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平铺式双极光响应 光 电化学 电池及 建筑物 屋顶处理生活污水发电系统和工作方法

阅读：1023发布：2020-07-03

专利汇可以提供平铺式双极光响应光电化学电池及建筑物屋顶处理生活污水发电系统和工作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种平铺式双极光响应光电化学电池及建筑物屋顶处理生活污水发电系统和工作方法，底部放置第一交换膜，在第一交换膜边缘粘贴一体成型的绝缘胶体，在绝缘胶体上部粘贴导电玻璃，绝缘胶体与第一交换膜和导电玻璃围成封闭腔室，在封闭腔室中间设置隔离胶体，将封闭腔室分为两个隔绝空间，在每个隔绝空间开设两个管道孔，用于液体进出，导电玻璃面向封闭腔室一侧涂覆导电膜，隔离胶体粘贴在导电玻璃一侧时，将导电玻璃刻蚀出一条凹槽采用同时响应光的光阳极和光阴极材料，同时实现对光阳极和光阴极的驱动，当电池工作时，双极协同作用，产生更多的电子 ‑空穴对，提高电池对光的利用效率和电池效率。，下面是平铺式双极光响应光电化学电池及建筑物屋顶处理生活污水发电系统和工作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种平铺式双极光响应光电化学电池，其特征在于，包括：底部放置第一交换膜(4)，在第一交换膜(4)边缘粘贴一体成型的绝缘胶体，在绝缘胶体上部粘贴导电玻璃(1)，绝缘胶体与第一交换膜(4)和导电玻璃(1)围成封闭腔室，在封闭腔室中间设置隔离胶体(5)，将封闭腔室分为两个隔绝空间，在每个隔绝空间开设两个管道孔，用于液体进出，导电玻璃(1)面向封闭腔室一侧为导电侧(14)，隔离胶体(5)粘贴在导电玻璃(1)一侧时，将导电玻璃(1)刻蚀出一条凹槽，然后粘贴隔离胶体(5)，从而切断导电侧(14)在两个腔室中导电，在一侧腔室的导电侧(14)上喷涂光阳极催化剂(2)，在另一侧腔室的导电膜(14)上喷涂光阴极催化剂(3)，在两个管道孔分别连通有机废水和电解液，光源照射导电玻璃(1)进行发电。
2.根据权利要求1所述的平铺式双极光响应光电化学电池，其特征在于，还包括：
在一侧腔室喷涂光阳极催化剂的导电玻璃上开设两个管道孔，有机废水的出水口连接进水管道孔，排水管道孔连接污水管道；在另一侧腔室喷涂光阴极催化剂的导电玻璃上也开设两个管道孔，电解液的出液口连接进液管道孔，排液管道孔连接电解液回收器。
3.根据权利要求1所述的平铺式双极光响应光电化学电池，其特征在于，所述导电玻璃(1)替换为第二交换膜，第一交换膜(4)替换为反应腔室盖板(7)；在两个腔室中填充多孔金属材料(6)。
4.根据权利要求1或3所述的平铺式双极光响应光电化学电池，其特征在于，所述交换膜(4)包括：质子交换膜或者离子交换膜。
5.根据权利要求3所述的平铺式双极光响应光电化学电池，其特征在于，所述多孔泡沫金属材料与光催化剂、交换膜无缝接触，实现质子转移转化阻力降低。
6.根据权利要求1所述的平铺式双极光响应光电化学电池，其特征在于，所述两个隔绝空间(17、18)分别为六边形，进液管道孔(15)和出液管道孔(16)分别设置在催化剂的两端，且进液管道孔(15)和出液管道孔(16)分别在该六边形正相对的内角位置。
7.一种建筑物屋顶处理生活污水发电系统，其特征在于，包括：通过水泵(13)连接污水管道(8)，通过水泵(13)将污水管道(8)引入建筑物屋顶，污水管道(8)设置污水控制器(9)，污水管道(8)出水口连接平铺式双极光响应光电化学电池进水口，平铺式双极光响应光电化学电池排水口连接污水管道进水口，平铺式双极光响应光电化学电池并联电能储存机构(11)和用电负荷(12)。
8.一种平铺式双极光响应光电化学电池工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，生活污水经过过滤残渣之后，由水泵将生活污水抽至建筑物的屋顶，通过污水控制器对水流进行控制，污水引入平铺式双极光响应光电化学电池中进行发电；
S2，对于不含有电解质的污水，光阳极、光阴极、质子(离子)交换膜、多孔金属材料、液体进出口以及反应腔室，光阳极催化剂由TiO2或WO3、ZnO、Fe2O3、SrTiO3 n型半导体材料组成；光阴极催化剂由Cu2O或CuO、CuFeO2、Si、CuInS2 P型半导体材料组成，将光阴极、光阳极的催化剂喷涂于交换膜上，随后将多孔金属材料与交换膜、催化剂无缝隙结合；
开启所述光源，将反应液通入反应腔室内，反应液流过过多孔金属材料，到达光阳极、光阴极表面进行光催化反应，产生电子空穴对，光阳极产生的光生空穴具有强氧化性，降解废水中的有机污染物，发生氧化反应；而在无氧气条件下，光阴极产生的光生电子与电解质溶液中的H+进行还原反应，产生氢气；在有氧气条件下，光阴极产生的光生电子与电解质溶液中的H+和氧气进行反应，产生水。光阳极产生的质子或离子直接通过质子交换膜进行交换，光阳极产生的光生电子在电势作用下，通过多孔金属材料、外电路转移至光阴极，与光阴极产生的光生空穴结合；
S3，在平铺式双极光响应光电化学电池中，光阳极催化剂由TiO2或WO3、ZnO、Fe2O3、SrTiO3的n型半导体材料组成；光阴极催化剂由Cu2O或CuO、CuFeO2、Si、CuInS2的P型半导体材料组成，由于太阳光线直接照射导电玻璃或者交换膜，所述光阳极催化剂、光阴极催化剂均能够直接响应光照并且产生电荷；光阴极、光阳极以同一片导电玻璃作为基质，沉淀于导电侧，采用刻蚀的方法，在光阳极、光阴极接触界面进行刻蚀，防止光阴阳极导电，通过交换膜形成、隔离阴阳极反应腔室；
在光阳极和光阴极分别通入PH值不同的有机污水及电解质溶液，通过光照，在光阴阳极产生光电化学反应，产生电子空穴对，光阳极产生的光生空穴具有强氧化性，降解废水中的有机污染物，发生氧化反应；而光阴极产生的光生电子与电解质溶液中的O2进行还原反应，产生OH-或者H2O，或在无氧气条件下产生氢气；光阳极和光阴极通过交换膜进行质子或者离子交换，光阳极产生的光生电子在电势的作用下，通过外电路转移至光阴极，与光阴极产生的光生空穴结合，由此构成回路，实现有机污水降解、产生电能；
S4，在负载用电情况下，电压转换机构通过直流/交流变换器或直流/直流变换器进行电流转变，满足用户的供电需求；在需要储存电能的状态下，通过电能储存机构进行蓄电操作；
S5，电能储存机构储存电能完毕时，通过污水控制器控制污水引入的流量，平铺式双极光响应光电化学电池停止工作，如果此时还有负载用电需求，通过电能储存机构进行供电操作，当电能储存机构低电量时，继续增加污水控制器继续引入污水的流速进行发电操作。

说明书全文

平铺式双极光响应 光 电化学 电池及 建筑物 屋顶处理生活污水

发电系统和工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电化学应用技术领域，尤其涉及一种平铺式双极光响应光电化学电池及建筑物屋顶处理生活污水发电系统和工作方法。

背景技术

[0002] 目前，能源及环境问题是当今社会亟需解决的问题之一。随着社会的快速发展，大量生活污水排入水环境中，造成了大量的环境污染；且当今世界使用的常规能源主要为煤、石油和天然气在百年内将被消耗殆尽。发展一种绿色、高效的污水处理技术，和清洁的能源转化制备装置具有重要的意义。光电化学被认为是解决这两大问题最有前景的技术之一。

[0003] 光电化学电池是利用光催化、光电催化实现将太阳能、化学能转化为电能或化学。自1972年，Honda和Fujishima证实了在光照条件下，TiO2 半导体作为光阳极催化剂，可以产生氢气后，光电化学电池技术得到了广泛的关注。这主要得益于：1太阳能为一种来源广泛、储量丰富、清洁无污染、可再生、取之不尽用之不竭的最基本能源；2光电化学产电或制备碳氢燃料可以减少贵金属催化的使用量，降低装置成本。然后目前绝大部分光电化学电池只有工作电极使用光催化剂，对电极往往还需要使用贵金属作为催化剂。因此有人提出采用n型半导体作为光阳极，p型半导体作为光阴极的双光响应电极的光电化学电池。然而，现有的双光响应光电化学电池主要为H型结构或夹层结构；H型结构占据空间较大，不利于应用推广，而且电池电极距离较大，影响电池性能；而夹层结构需要双面照光，也限制了电池的实际应用。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种平铺式双极光响应光电化学电池及建筑物屋顶处理生活污水发电系统和工作方法。

[0005] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种平铺式双极光响应光电化学电池，包括：底部放置第一交换膜4，在第一交换膜4边缘粘贴一体成型的绝缘胶体，在绝缘胶体上部粘贴导电玻璃1，绝缘胶体与第一交换膜4和导电玻璃1围成封闭腔室，在封闭腔室中间设置隔离胶体5，将封闭腔室分为两个隔绝空间，在每个隔绝空间开设两个管道孔，用于液体进出，导电玻璃1面向封闭腔室一侧为导电侧14，隔离胶体5粘贴在导电玻璃1一侧时，将导电玻璃1 刻蚀出一条凹槽，然后粘贴隔离胶体5，从而切断导电侧14在两个腔室中导电，在一侧腔室的导电侧14上喷涂光阳极催化剂2，在另一侧腔室的导电膜14上喷涂光阴极催化剂3，在两个管道孔分别连通有机废水和电解液，光源照射导电玻璃1进行发电。

[0006] 所述的平铺式双极光响应光电化学电池，优选的，还包括：

[0007] 在一侧腔室喷涂光阳极催化剂的导电玻璃上开设两个管道孔，有机废水的出水口连接进水管道孔，排水管道孔连接污水管道；在另一侧腔室喷涂光阴极催化剂的导电玻璃上也开设两个管道孔，电解液的出液口连接进液管道孔，排液管道孔连接电解液回收器。

[0008] 所述的平铺式双极光响应光电化学电池，优选的，所述导电玻璃1替换为第二交换膜，第一交换膜4替换为反应腔室盖板7；在两个腔室中填充多孔金属材料6。

[0009] 所述的平铺式双极光响应光电化学电池，优选的，所述交换膜4包括：质子交换膜或者离子交换膜。

[0010] 所述的平铺式双极光响应光电化学电池，优选的，所述多孔泡沫金属材料与光催化剂、交换膜无缝接触，实现质子转移转化阻力降低。

[0011] 所述的平铺式双极光响应光电化学电池，优选的，所述两个隔绝空间分别为六边形，进液管道孔15和出液管道孔16分别设置在催化剂的两端，且进液管道孔15和出液管道孔16分别在该六边形正相对的内角位置。

[0012] 本发明还公开一种建筑物屋顶处理生活污水发电系统，包括：通过水泵13连接污水管道8，通过水泵13将污水管道8引入建筑物屋顶，污水管道8设置污水控制器9，污水管道8出水口连接平铺式双极光响应光电化学电池进水口，平铺式双极光响应光电化学电池排水口连接污水管道进水口，平铺式双极光响应光电化学电池并联电能储存机构11和用电负荷12。

[0013] 本发明还公开一种平铺式双极光响应光电化学电池工作方法，包括如下步骤：

[0014] S1，生活污水经过过滤残渣之后，由水泵将生活污水抽至建筑物的屋顶，通过污水控制器对水流进行控制，污水引入平铺式双极光响应光电化学电池中进行发电；

[0015] S2，对于不含有电解质的污水，光阳极、光阴极、质子离子交换膜、多孔金属材料、液体进出口以及反应腔室，光阳极催化剂由TiO2或WO3、ZnO、Fe2O3、SrTiO3n型半导体材料组成；光阴极催化剂由Cu2O或CuO、CuFeO2、 Si、CuInS2P型半导体材料组成，将光阴极、光阳极的催化剂喷涂于交换膜上，随后将多孔金属材料与交换膜、催化剂无缝隙结合；

[0016] 开启所述光源，将反应液通入反应腔室内，反应液流过过多孔金属材料，到达光阳极、光阴极表面进行光催化反应，产生电子空穴对，光阳极产生的光生空穴具有强氧化性，降解废水中的有机污染物，发生氧化反应；而在无氧气条件下，光阴极产生的光生电子与电解质溶液中的H+进行还原反应，产生氢气；在有氧气条件下，光阴极产生的光生电子与电解质溶液中的H+和氧气进行反应，产生水。光阳极产生的质子或离子直接通过质子交换膜进行交换，光阳极产生的光生电子在电势作用下，通过多孔金属材料、外电路转移至光阴极，与光阴极产生的光生空穴结合；

[0017] S3，在平铺式双极光响应光电化学电池中，光阳极催化剂由TiO2或WO3、ZnO、Fe2O3、SrTiO3的n型半导体材料组成；光阴极催化剂由Cu2O或CuO、CuFeO2、Si、CuInS2的P型半导体材料组成，由于太阳光线直接照射导电玻璃或者交换膜，所述光阳极催化剂、光阴极催化剂均能够直接响应光照并且产生电荷；光阴极、光阳极以同一片导电玻璃作为基质，沉淀于导电侧，采用刻蚀的方法，在光阳极、光阴极接触界面进行刻蚀，防止光阴阳极导电，通过交换膜形成、隔离阴阳极反应腔室；

[0018] 在光阳极和光阴极分别通入PH值不同的有机污水及电解质溶液，通过光照，在光阴阳极产生光电化学反应，产生电子空穴对，光阳极产生的光生空穴具有强氧化性，降解废水中的有机污染物，发生氧化反应；而光阴极产生的光生电子与电解质溶液中的O2进行还原反应，产生OH-或者H2O，或在无氧气条件下产生氢气；光阳极和光阴极通过交换膜进行质子或者离子交换，光阳极产生的光生电子在电势的作用下，通过外电路转移至光阴极，与光阴极产生的光生空穴结合，由此构成回路，实现有机污水降解、产生电能；

[0019] S4，在负载用电情况下，电压转换机构通过直流/交流变换器或直流/直流变换器进行电流转变，满足用户的供电需求；在需要储存电能的状态下，通过电能储存机构进行蓄电操作；

[0020] S5，电能储存机构储存电能完毕时，通过污水控制器控制污水引入的流量，平铺式双极光响应光电化学电池停止工作，如果此时还有负载用电需求，通过电能储存机构进行供电操作，当电能储存机构低电量时，继续增加污水控制器继续引入污水的流速进行发电操作。

[0021] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

[0022] 本发明采用同时响应光的光阳极和光阴极材料，同时实现对光阳极和光阴极的驱动，当电池工作时，双极协同作用，产生更多的电子-空穴对，提高电池对光的利用效率、电池效率，并降低成本，更经济化。

[0023] 采用平铺式结构，仅需一侧光源，光照强度相同、光照均匀，提高光的利用效率，且更易于实际生活中的应用。

[0024] 采用紫外光固化NOA81胶等绝缘惰性材料制作反应腔室，实现反应腔室厚度微型化，减少质子转移距离，降低质子传输阻力，提高电池效率。

[0025] 通过分离光阳极、光阴极腔室，有利于实现阴阳极反应液PH值的不同，有效提高电池反应效率，并且有利于后期的气体分离。

[0026] 采用多孔泡沫金属材料，实现了电荷传输和物质传输的双重强化，而且为质子离子交换膜和催化剂提供良好的支撑作用，有利于光电化学电池的高效稳定运行。

[0027] 本发明基于微流体控制技术，具有比表面积大、传质效率高、流动控制精确和接触时间短等优势。

[0028] 所述光响应光催化燃料电池与同类电池相比，更具有显著的降解有机物和产电的性能。

[0029] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明

[0030] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0031] 图1是本发明结构俯视图；

[0032] 图2是本发明反应器1示意图；

[0033] 图3是本发明反应器1的A部示意图；

[0034] 图4是本发明反应器2示意图；

[0035] 图5是本发明具体实施方式示意图；

[0036] 图6是本发明具体结构示意图。

具体实施方式

[0037] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0038] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0039] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0040] 如图1所示，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0041] 一种双电极可见光响应处理有机污水光电化学电池，包括光阳极、光阴极、导电玻璃、质子离子交换膜、微型反应腔室、电解质溶液、有机废水和溶液进出口。所述的光阳极可由TiO2或WO3、ZnO、Fe2O3、SrTiO3等n型半导体组成；所述的光阴极可由Cu2O或、CuO、CuFeO2、Si、CuInS2等P型半导体材料组成，所述光阳极、光阴极材料均能够直接响应光照并且产生电荷。光阴极、光阳极以同一片导电玻璃作为基质，沉淀于导电侧，采用刻蚀的方法，在光阳极、光阴极接触界面进行刻蚀，防止光阴阳极导电，反应腔室的制备并通过质子离子交换膜形成、隔离阴阳极反应腔室。

[0042] 开启所述光源，在光阳极和光阴极分别通入PH值不同的有机污水电解质溶液，通过光照，在光阴阳极产生光电化学反应，产生电子空穴对，光阳极产生的光生空穴具有强氧化性，降解废水中的有机污染物，发生氧化反应；而光阴极产生的光生电子在无氧气条件下与电解质溶液中的H+进行还原反应，产生氢气。若电解液中含有氧，光阴极产生的光生电子与溶液中的氧气发生还原反应，生成OH-或者H2O光阳极和光阴极通过质子离子交换膜进行质子离子交换，光阳极产生的光生电子在电势的作用下，通过外电路转移至光阴极，与光阴极产生的光生空穴结合，由此构成回路，实现有机污水降解、产电以及制氢的制备。

[0043] 屋顶处理废水发电系统，包括光电化学电池装置、电能储存机构、电压转换机构、生活污水管道、污水控制器及用电负载。生活污水在污水控制器的调控下，通过管道进入光电化学电池内部腔室，在光照作用下，进行光电化学反应，分解污水中的有机物质，阴阳极产生的电能通过电能储存机构进行储存，在负载用电情况下，电压转换机构即直流/交流变换器或直流/直流变换器进行电流转变，满足用户的供电需求；降解后的污水通过管道进入氢气收集装置，进行氢气的分离、存储及利用。

[0044] 另外一种实现方案：

[0045] 由于生活污水不一定含有电解质，故可采用另外一种方案，如图4所示，包括光阳极、光阴极、质子离子交换膜、多孔金属材料、液体进出口以及微型反应腔室。将光阴极、光阳极的催化剂喷涂于质子离子交换膜上，随后将多孔金属材料于质子离子交换膜、催化剂无缝隙结合，其余特征与上一方案一致。

[0046] 开启所述光源，将反应液通入反应腔室内，反应液流过多孔泡沫金属材料，到达光阳极、光阴极表面进行光催化反应，产生电子空穴对，光阳极产生的光生空穴具有强氧化性，降解废水中的有机污染物，发生氧化反应；而光阴极产生的光生电子与电解质溶液中的H+进行还原反应，产生氢气。光阳极产生的质子离子直接通过质子交换膜进行交换，光阳极产生的光生电子在电势作用下，通过多孔金属材料、外电路转移至光阴极，与光阴极产生的光生空穴结合，由此构成一回路，实现有机污水的降解、产电以及制氢的制备。

[0047] 本发明的主要优点：

[0048] 本发明采用光电化学电池具有可降解污染物范围广的优势，同时采用光响应的光阳极和光阴极材料，同时实现对光阳极和光阴极的驱动，当电池工作时，双极协同作用，产生更多的电子-空穴对，提高电池对光的利用效率和电池效率。

[0049] 采用平铺式结构，仅需一侧光源，光照强度相同、光照均匀，提高光的利用效率，且更易于实际生活中的应用。

[0050] 采用紫外光固化NOA81胶制作反应腔室，实现反应腔室厚度微型化，减少质子转移距离，降低质子传输阻力，提高电池效率。

[0051] 通过分离光阳极、光阴极腔室，实现不同阴阳极反应液的PH值，有效提高电池反应效率，并且有利于后期的气体分离。

[0052] 采用多孔泡沫金属材料，实现了电荷传输和物质传输的双重强化，而且为质子离子交换膜和催化剂提供良好的支撑作用，有利于光电化学电池的高效稳定运行。

[0053] 本发明提出的屋顶污水处理系统，不仅可以处理污水，还可以起到隔热效果，可以减少屋顶隔热材料使用量。

[0054] 本发明基于微流体控制技术，具有比表面积大、传质效率高、流动控制精确和接触时间短等优势。

[0055] 所述光响应光催化燃料电池与同类电池相比，更具有显著的降解有机物和产电的性能。

[0056] 1：导电玻璃

[0057] 2：光阳极催化剂

[0058] 3：光阴极催化剂

[0059] 4：质子离子交换膜

[0060] 5：NOA81隔离胶体

[0061] 6：多孔金属材料

[0062] 7：反应腔室盖板

[0063] 8：生活污水管道

[0064] 9：污水控制器

[0065] 10：光电化学电池装置

[0066] 11：电能储存机构

[0067] 12：用电负荷

[0068] 13：水泵

[0069] 14：导电膜

[0070] 15：进液管道孔

[0071] 16：出液管道孔

[0072] 17、18隔绝空间

[0073] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0074] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

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平铺式双极光响应光电化学电池及建筑物屋顶处理生活污水发电系统和工作方法

平铺式双极光响应光电化学电池及建筑物屋顶处理生活污水

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