CN104226224A - 一种光催化制氢系统及制氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光催化制氢系统及产气测量方法,包括惰性气源、光催化反应装置、气体集排放计量装置、气体检测验证装置及主阀控管路，所述主阀控管路依次连接所述惰性气源、光催化反应装置、气体集排放计量装置及气体检测验证装置，所述气体检测验证装置内设置有氢燃料电池，所述氢燃料电池电连接负载。其中所述的氢燃料电池两端还连接有电压显示表。本发明实现了光催化反应、产气计量、气体检测验证的一体化；气体计量检测方法简单、直观、有效；操作难度降低，可维护性提高；产品成本、维护保养成本、运行环境成本大幅度降低。

Description

一种光催化制氢系统及制氢方法

技术领域

本发明涉及一种光催化制氢系统及制氢方法，光催化反应领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益加重，新型能源系统则越来越多地受到各国人民的重视。光催化反应制氢是获取氢能的一种重要方法，对其研究一方面侧重于开发高效、稳定长寿命的光催化剂；另一方面则侧重于光催化制氢反应过程及反应系统的研究。

光催化反应制氢的反应测量装置已有所开发，如已商业化的产品，一般为闭式的玻璃环路系统，通过在线取样并由气相色谱仪进行气体分析和检测，系统复杂且较为昂贵，维护复杂且维护成本很高，仅适用于科学研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适合进行光催化反应教学及研究的光催化制氢系统及产气测量验证方法，以完整、连续进行光催化反应并且直观地进行气体产物的测量验证。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种光催化制氢系统,其特征在于，包括惰性气源、光催化反应装置、气体集排放计量装置、气体检测验证装置及主阀控管路，

所述主阀控管路依次连接所述惰性气源、光催化反应装置、气体集排放计量装置及气体检测验证装置，所述气体检测验证装置内设置有氢燃料电池，所述氢燃料电池电连接负载。其中所述的氢燃料电池两端还连接有电压显示表。

本发明的有益效果是：实现了光催化反应、产气计量、气体检测验证的一体化；气体计量检测方法简单、直观、有效；操作难度降低，可维护性提高；产品成本、维护保养成本、运行环境成本大幅度降低。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

本发明如上所述一种光催化制氢系统,进一步，所述主阀控管路包括第一阀控管路、气体流量计及第一三通阀，第二阀控管路及第二三通阀、第三三通阀及第三阀控管路、直通阀，

所述第一阀控管路连接所述惰性气源与光催化反应装置的进气口，所述气体流量计及第一三通阀依次通过两个口连接在所述第一阀控管路上；

所述第二阀控管路连接所述光催化反应装置的出气口及所述气体集排放计量装置进气口，所述第二三通阀、第三三通阀均分别通过两个口连接在所述第二阀控管路上；

第三阀控管路连接所述气体集排放计量装置出气口及所述气体检测验证装置的进样口，所述直通阀安装在所述第三阀控管路上。

采用上述进一步方案的有益效果是:通过各阀门的调节，使反应器、循环泵、集气管及阀控管路形成一个封闭空间。

本发明如上所述一种光催化制氢系统,进一步，所述第二三通阀的第三个口为取样口。取样口可以外接气相色谱或氢传感器，以实现对氢气的检测与验证。

采用上述进一步方案的有益效果是:可以对光催化反应装置产生的氢气实现微量检测。

本发明如上所述一种光催化制氢系统,进一步，还包括循环管路包括第一循环管路、第二循环管路、第三循环管路、四通阀及循环泵，

所述第一循环管路连接所述第一三通阀的第三个口，另一端连接所述第三三通阀的第三个口；所述四通阀通过两个口连接在所述第一循环管路上；所述循环泵连接在所述四通阀与第三三通阀之间的第一循环管路上；所述第二循环管路一端连接所述四通阀的第三个口，另一端连通所述气体集排放计量装置的上部的侧排气口；所述第三循环管路一端连接所述四通阀的第四个口，另一端连通所述气体集排放计量装置的上部的侧进气口，所述侧进气口为斜切入式进气结构。

采用上述进一步方案的有益效果是:循环泵提供系统内气体的循环动力，可对封闭空间的气体提供循环动力，对气体实现搅拌作用使得气体混合均匀；且斜切入式进气结构，沿集气管壁斜向下的气流有助于集气管内气体的充分混合，以实现收集气体搅拌与浓度的稳定、均一。

本发明如上所述一种光催化制氢系统,进一步，所述气体集排放计量装置包括集气管及副阀控管路及储水瓶，所述集气管倒置的滴管或移液管形状顶端为出气口，下部一侧设置有进气口，上部一侧设置有侧出气口及侧进气口，所述储水瓶通过副阀控管路连接所述集气管的底端；所述副阀控管路上安装有第四三通阀，所述第四三通阀的第三个口连通储水槽。

采用上述进一步方案的有益效果是:可以实现对集气管内气体的排放。

本发明如上所述一种光催化制氢系统,进一步，所述光催化反应装置包括底座及磁力搅拌器、具有控温层的反应器、U型光窗及光源，所述磁力搅拌器安装在所述底座上；所述具有控温层的反应器位于所述磁力搅拌器上，所述U型光窗位于反应器内，所述光源位于U型光窗内；所述控温层一侧的上方设有恒温流体入口，另一侧的下方设有恒温流体出口。

所述的光源优选具有可调节式恒流电源，可实现对LED光源发光功率的调节；光源允许更换，可根据反应体系需要选择相应波长的LED光源。

采用上述进一步方案的有益效果是:由于反应器设置有控温层，温控层通过外接恒温流体介质，可以实现对光催化反应系统温度的准确控制。

本发明还提供一种光催化制氢方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述一种光催化制氢系统进行制氢，包括以下步骤，

步骤(1)连通主阀控管道，对系统进行清扫工作，确保管道内物无杂质气体，开启光催化反应装置，将产生的氢气通过所述气体集排放计量装置收集；

步骤(2)将收集的气体通入所述气体检测验证装置，通过气体检测验证装置内设置有氢燃料电池及氢燃料电池电连接负载及电压显示表直观的实现对氢气的检测。

附图说明

图1为本发明实施例的光催化制氢系统连接示意图；

图2为本发明实施例的光催化制氢系统结构示意图；

图3为本发明实施例的内照式光源示意图；

图4为斜切式进气口结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、惰性气源，2、光催化反应装置，3、气体集排放计量装置，4、气体检测验证装置，5、负载，6、主阀控管路，7、电压显示表，8、循环管路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1一种光催化制氢系统,包括惰性气源、光催化反应装置、气体集排放计量装置、气体检测验证装置及主阀控管路，

所述主阀控管路6依次连接所述惰性气源1、光催化反应装置2、气体集排放计量装置3及气体检测验证装置4，所述气体检测验证装置4内设置有氢燃料电池，所述氢燃料电池电连接负载5及电压显示表7。

本发明如图2所示，所述主阀控管路包括第一阀控管路61、气体流量计62及第一三通阀63，第二阀控管路64及第二三通阀65、第三三通阀66及第三阀控管路67、直通阀68，

所述第一阀控管路61连接所述惰性气源1与光催化反应装置2的进气口28，所述气体流量计62及第一三通阀63依次分别通过两个口连接在所述第一阀控管路61上；

所述第二阀控管路64连接所述光催化反应装置2的出气口29及所述气体集排放计量装置3进气口35，所述第二三通阀65、第三三通阀66均分别通过两个口连接在所述第二阀控管路64上；

第三阀控管路67连接所述气体集排放计量装置3出气口34及所述气体检测验证装置4的进样口41，所述直通阀68安装在所述第三阀控管路67上。

如图2所示，本发明另一种实施方式是：还包括循环管路8包括第一循环管路81、第二循环管路82、第三循环管路83、四通阀84及循环泵85，

所述第一循环管路81连接所述第一三通阀63的第三个口，另一端连接所述第三三通阀66的第三个口；所述四通阀84通过两个口连接在所述第一循环管路81上；所述循环泵85连接在所述四通阀84与第三三通阀66之间的第一循环管路81上；所述第二循环管路82一端连接所述四通阀的第三个口，另一端连通所述气体集排放计量装置3的上部的侧排气口36；所述第三循环管路83一端连接所述四通阀84的第四个口，另一端连通所述气体集排放计量装置的上部的侧进气口37，所述侧进气口37为斜切入式进气结构。斜切入式进气结构可以使得制备的气体沿集气管壁斜向下的气流有助于集气管内气体的充分混合，以实现收集气体搅拌与浓度的稳定、均一。

本发明优选一种实施方式是：所述气体集排放计量装置3包括集气管31及副阀控管路32及储水瓶33，所述集气管31倒置的滴管或移液管形状顶端为出气口34，下部一侧设置有进气口35，上部一侧设置有侧出气口36及侧进气口37，所述储水瓶33通过副阀控管路32连接所述集气管31的底端；所述副阀控管路32上安装有第四三通阀321，所述第四三通阀321的第三个口连通储水槽38。

上述集气管31为滴管或移液管形状顶端带有玻璃螺纹接头出气口，内部为锥口，与锥形密封圈结合后，用于连接玻璃容器与不锈钢气管，可实现良好的气密性。

所述光催化反应装置2包括底座及磁力搅拌器21、具有控温层的反应器22、U型光窗23及光源24，所述磁力搅拌器21安装在所述底座27上；所述具有控温层的反应器位于所述磁力搅拌器上，所述U型光窗23位于反应器22内，所述光源位于U型光窗23内；所述控温层一侧的上方设有恒温流体入口25，另一侧的下方设有恒温流体出口26。

如图2所示，本发明在具体实施过程中，对于光化学反应的光源，还可以采用内照式光源，所述的光源优选具有可调节式恒流电源，可实现对LED光源发光功率的调节；光源允许更换，可根据反应体系需要选择相应波长的LED光源。

如图2所示所述第二三通阀的第三个口653为取样口。取样口可以外接

气相色谱或氢传感器，以实现对氢气的检测与验证。

本发明一种光催化制氢系统的工作过程：

光催化反应进行前，使用惰性气体进行系统吹扫，第一三通阀门63的第一个口A和第二个口B连通，第二三通阀门65的第一个口A和第二个口B连通，第三三通阀门66的第一个口A和第二个口B连通，第四三通阀门321第二个口B和第三个口C连通，四通阀门84关闭，直通阀门68打开，开启惰性气体1，通过流量计62调节流速，惰性气体1将吹扫光催化反应器22，集气管31，气体从气体集排放计量装置的出气口34排出；调整第三三通阀66第一个口A和第三个口C连通，第二个口B与第四个口D连通，吹扫循环泵85及其管路，气体从气体集排放计量装置的出气口34排出；调整第一三通阀门63第一个口A与第三个口C连通，四通阀84第一个口A和第三个口C连通，吹扫四通阀及其余管路，气体从气体集排放计量装置的出气口34排出。

排出集气管内气体

调整第一三通阀63第二个口B和第三个口C连通，调整第三三通阀66第一个口A和第三个口C连通，四通阀84关闭，第四三通阀321第一个口A和第二个口B连通，直通阀68开，向储液瓶33内注水，水通过第四三通阀门321流入集气管31，集气管31内气体通过直通阀68排出，注液至液位刻度时关闭直通阀68，调整第四三通阀321第一个口A和第三个口C连通。

光催化制氢

光催化反应器22内的反应溶液在光源24的照射下，经过U形光窗23照射入反应溶液中，反应溶液在磁力搅拌器21作用下实现搅拌，光催化反应器内实现光催化制氢。

所述的光催化制氢过程，可通过调整第三三通阀66第一个口A与第二个口B通，进行制氢的观察，伴随光催化反应的进行，产生的氢气通过集气管底部进气口35进入集气管31内。

氢气的收集与计量，可以采用两种方式实现：

一种方式实现氢气的收集，调整第二三通阀门65第一个口A和第二个口B连通，第三三通阀66第一个口A和第二个口B连通，四通阀84关闭，第四三通阀第一个口A和第四个口C连通，直通阀68关闭，光催化反应器22内产生的氢气通过集气管下进气口35进入集气管31，同时排出集气管内液体，收集气体，并通过刻度线对收集气体进行计量。

另一种方式可实现氢气的收集与循环，调整第一三通阀63第二个口B和第三个口C连通，第二三通阀65第一个口A和第二个口B连通，第三三通阀66第一个口A和第二个口B连通，四通阀84调整第一个口A和第三个口C连通、第二个口B和第三个口D连通，制备的氢气可以通过侧进气口进入集气管，第四三通阀321第一个口A和第三个口C连通，即连通储水槽，直通阀68关闭，开启循环泵85，可在收集氢气的同时，实现对系统内部氢气的搅拌均匀，实现系统内氢气浓度的均一。

氢气的检测

在光催化反应结束或收集气体完成时，调整第四三通阀321关闭。氢气检测，可以通过两种方式实现：

一种方式，可调整第二三通阀65通过第二三通阀53的第三个口C进行取样，对氢气进行检测。

另一种方式，调整第三三通阀66第一个口A和第二个口B连通，第四三通阀321的第一个口A和第二个口B连通，四通阀84关闭，调整直通阀68至开启，集气管内气体由气体集排放计量装置的出气口34流入氢气检测装置的进样口41，氢气进入氢气检测装置通过氢燃料电池作用将化学能转化为电能，在显示表7将显示电压，电流值，负载5工作，以完成对氢气的检测。

上述的三通阀的工作原理是：三通阀体的内部有一个“T”形通道，可通过转动阀体调节通路，一般情况转运90度可实现通路的转换，若转45(+90)度即可关闭所有通路，即三通阀的关闭。

该装置集成有清扫系统、流量调节、气体循环及取样功能。

本发明还提供一种光催化制氢方法，采用上述一种光催化制氢系统进行制氢，包括以下步骤，

步骤(1)连通主阀控管道，对系统进行清扫工作，确保管道内物无杂质气体，开启光催化反应装置，将产生的氢气通过所述气体集排放计量装置收集；

步骤(2)将收集的气体通入所述气体检测验证装置，通过气体检测验证装置内设置有氢燃料电池及氢燃料电池电连接负载及电压显示表直观的实现对氢气的检测。

气体检测装置是一种以氢气为原料的氢燃料电池，氢气在电池的作用下将化学能转化为电能，驱动负载工作，并有电压与电流显示，直观地实现对氢气的检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光催化制氢系统,其特征在于，包括惰性气源、光催化反应装置、气体集排放计量装置、气体检测验证装置及主阀控管路，

所述主阀控管路依次连接所述惰性气源、光催化反应装置、气体集排放计量装置及气体检测验证装置，所述气体检测验证装置内设置有氢燃料电池，所述氢燃料电池电连接负载。

2.根据权利要求1所述一种光催化制氢系统,其特征在于，所述主阀控管路包括第一阀控管路、气体流量计及第一三通阀，第二阀控管路及第二三通阀、第三三通阀及第三阀控管路和直通阀，

所述第一阀控管路连接所述惰性气源与光催化反应装置的进气口，所述气体流量计及第一三通阀依次通过两个口连接在所述第一阀控管路上；

所述第二阀控管路连接所述光催化反应装置的出气口及所述气体集排放计量装置进气口，所述第二三通阀、第三三通阀均分别通过两个口连接在所述第二阀控管路上；

第三阀控管路连接所述气体集排放计量装置出气口及所述气体检测验证装置的进样口，所述直通阀安装在所述第三阀控管路上。

3.根据权利要求3所述一种光催化制氢系统,其特征在于，还包括循环管路包括第一循环管路、第二循环管路、第三循环管路、四通阀及循环泵，

所述第一循环管路连接所述第一三通阀的第三个口，另一端连接所述第三三通阀的第三个口；所述四通阀通过两个口连接在所述第一循环管路上；所述循环泵连接在所述四通阀与第三三通阀之间的第一循环管路上；所述第二循环管路一端连接所述四通阀的第三个口，另一端连通所述气体集排放计量装置的上部的侧排气口；所述第三循环管路一端连接所述四通阀的第四个口，另一端连通所述气体集排放计量装置的上部的侧进气口，所述侧进气口为斜切入式进气结构。

4.根据权利要求3所述一种光催化制氢系统,其特征在于，所述第二三通阀的第三个口为取样口。

5.根据权利要求1至4所述一种光催化制氢系统,其特征在于，所述气体集排放计量装置包括集气管及副阀控管路及储水瓶，所述集气管倒置的滴管或移液管形状顶端为出气口，下部一侧设置有进气口，上部一侧设置有侧出气口及侧进气口，所述储水瓶通过副阀控管路连接所述集气管的底端；所述副阀控管路上安装有第四三通阀，所述第四三通阀的第三个口连通储水槽。

6.根据权利要求1至4所述一种光催化制氢系统,其特征在于，所述光催化反应装置包括底座及磁力搅拌器、具有控温层的反应器、U型光窗及光源，所述磁力搅拌器安装在所述底座上；所述具有控温层的反应器位于所述磁力搅拌器上，所述U型光窗位于反应器内，所述光源位于U型光窗内；所述控温层一侧的上方设有恒温流体入口，另一侧的下方设有恒温流体出口。

7.一种光催化制氢方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述一种光催化制氢系统进行制氢，包括以下步骤，

步骤(1)连通主阀控管道，对系统进行清扫工作，确保管道内物无杂质气体，开启光催化反应装置，将产生的氢气通过所述气体集排放计量装置收集；

步骤(2)将收集的气体通入所述气体检测验证装置，通过气体检测验证装置内设置有氢燃料电池及氢燃料电池电连接负载及电压显示表直观的实现对氢气的检测。