CN110697654A - 一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置 - Google Patents

一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，主要包括微型蛇形流道反应模块，流量计，加热器，气体吹扫装置，循环泵，换热器等，旨在为新型的光热耦合催化制氢催化剂提供一个有效可持续的微型反应装置。装置的实现过程主要包括通过热电偶反应液的温度，反应前反应液使用惰性气体排除反应液中的氧气，继而打开循环泵将流体送入蛇形流道反应装置，在氙灯等模拟光源的聚光照射下实现微流道中的光热催化产氢过程，产生的气体在流体压力的驱动下进入到储液瓶液体上方部分，采气对其进行分析。管路中流量和流体的温度分别由流量计和换热器精准控制。本发明通过器件串联实现了在光热耦合条件下的连续式产氢，操作方便，节能环保。

Description

一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置
技术领域
本发明属于新能源制备领域，具体涉及一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置。
背景技术
近年来在能源领域，传统化石能源煤、石油等的大量利用给环境造成了严重的污染，使用新型的可再生能源来替代传统能源是解决环境问题的一种有效地技术手段。这些可再生能源中氢能被认为是“21世纪最清洁的能源”，国际上包括欧洲、美国、日本等发达国家也在氢燃料电池汽车商业化的进程中展开了激烈竞争，因此，将太阳能转化为氢能，实现大规模化的高效制氢过程是目前很多科研工作者的瓶颈所在。目前，通过光催化，光热催化，光电催化等方式能够实现太阳能到氢能的转化，其中，光热催化过程在传统光催化的基础上，耦合物理场热能加速光催化反应过程，提升光催化效率，是一种高效、低成本、无污染的制氢手段。
光热催化产氢过程主要是选用适宜的光热半导体作为催化剂，将其分散于水中，在太阳光的激发下，半导体催化剂内部受光激发产生电子和空穴对，并分别迁移至催化剂表面与水或有机物分子发生氧化、还原反应而将太阳光能储存到目标产物内(如生成氢气)。既往的研究多从材料及化学的角度，仅关注光催化材料本身的结构性质及其化学反应，忽略了催化材料与其所处的能源转化体系之间的强烈耦合作用，致使该过程的总能转化效率始终在低水平徘徊。耦合多物理场的方式是一种有效地解决能量转化效率的方法，在目前国内开展的研究工作中，对于这种反应器装置的设计较为稀少，因此有必要设计一种简单有效的反应装置用于科研工作者开展相关工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，利用此装置可以对一系列光热耦合催化剂的制氢效果进行研究，并与传统的制氢装置进行对比，在微小通道的环境下实现普通模拟太阳光或聚光式制氢方式的性能研究。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，包括用于放置催化剂及光热催化主要反应区的微型反应模块，设置在整个装置中用于输送反应液的输送反应液管道，设置在微型反应模块出口下游端的流量计，设置在流量计下游的储液瓶，设置在储液瓶下端的循环泵，以及设置在循环泵下游的换热器；其中，
储液瓶上安装有反应液进口管、反应液出口管和温度传感器，储液瓶底部设置有加热装置控制台；微型反应模块的出口通过流量计与反应液进口管连通，反应液出口管通过循环泵与换热器的进口连通，换热器的出口与微型反应模块的进口连通；
微型反应模块包括可拆卸连接在一起的上盖板和下盖板，下盖板的反应区开设若干有凹槽流道和凸起隔栏，两者间隔设置，形成连续流蛇形微通道，上盖板上设置有反应液体进口柱和反应液体出口柱；
装置工作前，反应液放入储液瓶中使用惰性气体进行吹扫，加热装置控制台用于对反应液加热，继而开启循环泵将反应液打入微型反应模块，反应液在模拟光源的照射下发生光热耦合反应，产生的氢气通过循环泵的压力被携带至储液瓶上方收集；流量计用于控制管道中流体的流量，换热器用于防止流体在运输过程中有较大的温度波动，避免影响实验测试精度，使用者通过调配光热的比例，研究在光热耦合制氢过程中耦合机制的机理。
本发明进一步的改进在于，上盖板和下盖板周向的对应位置处分别开设有若干上螺栓孔和下螺栓孔，两者通过螺栓可拆卸连接在一起；下盖板底部的四角设置有四个底座，形成正方形阵列布置。
本发明进一步的改进在于，连续流蛇形微通道的周向设置有环形方块区，用于放置垫圈，起到密封的作用。
本发明进一步的改进在于，催化剂涂覆在连续流蛇形微通道中，或者催化剂生长在泡沫镍、硅片载体上，再放置于连续流蛇形微通道中。
本发明进一步的改进在于，微型反应模块反应区的正上方放置模拟光源氙灯，光强通过调控辐照距离或者氙灯控制台。
本发明进一步的改进在于，反应液的成分为去离子水，或者为去离子水加牺牲剂，或者为海水。
本发明进一步的改进在于，储液瓶瓶口设置有气体吹扫进口管和气体吹扫出口管，在反应前，通过惰性气体排出反应液中的氧气，避免光热反应生成的氢气与氧气再次反应，降低制氢效率。
本发明进一步的改进在于，换热器减少流体在流动过程中的温度差损，保证流体以恒定的温度进入连续流蛇形微通道反应处，能够更好地耦合光热物理场进行产氢研究。
相对于现有技术，本发明至少具有以下有益的技术效果：
1.本发明能够为光热耦合催化分解水制氢提供一种耦合光热两种物理场的催化剂性能测试环境，为科学工作者进一步在微小通道内的制氢研究提供实验装置。本发明可以通过研究工作者的研究目的，定量定比的输入光热的耦合比例和流量大小等参数，操作简单快捷。
2.催化剂为板式设计，相比于市场上常见的悬浮式体系，经济性高，可重复利用性好，通过循环泵的动力供应，能够实现连续式的光热产氢过程。
3.采用微型流道的模块设计，方便工作者实现在强光聚光条件下的制氢过程研究，对于太阳能-氢能制氢效率的提升的相关研究有一定的帮助。
4.光热过程产生的气体通过流体压力的作用被挤压到储液瓶上方，便于收集分析。
5.管道中流量计的加入能够保证流体输送过程流量的稳定性。
6.管道中换热器的加入能够减少流体输运过程的温度差损。
7.储液瓶通过热电偶是加热器加热，能够精准控制光热耦合过程中的热量比例。
8.微型反应器模块呈轴对称设计，稳定性高。
9.光热反应模块整体结构采用螺栓连接，便于拆卸、安装。
10.氙灯等模拟光源有对应的控制平台，能够精准的控制光强及不同波段的光的输入。
附图说明
图1为本发明的连接示意图。
图2为微型反应模块下盖板结构示意图，其中，图2(a)为截面图，图2(b)为俯视图。
图3为微型反应模块的下盖板结构示意图，其中，图3(a)为正视图，图3(b)为俯视图。
附图标记说明：
1、微型反应模块；2、流量计；3、储液瓶；4、反应液进口管；5、气体吹扫进口管；6、温度传感器；7、气体吹扫出口管；8、加热控制台；9、反应液出口管；10、循环泵；11、换热器；12、输送反应液管道；13、下盖板；14、底座；15、下螺栓孔；16、环形方块区；17、流道隔栏；18、凹槽流道；19、螺栓；20、上盖板；21、上螺栓孔；22、反应液体进口柱；23、反应液体出口柱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下具体实例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，都可以对装置做出若干的变形和改造。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所示，本发明提供的一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，包括放置催化剂及光热催化主要反应区的微型反应模块1，设置在整个装置中用于输送反应液的输送反应液管道12，设置在微型反应模块1出口下游端的流量计2，设置在流量计2下游的储液瓶3，设置在储液瓶3下端的循环泵10，以及设置在循环泵10下游的换热器11，储液瓶3上安装有反应液进口管4、反应液出口管9、气体吹扫进口管5、气体吹扫出口管7、温度传感器6和加热装置控制台8。
其中，微型反应器模块1由上盖板20和下盖板13通过螺栓19连接而成.下盖板四角下方设置有四个底座14，成正方形阵列放置。上盖板20和下盖板13都设置有八个上螺栓孔21和下螺栓孔15用于连接。下盖板13反应区设置有凹槽流道18和凸起隔栏17，两者间隔设置。环形方块区16用于放置垫圈，起到密封的作用。上盖板20另外设置有反应液体进口柱22和反应液体出口柱23。装置工作前，一定体积的反应液放入储液瓶3中使用惰性气体，如N2、Ar等进行吹扫，加热装置控制台8能够对反应液加热，继而开启循环泵10将反应液打入微型反应模块1，反应液在氙灯等模拟光源的照射下发生光热耦合反应，产生的氢气通过泵的压力被携带至储液瓶上方收集。流量计2能够控制管道中流体的流量，换热器11能够防止流体在运输过程中有较大的温度波动，避免影响实验测试精度，使用者通过调配光热的比例，研究在光热耦合制氢过程中耦合机制的机理。
其中，催化剂可以涂覆在蛇形凹槽流道18中，或者催化剂生长在泡沫镍、硅片等载体上，再放置于流道中。
微型反应模块1反应区的正上方放置模拟光源氙灯等，光强可以通过调控辐照距离或者氙灯控制台。下盖板中环形方块区16放置等大小的方形垫圈，催化剂层放好后，通过螺栓19将上盖板20和下盖板13进行密封，防止产气过程中漏气。
所述流量计2放置在管路中，根据负反馈机制，调控反应液的流速，方便研究不同物理因素对于光热产氢效果的影响。
所述储液瓶3正下方放置有加热装置，可以根据研究者的具体实验参数通过温度传感器6反馈机制对反应液的温度进行调控。
所述储液瓶3瓶口设置有气体吹扫进口管5和气体吹扫出口管7，在反应前，通过惰性气体排出反应液中的氧气，避免光热反应生成的氢气与氧气再次反应，降低制氢效率。
所述输送管道中加入循环泵10提供流体运输的动能，保证反应液能够稳定横流量地通过蛇形流道反应区。
所述循环泵10的下游端放置的换热器能够减少流体在流动过程中的温度差损，保证流体以恒定的温度进入蛇形流道反应处，能够更好地耦合光热物理场进行产氢研究。
所述微型反应模块1四周用螺栓阵列式固定，密封性好，下盖板13螺栓孔内套有螺丝套15，能够连接更加牢固。
所述反应液的成分为去离子水，或者去离子水加牺牲剂，或者海水等。
本发明的具体工作过程：在开始反应前，催化剂直接涂覆在下盖板13或者生在在泡沫镍、硅片等载体上面后放置在凹槽流道18，方形垫圈放置在方形区16，之后通过螺栓19将上下盖板通过上螺栓孔21和下螺栓孔15进行连接密封。储液瓶3中放入一定量的水，通过吹扫进口管5吹扫一段时间并设置好温度，流量计2设置好管路中适宜的流量，循环泵10、换热器11也都设置好参数，此时，开启氙灯等模拟光源，光源出口正对反应模块的正中央，随后开启循环泵10之后即可开始测量。研究者通过调控不同的光热比例输入来研究不同催化剂材料的产氢性能，以及对比其在微型反应器的产氢效果与悬浮式体系产氢的差别。
实验过程中模拟太阳光的光强和波段都可以使用氙灯控制台进行调节。温度根据实验要求调节加热控制台8。
光热反应一段时间以后通过收集储液瓶3上方的氢气含量对产氢性能进行定量的分析。
反应完成后，倒掉剩余的反应液，卸掉螺栓19即可取出催化剂，清洗干净后便于下次实验使用，简单方便快捷。

Claims (8)

1.一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，其特征在于，包括用于放置催化剂及光热催化主要反应区的微型反应模块(1)，设置在整个装置中用于输送反应液的输送反应液管道(12)，设置在微型反应模块(1)出口下游端的流量计(2)，设置在流量计(2)下游的储液瓶(3)，设置在储液瓶(3)下端的循环泵(10)，以及设置在循环泵(10)下游的换热器(11)；其中，
储液瓶(3)上安装有反应液进口管(4)、反应液出口管(9)和温度传感器(6)，储液瓶(3)底部设置有加热装置控制台(8)；微型反应模块(1)的出口通过流量计(2)与反应液进口管(4)连通，反应液出口管(9)通过循环泵(10)与换热器(11)的进口连通，换热器(11)的出口与微型反应模块(1)的进口连通；
微型反应模块(1)包括可拆卸连接在一起的上盖板(20)和下盖板(13)，下盖板(13)的反应区开设若干有凹槽流道(18)和凸起隔栏(17)，两者间隔设置，形成连续流蛇形微通道，上盖板(20)上设置有反应液体进口柱(22)和反应液体出口柱(23)；
装置工作前，反应液放入储液瓶(3)中使用惰性气体进行吹扫，加热装置控制台(8)用于对反应液加热，继而开启循环泵(10)将反应液打入微型反应模块(1)，反应液在模拟光源的照射下发生光热耦合反应，产生的氢气通过循环泵(10)的压力被携带至储液瓶(3)上方收集；流量计(2)用于控制管道中流体的流量，换热器(11)用于防止流体在运输过程中有较大的温度波动，避免影响实验测试精度，使用者通过调配光热的比例，研究在光热耦合制氢过程中耦合机制的机理。
2.根据权利要求1所述的一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，其特征在于，上盖板(20)和下盖板(13)周向的对应位置处分别开设有若干上螺栓孔(21)和下螺栓孔(15)，两者通过螺栓(19)可拆卸连接在一起；下盖板(13)底部的四角设置有四个底座(14)，形成正方形阵列布置。
3.根据权利要求1所述的一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，其特征在于，连续流蛇形微通道的周向设置有环形方块区(16)，用于放置垫圈，起到密封的作用。
4.根据权利要求1所述的一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，其特征在于，催化剂涂覆在连续流蛇形微通道中，或者催化剂生长在泡沫镍、硅片载体上，再放置于连续流蛇形微通道中。
5.根据权利要求1所述的一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，其特征在于，微型反应模块(1)反应区的正上方放置模拟光源氙灯，光强通过调控辐照距离或者氙灯控制台。
6.根据权利要求1所述的一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，其特征在于，反应液的成分为去离子水，或者为去离子水加牺牲剂，或者为海水。
7.根据权利要求1所述的一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，其特征在于，储液瓶(3)瓶口设置有气体吹扫进口管(5)和气体吹扫出口管(7)，在反应前，通过惰性气体排出反应液中的氧气，避免光热反应生成的氢气与氧气再次反应，降低制氢效率。
8.根据权利要求1所述的一种连续流蛇形微通道聚光光热耦合催化制氢反应装置，其特征在于，换热器(11)减少流体在流动过程中的温度差损，保证流体以恒定的温度进入连续流蛇形微通道反应处，能够更好地耦合光热物理场进行产氢研究。
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