發(fā)電設(shè)備發(fā)電后經(jīng)過電網(wǎng)運(yùn)輸，到達(dá)電解水制氫設(shè)備進(jìn)行制氫，此過程需要引入額外的外電路設(shè)備，如匯流箱、逆變器以及電網(wǎng)導(dǎo)線等，造成制氫成本投入的增加以及輸運(yùn)過程的能量損耗。

44、本技術(shù)實(shí)施方式的技術(shù)方案中，將有機(jī)光伏器件設(shè)置于電解槽中，和/或，將有機(jī)作為電解槽的底部的一部分；上述設(shè)置方式，屬于制備一體化的光伏電池電解水裝置，省略了額外的外電路設(shè)備，如匯流箱、逆變器以及電網(wǎng)導(dǎo)線等，降低了制氫的成本投入以及輸運(yùn)過程的能量損耗。

45、在實(shí)際使用中，太陽光穿過電解槽中的電解液，電解液中的水吸收紅外光區(qū)的光子，對(duì)電解液進(jìn)行加熱，降低了電解液的電阻；紫外光區(qū)和可見光區(qū)的光子透過電解液到達(dá)有機(jī)光伏器件用于發(fā)電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了制氫。

46、基于上述過程，本技術(shù)所述的裝置可以使太陽光的各個(gè)光譜區(qū)均能實(shí)現(xiàn)有效利用，提高了能源利用率；而且，利用紅外光區(qū)的光子對(duì)電解液進(jìn)行加熱，還可以減少額外加熱裝置的使用，降低了生產(chǎn)成本，優(yōu)化了裝置的結(jié)構(gòu)。

47、本技術(shù)中，電解槽側(cè)壁或底部的材質(zhì)可以采用本領(lǐng)域公知的材料。例如具有耐酸、耐堿或耐有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，具體地，可以包括聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮酚醛樹脂等高分子材料；陶瓷材料；不銹鋼、鈦合金、鉑、鎳、金、銀等金屬材料；或者至少兩種組合，如陶瓷內(nèi)表面鍍金屬等方式。作為示例，電解槽側(cè)壁的材質(zhì)可以是透光材料，以滿足太陽光透過側(cè)壁進(jìn)入電解液的使用需求。透光材料選擇本領(lǐng)域公知的材料即可，所述透光材料包括石英、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一種或至少兩種的組合。

48、優(yōu)選地，所述電解槽包括上蓋，所述上蓋的材質(zhì)包括透光材料。

49、本技術(shù)實(shí)施方式的技術(shù)方案中，以透光材料作為電解槽的上蓋，太陽光比較容易透過上蓋到達(dá)電解液，提高太陽光的利用率。

50、優(yōu)選地，所述上蓋的材質(zhì)包括石英、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一種或至少兩種的組合。

51、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏器件包括正向器件和/或反向器件。

52、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏器件包括阻水阻氧封裝部件。

53、本技術(shù)實(shí)施方式的技術(shù)方案中，對(duì)有機(jī)光伏器件設(shè)置阻水阻氧封裝部件，可以減少電解液對(duì)有機(jī)光伏器件內(nèi)部元件如有機(jī)光伏電池等的侵蝕，延長有機(jī)光伏器件在電解液下工作的使用壽命。

54、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏器件包括有機(jī)光伏電池。

55、作為示例，多節(jié)有機(jī)光伏電池可以通過串聯(lián)形成電池模組，電池模組可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，如多個(gè)電池模組串聯(lián)使用。

56、優(yōu)選地，所述有機(jī)光伏電池的節(jié)數(shù)≥2節(jié)，例如3節(jié)、4節(jié)、6節(jié)、8節(jié)等。

57、優(yōu)選地，所述電解槽中包括交換膜和/或催化電極。

58、優(yōu)選地，所述催化電極包括至少兩個(gè)。作為示例，所述電極置于電解槽底部。不同的電極分別用來制氫和制氧。

59、優(yōu)選地，所述交換膜設(shè)置于催化電極之間。

60、本技術(shù)實(shí)施方式的技術(shù)方案中，交換膜設(shè)置于催化電極之間，即，利用交換膜將制氫和制氧的電極分開，分別實(shí)現(xiàn)氫氣和氧氣的收集。因此，本技術(shù)的裝置在制氫的基礎(chǔ)上，也可以具有制氧的作用。

61、作為示例，所述有機(jī)光伏器件還包括負(fù)極和正極，負(fù)極和正極各自獨(dú)立地連接催化電極。

62、優(yōu)選地，所述裝置還包括氫氣收集部件。

63、作為示例，所述裝置還包括氧氣收集部件。

64、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)至少具有如下有益效果：

65、本技術(shù)所述方法可以對(duì)太陽光的各個(gè)光譜區(qū)均能實(shí)現(xiàn)有效利用，提高了能源利用率；而且，利用紅外光區(qū)的光子對(duì)電解液進(jìn)行加熱，減少了額外加熱裝置的使用，降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了能源利用率；本技術(shù)所述方法還可以優(yōu)化所使用的裝置的結(jié)構(gòu)。

66、上述說明僅是本技術(shù)技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本技術(shù)的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本技術(shù)的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉本技術(shù)的具體實(shí)施方式。