CN100515924C - 一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统，该储液罐顶部出口依次连接气相色谱仪、流量计和集气瓶；底部出口连接循环泵，连接循环泵连接到光催化反应器一端，光催化反应器另一端连接到储液罐；储液罐壁上设有温度探头、精密压力表。光催化反应器的不锈钢支架斜面与水平面夹角为a，a的取值为当地纬度，斜面上通过轴承固定有至少一个复合抛物面聚光器，各个复合抛物面聚光器之间通过调节螺杆连接，复合抛物面聚光器的中心均设有一个管式反应器，各个管式反应器之间通过PVC管串联在一起。本发明用于利用聚集太阳能光催化制氢实验，具有结构简单，费用低，反应速率高，操作方便和运行稳定的优点。

Description

一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统
技术领域
本发明属于可再生能源规模制备领域，涉及一种直接太阳能光照下的光催化分解水制氢及氢气分离及收集装置，特别涉及一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统。
背景技术
常规一次能源供应不足，化石能源利用造成严重污染以及农村边远地区用能问题等已使我国面临多重压力，促使人们不得不寻找新的洁净替代能源。氢气无臭无毒，燃烧后产物是水无污染，且储存、运输方便，易于再生，已普遍被人们认为是一种新世纪最理想的无污染的绿色能源。目前国际社会一直在大力推动形成可持续发展的“氢能经济”。氢能经济形成的一个关键因素是获得廉价的氢能源，而利用太阳能光催化分解水规模制氢是当前乃至未来最有希望实现规模化生产并获得廉价氢气的高新技术。实现太阳能光催化制氢的关键，一是要对具有可见光响应的高效催化剂的开发，二是太阳能聚光技术。太阳能取之不尽，用之不竭，是理想的清洁能源，但其能量密度低，分散不稳定的缺点限制对其的规模利用。太阳能聚光器的出现使太阳能高效利用成为了可能。由于可见光催化剂的光催化产氢性能与入射光强成正比，如果能把光催化产氢装置与太阳能聚光装置有机地耦合起来，将会大幅提高太阳能光催化制氢的效率。
目前，国际上将光催化降解有机物与太阳能聚光相耦合的较多。该技术在技术及理论层次上均取得了长足的发展，在美国及欧洲都有大型的示范装置，关于太阳能聚光装置与光催化降解有机物的耦合装置的场地实验的报道也很多。不过将太阳能聚光与光催化制氢相耦合的例子却未见有正式报道。光催化降解有机物与光催化制氢的区别主要有以下几点：(1)光催化降解有机物过程中通常人为通入氧气以产生自由基提高降解效率，而光催化制氢过程必须保证绝对无氧以避免逆反应的发生；(2)光催化制氢过程中有气体生成，因此需要考虑气体的分离和收集装置，系统需密闭以避免氢气损失；(3)光催化制氢过程对系统的温度要求与牺牲剂的选择有关。为避免水的蒸发，所有反应系统其温度均应保持在80℃以下。
检索、查阅相关文献、专利等资料发现，目前有不少关于光催化制氢反应的报道，但这些体系由于实验装置等条件限制，大都是采用氙灯、钨灯等模拟太阳光源进行实验，不能直接有效利用太阳能。在光催化领域，太阳能的应用主要局限于光催化降解有机物，而直接利用太阳能光催化分解水制氢实验却没有正式报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统。利用此系统能够实现直接有效利用太阳能连续式光催化分解水产氢，并实现对气体的有效检测、分离和收集。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明储液罐的进料口连接有进料泵；储液罐顶部出口依次连接气相色谱仪、流量计和集气瓶；底部出口连接循环泵，连接循环泵连接到光催化反应器一端，光催化反应器另一端连接到储液罐；储液罐壁上设有温度探头、精密压力表。
储液罐底部出口连接有氮气瓶。
光催化反应器包括不锈钢支架、不锈钢支架斜面与水平面夹角为a，a的取值为当地纬度，斜面上通过轴承固定有至少一个复合抛物面聚光器，各个复合抛物面聚光器之间通过调节螺杆连接，复合抛物面聚光器的中心均设有一个管式反应器，各个管式反应器之间通过PVC管串联在一起。
复合抛物面聚光器由反光面构成的复合抛物面，反光面由玻璃钢支撑曲面和铝膜组成，在玻璃钢支撑曲面的内表面上压制有铝膜，铝膜的表面有氧化铝镀层。
调节螺杆由横杆和拉杆相连接组成，横杆与各个复合抛物面聚光器连接，拉杆连接在不锈钢支架上。
管式反应器用石英或派热克斯Pyrex玻璃制作。
储液罐的中部为圆柱形，底部及上端为锥形。
本发明具有如下优点：
1、由于本发明的聚光器采用复合抛物面型，可以把接收角范围内的直射和散射光聚集到反应管上，对天气条件变化的适应性强，不需太阳跟踪装置，因此具有结构简单、造价费用低廉的优点。
2、由于组成本发明的复合抛物面型聚光器倾斜放置，且其倾角可以通过调节螺杆进行调节，因此可以在不同纬度的地区使用，并能达到较好的效果，实用方便。
3、由于本发明的储液罐上装有温度探头、精密压力表和流量计等测量仪器，因此可以实时监测反应条件的变化。储液罐上连接的进料泵为精密计量泵，可实现准确加料，连续产氢。
4、由于本发明中组成光催化反应器的复合抛物面聚光器和管式反应器的数量可以根据设计要求随意增减，因此本发明可应用于各种不同活性光催化剂的分解水制氢，亦可推广应用到其他领域，并便于根据实际工程要求进一步放大。
附图说明
图1是本发明的太阳能分解水制氢耦合装置的系统总示意图；
图2是本发明的光催化反应器示意图；
图3是本发明的复合抛物面聚光器截面示意图；
下面结合附图对本发明的技术内容作进一步详细说明。
具体实施方式
如图1所示，储液罐2的进料口连接有进料泵6，储液罐2顶部出口依次连接气相色谱仪3、流量计4和集气瓶5；底部出口连接循环泵7，连接循环泵7连接到光催化反应器1一端，光催化反应器1另一端连接到储液罐2；储液罐2壁上设有温度探头9、精密压力表10。上述部件通过真空玻璃阀、PVC管11和硅胶管连接成，构成装置的反应部分、循环部分、监测部分和加料及出料部分。
反应部分：由光催化反应器1组成，光催化反应在管式反应器15中进行，当反应液流经管式反应器15时，在太阳光能作用下，实现分解水制氢。复合抛物面聚光器14反射面由玻璃钢支撑曲面和铝膜组成，在玻璃钢支撑曲面内表面上压制有铝膜，铝膜的表面有氧化铝镀层。管式反应器15采用透光性能良好的石英或派热克斯(Pyrex)玻璃制作。
循环部分：在循环泵7的带动下，反应液及产生的氢气在由管式反应器15、PVC管11、真空玻璃阀、循环泵7和储液罐2组成的密闭循环回路中流动，产物氢气在储液罐2中因重力作用自然分离经流量计4收集于集气瓶5。
监测部分：由温度探头9、精密压力表10和流量计4及气相色谱12构成，实时监测循环回路中液体的温度、压力以及氢气产量。
加料及出料部分：由进料泵6、储液罐2及集气瓶5构成，在反应前和反应过程中添加反应液并收集反应中产生的氢气。
图2是本发明的光催化反应器示意图，不锈钢支架12斜面与水平面夹角为a，a的取值为当地纬度，斜面上通过轴承固定有设计要求数量的复合抛物面聚光器14，复合抛物面聚光器14之间通过螺钉及调节螺杆13连接。调节螺杆13分为横杆和拉杆两部分。横杆与各复合抛物面聚光器14相连，拉杆上刻有螺纹，一端与横杆连接，另一端经过固定在不锈钢支架12顶角上的螺母，旋转拉杆即可调节聚光器倾角。每个复合抛物面聚光器14的中心均设有一个管式反应器15，管式反应器15通过不锈钢套管固定在轴承内，各管式反应器15之间通过PVC管11连接加料及出料部分，构成一个封闭的循环回路。
图3是本发明所用复合抛物面聚光器14的截面示意图，曲线上部为抛物线，下部为圆的渐开线。
配制好的反应液由进料泵6经过灌壁上进料口输送入储液罐2内；打开氮气瓶8，向循环回路通氮气以排出其中的空气，避免逆反应的发生；打开循环泵7使反应液经储液罐2底部出口循环至管式反应器15发生光催化反应，产物气体和反应液一起由循环进口进入储液罐2，其中产物气体由储液罐2顶部出口排出，由气相色谱仪3检测后流过流量计4收集于集气瓶5，反应液由储液罐2底部出口再次循环参加反应。
以西安地区为例，试验地点：西安，东经108°55′，北纬34°15′，海拔411.9m；支架倾角35°，CPC最大入射半角为14°，截短角40°，单根CPC宽度0.4m，长度1.5m，反应管使用透光性能良好的Pyrex玻璃，长度1.5m，内径22mm，外径25mm。系统中加入催化剂CdS浓度为1.0g/L，牺牲剂浓度为Na2SO30.1mol/L，Na2S 0.1mol/L，实验用水为去离子水，总体积10.7L。反应液循环速度25.6cm/s，太阳直接辐射量平均为490W/m2条件下该装置可以实现连续稳定产氢，平均产氢量约为1.8L/h。

Claims (6)

1.一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统，包括储液罐(2)，其特征在于，储液罐(2)的进料口连接有进料泵(6)，储液罐(2)顶部出口依次连接气相色谱仪(3)、流量计(4)和集气瓶(5)；底部出口连接循环泵(7)，连接循环泵(7)连接到光催化反应器(1)一端，光催化反应器(1)另一端连接到储液罐(2)；储液罐(2)壁上设有温度探头(9)、精密压力表(10)，光催化反应器(1)包括不锈钢支架(12)、不锈钢支架(12)斜面与水平面夹角为a，a的取值为当地纬度，斜面上通过轴承固定有至少一个复合抛物面聚光器(14)，各个复合抛物面聚光器(14)之间通过调节螺杆(13)连接，复合抛物面聚光器(14)的中心均设有一个管式反应器(15)，各个管式反应器(15)之间通过PVC管(11)串联在一起。
2、根据权利要求1所述的一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统，其特征在于，储液罐(2)底部出口连接有氮气瓶(8)。
3、据权利要求1述的一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统，其特征在于，复合抛物面聚光器(14)由反光面构成的复合抛物面，反光面由玻璃钢支撑曲面和铝膜组成，在玻璃钢支撑曲面的内表面上压制有铝膜，铝膜的表面有氧化铝镀层。
4、据权利要求1述的一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统，其特征在于：调节螺杆(13)由横杆(16)和拉杆(17)相连接组成，横杆(16)与各个复合抛物面聚光器(14)连接，拉杆(17)连接在不锈钢支架(12)上。
5、据权利要求1述的一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统，其特征在于：管式反应器(15)用石英或派热克斯Pyrex玻璃制作。
6、据权利要求1所述的一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统，其特征在于：储液罐(2)的中部为圆柱形，底部及上端为锥形。
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