專利名稱：一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生能源規(guī)模制備領(lǐng)域，涉及一種直接太陽(yáng)能光照下的光催化分解水制氫及氫氣分離及收集裝置，特別涉及一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常規(guī)一次能源供應(yīng)不足，化石能源利用造成嚴(yán)重污染以及農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)用能問(wèn)題等已使我國(guó)面臨多重壓力，促使人們不得不尋找新的潔凈替代能源。氫氣無(wú)臭無(wú)毒，燃燒后產(chǎn)物是水無(wú)污染，且儲(chǔ)存、運(yùn)輸方便，易于再生，已普遍被人們認(rèn)為是一種新世紀(jì)最理想的無(wú)污染的綠色能源。目前國(guó)際社會(huì)一直在大力推動(dòng)形成可持續(xù)發(fā)展的“氫能經(jīng)濟(jì)”。氫能經(jīng)濟(jì)形成的一個(gè)關(guān)鍵因素是獲得廉價(jià)的氫能源，而利用太陽(yáng)能光催化分解水規(guī)模制氫是當(dāng)前乃至未來(lái)最有希望實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)并獲得廉價(jià)氫氣的高新技術(shù)。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光催化制氫的關(guān)鍵，一是要對(duì)具有可見光響應(yīng)的高效催化劑的開發(fā)，二是太陽(yáng)能聚光技術(shù)。太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，是理想的清潔能源，但其能量密度低，分散不穩(wěn)定的缺點(diǎn)限制對(duì)其的規(guī)模利用。太陽(yáng)能聚光器的出現(xiàn)使太陽(yáng)能高效利用成為了可能。由于可見光催化劑的光催化產(chǎn)氫性能與入射光強(qiáng)成正比，如果能把光催化產(chǎn)氫裝置與太陽(yáng)能聚光裝置有機(jī)地耦合起來(lái)，將會(huì)大幅提高太陽(yáng)能光催化制氫的效率。
目前，國(guó)際上將光催化降解有機(jī)物與太陽(yáng)能聚光相耦合的較多。該技術(shù)在技術(shù)及理論層次上均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在美國(guó)及歐洲都有大型的示范裝置，關(guān)于太陽(yáng)能聚光裝置與光催化降解有機(jī)物的耦合裝置的場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)的報(bào)道也很多。不過(guò)將太陽(yáng)能聚光與光催化制氫相耦合的例子卻未見有正式報(bào)道。光催化降解有機(jī)物與光催化制氫的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)(1)光催化降解有機(jī)物過(guò)程中通常人為通入氧氣以產(chǎn)生自由基提高降解效率，而光催化制氫過(guò)程必須保證絕對(duì)無(wú)氧以避免逆反應(yīng)的發(fā)生；(2)光催化制氫過(guò)程中有氣體生成，因此需要考慮氣體的分離和收集裝置，系統(tǒng)需密閉以避免氫氣損失；(3)光催化制氫過(guò)程對(duì)系統(tǒng)的溫度要求與犧牲劑的選擇有關(guān)。為避免水的蒸發(fā)，所有反應(yīng)系統(tǒng)其溫度均應(yīng)保持在80℃以下。
檢索、查閱相關(guān)文獻(xiàn)、專利等資料發(fā)現(xiàn)，目前有不少關(guān)于光催化制氫反應(yīng)的報(bào)道，但這些體系由于實(shí)驗(yàn)裝置等條件限制，大都是采用氙燈、鎢燈等模擬太陽(yáng)光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能直接有效利用太陽(yáng)能。在光催化領(lǐng)域，太陽(yáng)能的應(yīng)用主要局限于光催化降解有機(jī)物，而直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫實(shí)驗(yàn)卻沒有正式報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)。利用此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)直接有效利用太陽(yáng)能連續(xù)式光催化分解水產(chǎn)氫，并實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的有效檢測(cè)、分離和收集。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明儲(chǔ)液罐的進(jìn)料口連接有進(jìn)料泵；儲(chǔ)液罐頂部出口依次連接氣相色譜儀、流量計(jì)和集氣瓶；底部出口連接循環(huán)泵，連接循環(huán)泵連接到光催化反應(yīng)器一端，光催化反應(yīng)器另一端連接到儲(chǔ)液罐；儲(chǔ)液罐壁上設(shè)有溫度探頭、精密壓力表。
儲(chǔ)液罐底部出口連接有氮?dú)馄俊?br> 光催化反應(yīng)器包括不銹鋼支架、不銹鋼支架斜面與水平面夾角為a，a的取值為當(dāng)?shù)鼐暥龋泵嫔贤ㄟ^(guò)軸承固定有至少一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器，各個(gè)復(fù)合拋物面聚光器之間通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿連接，復(fù)合拋物面聚光器的中心均設(shè)有一個(gè)管式反應(yīng)器，各個(gè)管式反應(yīng)器之間通過(guò)PVC管串聯(lián)在一起。
復(fù)合拋物面聚光器由反光面構(gòu)成的復(fù)合拋物面，反光面由玻璃鋼支撐曲面和鋁膜組成，在玻璃鋼支撐曲面的內(nèi)表面上壓制有鋁膜，鋁膜的表面有氧化鋁鍍層。
調(diào)節(jié)螺桿由橫桿和拉桿相連接組成，橫桿與各個(gè)復(fù)合拋物面聚光器連接，拉桿連接在不銹鋼支架上。
管式反應(yīng)器用石英或派熱克斯Pyrex玻璃制作。
儲(chǔ)液罐的中部為圓柱形，底部及上端為錐形。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明的聚光器采用復(fù)合拋物面型，可以把接收角范圍內(nèi)的直射和散射光聚集到反應(yīng)管上，對(duì)天氣條件變化的適應(yīng)性強(qiáng)，不需太陽(yáng)跟蹤裝置，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)費(fèi)用低廉的優(yōu)點(diǎn)。
2、由于組成本發(fā)明的復(fù)合拋物面型聚光器傾斜放置，且其傾角可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可以在不同緯度的地區(qū)使用，并能達(dá)到較好的效果，實(shí)用方便。
3、由于本發(fā)明的儲(chǔ)液罐上裝有溫度探頭、精密壓力表和流量計(jì)等測(cè)量?jī)x器，因此可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)條件的變化。儲(chǔ)液罐上連接的進(jìn)料泵為精密計(jì)量泵，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確加料，連續(xù)產(chǎn)氫。
4、由于本發(fā)明中組成光催化反應(yīng)器的復(fù)合拋物面聚光器和管式反應(yīng)器的數(shù)量可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求隨意增減，因此本發(fā)明可應(yīng)用于各種不同活性光催化劑的分解水制氫，亦可推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，并便于根據(jù)實(shí)際工程要求進(jìn)一步放大。


圖1是本發(fā)明的太陽(yáng)能分解水制氫耦合裝置的系統(tǒng)總示意圖；圖2是本發(fā)明的光催化反應(yīng)器示意圖；圖3是本發(fā)明的復(fù)合拋物面聚光器截面示意圖；下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，儲(chǔ)液罐2的進(jìn)料口連接有進(jìn)料泵6，儲(chǔ)液罐2頂部出口依次連接氣相色譜儀3、流量計(jì)4和集氣瓶5；底部出口連接循環(huán)泵7，連接循環(huán)泵7連接到光催化反應(yīng)器1一端，光催化反應(yīng)器1另一端連接到儲(chǔ)液罐2；儲(chǔ)液罐2壁上設(shè)有溫度探頭9、精密壓力表10。上述部件通過(guò)真空玻璃閥、PVC管11和硅膠管連接成，構(gòu)成裝置的反應(yīng)部分、循環(huán)部分、監(jiān)測(cè)部分和加料及出料部分。
反應(yīng)部分由光催化反應(yīng)器1組成，光催化反應(yīng)在管式反應(yīng)器15中進(jìn)行，當(dāng)反應(yīng)液流經(jīng)管式反應(yīng)器15時(shí)，在太陽(yáng)光能作用下，實(shí)現(xiàn)分解水制氫。復(fù)合拋物面聚光器14反射面由玻璃鋼支撐曲面和鋁膜組成，在玻璃鋼支撐曲面內(nèi)表面上壓制有鋁膜，鋁膜的表面有氧化鋁鍍層。管式反應(yīng)器15采用透光性能良好的石英或派熱克斯(Pyrex)玻璃制作。
循環(huán)部分在循環(huán)泵7的帶動(dòng)下，反應(yīng)液及產(chǎn)生的氫氣在由管式反應(yīng)器15、PVC管11、真空玻璃閥、循環(huán)泵7和儲(chǔ)液罐2組成的密閉循環(huán)回路中流動(dòng)，產(chǎn)物氫氣在儲(chǔ)液罐2中因重力作用自然分離經(jīng)流量計(jì)4收集于集氣瓶5。
監(jiān)測(cè)部分由溫度探頭9、精密壓力表10和流量計(jì)4及氣相色譜12構(gòu)成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)回路中液體的溫度、壓力以及氫氣產(chǎn)量。
加料及出料部分由進(jìn)料泵6、儲(chǔ)液罐2及集氣瓶5構(gòu)成，在反應(yīng)前和反應(yīng)過(guò)程中添加反應(yīng)液并收集反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣。
圖2是本發(fā)明的光催化反應(yīng)器示意圖，不銹鋼支架12斜面與水平面夾角為a，a的取值為當(dāng)?shù)鼐暥龋泵嫔贤ㄟ^(guò)軸承固定有設(shè)計(jì)要求數(shù)量的復(fù)合拋物面聚光器14，復(fù)合拋物面聚光器14之間通過(guò)螺釘及調(diào)節(jié)螺桿13連接。調(diào)節(jié)螺桿13分為橫桿和拉桿兩部分。橫桿與各復(fù)合拋物面聚光器14相連，拉桿上刻有螺紋，一端與橫桿連接，另一端經(jīng)過(guò)固定在不銹鋼支架12頂角上的螺母，旋轉(zhuǎn)拉桿即可調(diào)節(jié)聚光器傾角。每個(gè)復(fù)合拋物面聚光器14的中心均設(shè)有一個(gè)管式反應(yīng)器15，管式反應(yīng)器15通過(guò)不銹鋼套管固定在軸承內(nèi)，各管式反應(yīng)器15之間通過(guò)PVC管11連接加料及出料部分，構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。
圖3是本發(fā)明所用復(fù)合拋物面聚光器14的截面示意圖，曲線上部為拋物線，下部為圓的漸開線。
配制好的反應(yīng)液由進(jìn)料泵6經(jīng)過(guò)灌壁上進(jìn)料口輸送入儲(chǔ)液罐2內(nèi)；打開氮?dú)馄?，向循環(huán)回路通氮?dú)庖耘懦銎渲械目諝?，避免逆反?yīng)的發(fā)生；打開循環(huán)泵7使反應(yīng)液經(jīng)儲(chǔ)液罐2底部出口循環(huán)至管式反應(yīng)器15發(fā)生光催化反應(yīng)，產(chǎn)物氣體和反應(yīng)液一起由循環(huán)進(jìn)口進(jìn)入儲(chǔ)液罐2，其中產(chǎn)物氣體由儲(chǔ)液罐2頂部出口排出，由氣相色譜儀3檢測(cè)后流過(guò)流量計(jì)4收集于集氣瓶5，反應(yīng)液由儲(chǔ)液罐2底部出口再次循環(huán)參加反應(yīng)。
以西安地區(qū)為例，試驗(yàn)地點(diǎn)西安，東經(jīng)108°55′，北緯34°15′，海拔411.9m；支架傾角35°，CPC最大入射半角為14°，截短角40°，單根CPC寬度0.4m，長(zhǎng)度1.5m，反應(yīng)管使用透光性能良好的Pyrex玻璃，長(zhǎng)度1.5m，內(nèi)徑22mm，外徑25mm。系統(tǒng)中加入催化劑CdS濃度為1.0g/L，犧牲劑濃度為Na2SO30.1mol/L，Na2S 0.1mol/L，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，總體積10.7L。反應(yīng)液循環(huán)速度25.6cm/s，太陽(yáng)直接輻射量平均為490W/m2條件下該裝置可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫，平均產(chǎn)氫量約為1.8L/h。
權(quán)利要求
1.一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，包括儲(chǔ)液罐(2)，其特征在于，儲(chǔ)液罐(2)的進(jìn)料口連接有進(jìn)料泵(6)，儲(chǔ)液罐(2)頂部出口依次連接氣相色譜儀(3)、流量計(jì)(4)和集氣瓶(5)；底部出口連接循環(huán)泵(7)，連接循環(huán)泵(7)連接到光催化反應(yīng)器(1)一端，光催化反應(yīng)器(1)另一端連接到儲(chǔ)液罐(2)；儲(chǔ)液罐(2)壁上設(shè)有溫度探頭(9)、精密壓力表(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，其特征在于，儲(chǔ)液罐(2)底部出口連接有氮?dú)馄?8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，其特征在于，光催化反應(yīng)器(1)包括不銹鋼支架(12)、不銹鋼支架(12)斜面與水平面夾角為a，a的取值為當(dāng)?shù)鼐暥?，斜面上通過(guò)軸承固定有至少一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器(14)，各個(gè)復(fù)合拋物面聚光器(14)之間通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿(13)連接，復(fù)合拋物面聚光器(14)的中心均設(shè)有一個(gè)管式反應(yīng)器(15)，各個(gè)管式反應(yīng)器(15)之間通過(guò)PVC管(11)串聯(lián)在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，其特征在于，復(fù)合拋物面聚光器(14)由反光面構(gòu)成的復(fù)合拋物面，反光面由玻璃鋼支撐曲面和鋁膜組成，在玻璃鋼支撐曲面的內(nèi)表面上壓制有鋁膜，鋁膜的表面有氧化鋁鍍層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，其特征在于調(diào)節(jié)螺桿(13)由橫桿(16)和拉桿(17)相連接組成，橫桿(16)與各個(gè)復(fù)合拋物面聚光器(14)連接，拉桿(17)連接在不銹鋼支架(12)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，其特征在于管式反應(yīng)器(15)用石英或派熱克斯Pyrex玻璃制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，其特征在于儲(chǔ)液罐(2)的中部為圓柱形，底部及上端為錐形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，該儲(chǔ)液罐頂部出口依次連接氣相色譜儀、流量計(jì)和集氣瓶；底部出口連接循環(huán)泵，連接循環(huán)泵連接到光催化反應(yīng)器一端，光催化反應(yīng)器另一端連接到儲(chǔ)液罐；儲(chǔ)液罐壁上設(shè)有溫度探頭、精密壓力表。光催化反應(yīng)器的不銹鋼支架斜面與水平面夾角為a，a的取值為當(dāng)?shù)鼐暥龋泵嫔贤ㄟ^(guò)軸承固定有至少一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器，各個(gè)復(fù)合拋物面聚光器之間通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿連接，復(fù)合拋物面聚光器的中心均設(shè)有一個(gè)管式反應(yīng)器，各個(gè)管式反應(yīng)器之間通過(guò)PVC管串聯(lián)在一起。本發(fā)明用于利用聚集太陽(yáng)能光催化制氫實(shí)驗(yàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，反應(yīng)速率高，操作方便和運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B3/06GK101033058SQ20071001768
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者郭烈錦, 敬登偉, 張相輝, 邢嬋娟, 張西民 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)