CN112111751A - 一种集水产氢装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集水产氢装置及方法，利用内部为空腔结构的集水架，在集水架内上端固定有第一集水层，在集水架内底部设有第二集水层，集水架一侧设有可封闭的开关门，集水架下端设有集水箱，集水箱通过集水管连接于第二集水层，集水箱一侧设有制氢装置和集氢容器，制氢装置的阴极通过导气管连接于集氢容器，制氢装置通过导水管连接至第二集水层，第一集水层与第二集水层同时在夜间集水，利用太阳能将第一集水层中的水汽蒸发利用第二集水层收集，提高第一集水层的收集效率，可实现不间断集水，确保制氢有足够水源，实现不间断制氢，高效地转化和利用太阳能，结构简单，产水速率稳定。

Description

一种集水产氢装置及方法

技术领域

本发明属于集水装置，具体涉及一种集水产氢装置及方法。

背景技术

我国大多数人生活在受沙漠化影响的地区，该地区水资源短缺，人民物质生活很难得到较好保障。但目前的沙漠集水装置工作时间不连续，集水速率也不稳定，难以确保有效集水。沙漠地区也蕴含着丰富的太阳能，当前太阳能的利用方式主要集中于沙漠太阳能发电，通过太阳能板等装置采集太阳能并对其加以利用，效率低。目前，普通空气集水装置对环境湿度有很高的要求，应用场景局限；同时，太阳能采集系统采用光伏发电系统，存在环境污染大、电力运输损耗大、难以清洁和维护、应用场景局限等缺点，亟待优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集水产氢装置及方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集水产氢装置，包括内部为空腔结构的集水架，集水架内上端固定有第一集水层，第一集水层的上端面能够接收集水架外的阳光，集水架内底部设有第二集水层，集水架一侧设有可封闭的开关门，集水架下端设有集水箱，集水箱通过集水管连接于第二集水层，集水箱一侧设有制氢装置和集氢容器，制氢装置的阴极通过导气管连接于集氢容器，制氢装置的阴阳极通过导水管分别连接至第二集水层。

进一步的，第一集水层包括石墨层和MOF层，石墨层和MOF层贴合，MOF层采用MOF材料。

进一步的，集水架上端设有玻璃窗口，石墨层贴合玻璃窗口设置，MOF层设置于石墨层下端。

进一步的，集水架上端开设通孔，石墨层设置于通孔处，石墨层与集水架之间密封连接。

进一步的，制氢装置采用光反应制氢容器，制氢装置内设有Nation隔膜，Nation隔膜位于制氢装置阴阳极交汇处。

进一步的，第二集水层下端设有集水凹槽，集水管的一端设置于集水凹槽内，用于将第二集水层收集的水分导流至集水箱内。

进一步的，第二集水层包括PS基板，PS基板上设有金属网。

进一步的，还包括控制器以及设置于制氢装置底部的蓄电池，蓄电池用于向制氢装置以及滑轨供电，制氢装置连接于蓄电池。

进一步的，集水架一侧设有开口，开口底部设有滑轨，开关门设置于滑轨上，滑轨上设有用于驱动开关门开关运动的电机，集水架上设有光敏传感器，光敏传感器和电机均连接于控制器。

一种集水产氢方法，包括以下步骤：

步骤1)、当光照强度低于第一集水层释放水汽的最低光照强度，打开集水架上的开关门，利用第一集水层和第二集水层收集水分，同时制氢装置不间断工作；

步骤2)、当光照强度高于第一集水层释放水汽的最低光照强度，关闭集水架上的开关门，通过光照使第一集水层释放水汽，通过第二集水层收集第一集水层释放的水汽，同时制氢装置不间断工作，从而实现不间断收集水汽和制氢。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

针对上述问题，本文提出了一种自持式MOF-BM耦合全天候淡水及氢能联产装置及方法。该装置可在沙漠地区全天候快速制备淡水。针对白天和夜晚两种场景设置了两种不同的工作模式；白天温度高，MOF放水，与纳米布沙漠甲虫仿生材料耦合工作，产水速率稳定；夜晚温度低，MOF吸水，仿生材料独立工作，实现不间断集水。在集水装置的基础上增设光电解制氢模块。

本发明一种集水产氢装置，利用内部为空腔结构的集水架，在集水架内上端固定有第一集水层，在集水架内底部设有第二集水层，集水架一侧设有可封闭的开关门，集水架下端设有集水箱，集水箱通过集水管连接于第二集水层，集水箱一侧设有制氢装置和集氢容器，制氢装置的阴极通过导气管连接于集氢容器，制氢装置的阴阳极通过导水管分别连接至第二集水层，利用第一集水层与第二集水层，同时在夜间集水，然后利用太阳能将第一集水层中的水汽蒸发并利用第二集水层收集，提高第一集水层的收集效率，可实现不间断集水，同时能够确保制氢有足够水源，实现不间断制氢，高效地转化和利用太阳能，制得的氢气既可为沙漠化地区提供家庭能源，优化能源结构，结构简单，产水速率稳定。

进一步的，集水架上端设有玻璃窗口，石墨层贴合玻璃窗口设置，MOF层设置于石墨层下端，能够充分利用太阳能使第一集水层内的水汽蒸发。

进一步的，第二集水层下端设有集水凹槽，有利于集水收集。

进一步的，还包括控制器以及设置于制氢装置底部的蓄电池，蓄电池用于向制氢装置以及滑轨供电，制氢装置连接于蓄电池，集水架一侧设有开设有开口，开口底部设有滑轨，开关门设置于滑轨上，滑轨上设有用于驱动开关门开关运动的电机，集水架上设有光敏传感器，光敏传感器和电机均连接于控制器，自动化控制，不需要人为控制。

一种集水产氢方法，当光照强度低于第一集水层释放水汽的最低光照强度，打开集水架上的开关门，利用第一集水层和第二集水层收集水分，同时制氢装置不间断工作；当光照强度高于第一集水层释放水汽的最低光照强度，关闭集水架上的开关门，通过光照使第一集水层释放水汽，通过第二集水层收集第一集水层释放的水汽，同时制氢装置不间断工作，从而实现不间断收集水汽和制氢，可实现不间断集水和产氢，提高产能效率。

附图说明

图1是本发明实施例中集水产氢装置主视图。

图2是本发明实施例中集水产氢装置右视图。

图3是本发明实施例中集水产氢装置俯视图。

其中：1-集水架，2-第一集水层，3-第二集水层，4-集水箱，5-集水管，6-开关门，7-制氢装置，8-集氢容器，9-导水管，10-蓄电池，11-滑轨，12-导气管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

如图1至图3所示，一种集水产氢装置，包括内部为空腔结构的集水架1，集水架1内上端固定有第一集水层2，第一集水层2的上端面能够接收集水架1外的阳光，集水架1内底部设有第二集水层3，集水架1一侧设有可封闭的开关门6，集水架1下端设有集水箱4，集水箱4通过集水管5连接于第二集水层3，集水箱4一侧设有制氢装置7和集氢容器8，制氢装置7的阴极通过导气管12连接于集氢容器8，制氢装置7的阴阳极通过导水管9分别接至第二集水层3，将第二集水层3内的水引至制氢装置7内，利用制氢装置7的阴阳极发生反应达到制氢的目的。

第一集水层2包括石墨层和MOF层，石墨层和MOF层贴合，MOF层采用MOF材料，用于集水；集水架1上端设有玻璃窗口，石墨层贴合玻璃窗口设置，MOF层设置于石墨层下端；或者集水架1上端开设通孔，石墨层设置于通孔处，石墨层与集水架1之间密封连接，具体通过胶粘或者通过固定架固定了连接，采用固定架与石墨层形成制式结构，固定架与集水架之间焊接或者扣压密封连接；当没有阳光时，开关门6打开，石墨层不工作，MOF层吸收空气中水分并储存在MOF层内，多余的水分滴落在第二集水层3上，同时第二集水层3利用自身特性从空气中收集水分，收集的水分从第二集水层3收集至集水箱4内，当有阳光气温升高时，集水架1的开关门6封闭，集水架1内形成密封空间，石墨层吸收太阳光照，集水架1内部逐渐升温，MOF层2逐步向集水架1内部空间释放夜间吸收水气，第二集水层3收集集水架1内部空间水汽并将其转移至集水箱4内；

制氢装置7采用光反应制氢容器，导水管9将收集到的淡水分别引入制氢装置7的阴阳极发生反应，制氢装置7内设有Nation隔膜，Nation隔膜位于制氢装置7阴阳极交汇处，实现离子互通；导气管12一端连接制氢装置7阴极，另一端连接集氢容器8，将制氢装置7阴极生成的氢气引入集氢容器8储存以备后续使用。

第二集水层3下端设有集水凹槽，集水管5的一端设置于集水凹槽内，用于对第二集水层3收集的水分导流至集水箱4内。

第二集水层3包括PS基板，PS基板上设有金属网，金属网通过热压工艺固定于PS基板上构成仿生材料结构，第二集水层3放置于集水架1内部的底层之上，实现仿生材料的集水功能；具体的，金属网采用铜网，铜网在PS基板上形成疏水区。

具体的，还包括控制器以及设置于制氢装置7底部的蓄电池10，蓄电池10用于向制氢装置7以及滑轨11供电，制氢装置7连接于蓄电池10。

集水架1一侧设有开设有开口，开口底部设有滑轨11，开关门6设置于滑轨11上，滑轨11上设有用于驱动开关门6开关运动的电机，集水架1上设有光敏传感器，光敏传感器和电机均连接于控制器，当光强度达到光敏传感器设定阈值时，控制器控制开关门闭合，集水架1内形成密封空间，石墨层吸收太阳光照，集水架1内部逐渐升温，MOF层2逐步向集水架1内部空间释放夜间吸收水气；当光强度小于光敏传感器设定阈值时，开关门6打开，石墨层不工作，MOF层吸收空气中水分并储存在MOF层内，多余的水分滴落在第二集水层3上，利用第二集水层3收集至集水箱4内。

在沙漠干燥情况下，对石墨材料和MOF材料进行耦合，针对夜晚和白天温度不同设计两种工作模式，实现全天候不间断快速制备淡水，并且可将太阳能转化为氢能储存以备使用。

本一种集水产氢装置在进行工作时，分为白天与夜晚两种工作状态：夜晚室外光线昏暗，光敏传感器感受到光照强度低于设定阈值，判断为夜晚环境，通过控制器控制开关门6打开，石墨层不工作，MOF层2吸收空气中水分并储存在层内以备白天排水，多余的水分滴落在第二集水层3上，同时第二集水层3利用自身特性从空气中收集水分，收集的水分从第二集水层3收集至集水箱4内，组成仿生材料的第二集水层3在进行工作时，是先由金属网作为疏水区收集空气中水汽，之后PS基板作为亲水区将水汽汇聚成水滴，水滴一部分通过内部连接的集水管5流入集水箱4中储存，另一部分通过内部连接的导水管9引入制氢装置7内作为阴阳极反应材料，之后阴极生成的氢气由导气管12引入集氢容器8中储存备用；白天室外温度高，石墨层吸收太阳光照，集水架1内内部逐渐升温，MOF层逐步向装置内部空间释放夜间吸收水气，仿第二集水层3进行与夜晚状态一致的工作流程，继续集水制氢集氢，实现全天候不间断连续集水。

Claims (10)

1.一种集水产氢装置，其特征在于，包括内部为空腔结构的集水架(1)，集水架(1)内上端固定有第一集水层(2)，第一集水层(2)的上端面能够接收集水架(1)外的阳光，集水架(1)内底部设有第二集水层(3)，集水架(1)一侧设有可封闭的开关门(6)，集水架(1)下端设有集水箱(4)，集水箱(4)通过集水管(5)连接于第二集水层(3)，集水箱(4)一侧设有制氢装置(7)和集氢容器(8)，制氢装置(7)的阴极通过导气管(12)连接于集氢容器(8)，制氢装置(7)通过导水管(9)连接至第二集水层(3)。

2.根据权利要求1所述的一种集水产氢装置，其特征在于，第一集水层(2)包括石墨层和MOF层，石墨层和MOF层贴合，MOF层采用MOF材料。

3.根据权利要求2所述的一种集水产氢装置，其特征在于，集水架(1)上端设有玻璃窗口，石墨层贴合玻璃窗口设置，MOF层设置于石墨层下端。

4.根据权利要求2所述的一种集水产氢装置，其特征在于，集水架(1)上端开设通孔，石墨层设置于通孔处，石墨层与集水架(1)之间密封连接。

5.根据权利要求1所述的一种集水产氢装置，其特征在于，制氢装置(7)采用光反应制氢容器，制氢装置(7)内设有Nation隔膜，Nation隔膜位于制氢装置(7)阴阳极交汇处。

6.根据权利要求1所述的一种集水产氢装置，其特征在于，第二集水层(3)下端设有集水凹槽，集水管(5)的一端设置于集水凹槽内，用于对第二集水层(3)收集的水分导流至集水箱(4)内。

7.根据权利要求1所述的一种集水产氢装置，其特征在于，第二集水层(3)包括PS基板，PS基板上设有金属网。

8.根据权利要求1所述的一种集水产氢装置，其特征在于，还包括控制器以及制氢装置(7)，制氢装置(7)用于将收集的水转化成氢气，且连接于蓄电池(10)和控制器，蓄电池(10)向制氢装置(7)及滑轨(11)供电。

9.根据权利要求8所述的一种集水产氢装置，其特征在于，集水架(1)一侧设有开设有开口，开口底部设有滑轨(11)，开关门(6)设置于滑轨(11)上，滑轨(11)上设有用于驱动开关门(6)开关运动的电机，集水架(1)上设有光敏传感器，光敏传感器和电机均连接于控制器。

10.一种基于权利要求1所述集水产氢装置的集水产氢方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、当光照强度低于第一集水层释放水汽的最低光照强度，打开集水架上的开关门，利用第一集水层和第二集水层收集水分，同时制氢装置不间断工作；

步骤2)、当光照强度高于第一集水层释放水汽的最低光照强度，关闭集水架上的开关门，通过光照使第一集水层释放水汽，通过第二集水层收集第一集水层释放的水汽，同时制氢装置不间断工作，从而实现不间断收集水汽和制氢。

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