光电化学电池及相应装置的制作方法

本说明书涉及电化学电池(例如，电解槽或电化学反应器)，并且涉及用于生成化学产品诸如例如通过电解生成的氢气的相应装置。

背景技术：

1、全球能源需求不断增长，并且在2020年，全球能源需求为约150000twh。对于生成如此大量的能量每年将排放约350亿吨二氧化碳(co2)和许多其他污染物质。

2、利用光伏系统将太阳能转化成可用于人类活动的能量时，将出现所生成的能量的储存问题，因为储存系统诸如电池具有低能量密度，使得它们不便于许多应用和长期储存。因此，期望将太阳能直接转换成化学性质的能量载体诸如例如氢气。

3、氢气代表着一种极大的兴趣的燃料，特别地在能源工业和运输工业中，由于它具有单位质量的高能量密度(或比能)。氢气可以通过以多种不同方式从天然化合物中提取来生成；然而，迄今为止，全球生成的大部分氢气都是从化石燃料中获得的。例如，所谓的棕色氢气是从煤炭在称为气化的过程中生成的，而灰色氢气是从天然气借助于称为甲烷的“蒸汽重整”的过程提取的。这两个过程都将排放大量的二氧化碳。所谓的蓝色氢气是由化石燃料生成的，同时使用碳捕获和碳储存技术来减少二氧化碳向大气中的排放。

4、另外的生成氢气的方式是基于电解的过程。在电解的过程中，电解池利用电流将化合物分解成其组成元素。在本文所考虑的情况下，起始化合物是水，在所谓的水分解反应中将水分解成氢气和氧气。在供应电解池的电能来自可再生能源诸如风能或太阳能发电源的情况下，所生成的氢气被定义为“绿色氢气”。

5、本领域主要已知的利用太阳能通过电解来生成氢气具有三种类型的系统(所谓的太阳能制氢气技术)，即光催化(pc)系统、光电化学(pec)系统、和光伏电化学(pv-ec)系统。

6、光催化(pc)类型的电池代表了水分解设备，该水分解设备在设备中使用的技术和组件方面是比较简单的。在光催化电池中，光催化剂材料以粉末形式存在于电解质中的溶液中，使得电池的两个电极之间的电荷的转移路径是短的并且反应迅速发生。氢气和氧气在光催化剂材料的同一颗粒上生成；因此，光催化系统在气体生成后还需要另外的过程来分离气体。通常，光催化剂是包括收集光的半导体和一种或更多种助催化剂的复合物。半导体在吸收能量高于半导体材料带隙的光子后生成电子-空穴对，同时在助催化剂上发生析氢反应(her)和析氧反应(oer)。

7、光电化学(pec)类型的电池通常借助于连接至电荷收集器并且电连接在一起的光电极(光阳极和/或光阴极)来获得。传统上，只有光电极的光吸收侧与电解相接触，而连接至电荷集电器的一侧与液体隔离。光电化学电池通常包括：

8、-p型单光阴极；

9、-oer催化阳极或n型光阳极；以及

10、-her催化阴极。

11、具有上面提及的配置的光电化学电池需要施加外部电压来补偿过电压和总损耗。供应这种额外电势的可行方式在于将光阴极/光阳极系统(即，pec电池)与光伏电池组合，以获得光伏光电化学(pv-pec)电池。

12、光伏电化学(pv-ec)系统包括光伏设备，该光伏设备连接至选定的电催化剂材料，该光伏设备供应触发水分解反应所需的能量。因此，pv-ec电池的效率取决于光伏电池的性能和电催化剂的性能两者。

13、光伏电化学设备(pv-ec)相对于pc系统和pec系统提供了一些优势。特别地，pv-ec设备确实没有遭受光吸收体的腐蚀和低稳定性的问题，因为，在一些配置中，没有设想将光伏元件浸入电化学相的溶液和试剂中或者将光伏元件本身与电化学相的溶液和试剂直接接触。另外，电荷(电子-空穴对)的光生和电催化作用分别发生，使得系统易于扩展，从而能够独立调节光伏电池的尺寸和电催化剂的尺寸。另一方面，各个系统的复杂性及各个系统在通信和协同上的布置的复杂性导致pv-ec设备的总体成本的增加，这代表了pv-ec类型的电池的主要缺点。

14、美国专利申请公开号为us2018/0171492 a1并且文献“direct solar-to-fuel co2reduction”，alessandro monticelli，伊利诺伊大学芝加哥分校，论文，2015(可通过以下网址在线获取：https://hdl.handle.net/10027/19561)描述了一种简单的电解池，该电解池适用于从水和二氧化碳开始生产合成气(氢气和一氧化碳的混合物)。一般而言，文献us2018/0171492 a1主要教导了关于co2的还原反应的化学催化方面。根据该文献，电解池的半反应室和光伏电池以如下方式被布置：使得光伏电池与阳极和阴极电接触，并且两个半反应室处于彼此接触的离子状态。

15、然而，上面提及的两篇文献中所描述的已知设备的特征在于效率低且难以扩展至更适合工业和商业现实的尺寸，因此在工业领域中使用的可能性较低。

技术实现思路

1、鉴于上述情况，本领域需要提供适合在工业领域中使用的改进的电化学电池。例如，期望提供一种电化学电池，该电化学电池能够生成由太阳能直接供应的化学产品并且能够以广泛的方式生成化学能量载体(例如氢气)，从而能够实现分布生产和独立生产。

2、一个或更多个实施方式的目的是提供一种与太阳能吸收系统集成的电化学电池(或电化学反应器)，与已知设备相比，该太阳能吸收系统具有更高的效率和更大的用途通用性。

3、根据一个或更多个实施方式，这样的目的可以通过具有所附权利要求中阐述的特征的电化学电池来实现。

4、一个或更多个实施方式可以涉及包括多个电化学电池的相应装置。

5、权利要求形成本文提供的与实施方式相关的技术教导的组成部分。

6、简而言之，一个或更多个实施方式涉及一种电化学电池，该电化学电池包括：第一反应室，该第一反应室包括第一电极；第二反应室，该第二反应室包括第二电极；以及膜电极组件(mea)，该膜电极组件(mea)布置在第一反应室与第二反应室之间，膜电极组件包括离子交换膜。该电化学电池还包括光伏系统，该光伏系统被配置成吸收太阳能并且在光伏系统的第一输出端子与第二输出端子之间生成输出电压。光伏系统的第一输出端子可以选择性地能够耦接至第一电极，并且光伏系统的第二输出端子可以选择性地能够耦接至第二电极。光伏系统的光敏区域与第一电极和第二电极的活性区域之间的比率低于或等于五十。

7、此外，在一个或更多个实施方式中，光伏系统包括多个光伏电池，这些光伏电池可以选择性地能够以串联配置、并联配置、或者一个或更多个混合的串联/并联配置耦接在光伏系统的第一输出端子与第二输出端子之间。混合的串联/并联配置被理解为这样的一种配置，其中电池以组进行布置，每个组包括并联连接的多个电池，并且各个电池组串联连接。该电化学电池包括电子控制单元，该电子控制单元被配置成：根据一个或更多个用户可设置的参数、以及/或者从外部控制单元接收到的一个或更多个信号、以及/或者从包括在所述电化学电池中的一个或更多个传感器接收到的一个或更多个信号，按照在所述配置之间选择的配置来对光伏电池进行耦接。

8、一个或更多个实施方式涉及一种装置，该装置包括：多个电化学电池，所述多个电化学电池为根据一个或更多个实施方式的电化学电池；第一储存容器，该第一储存容器与电化学电池的用于接收第一气态反应产物的第一半反应室流体连通；第二储存容器，该第二储存容器与电化学电池的用于接收第二气态反应产物的第二半反应室流体连通；以及装置的电子控制单元。该装置还包括：第一分配回路，该第一分配回路用于将第一反应液体与电化学电池的第一半反应室流体连通，以及第二分配回路，该第二分配回路用于将第二反应液体与电化学电池的第二半反应室流体连通。第一分配回路包括第一装置泵，第一装置泵由装置的电子控制单元进行控制，以对引入到第一分配回路中的第一反应液体的流量进行调节，并且第二分配回路包括第二装置泵，第二装置泵由装置的电子控制单元进行控制，以对引入到第二分配回路中的第二反应液体的流量进行调节。