CN114751371B - 一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，主要包括有储料罐、微量循环泵、气化管、反应管、线性抛物聚光器和二次线性反光抛面等构件，旨在为太阳能到氢能的高效清洁转化过程提供一种新颖的工程利用方式。系统主要工作过程包括液料的气化、输运、光能梯级有序分配收集以及光线的捕捉及多反射利用等，整个转化过程无需考虑催化剂颗粒的团聚以及悬浮液对于有效光线传播的阻挡损耗作用，本发明基于传统液料制氢过程，渗透了液料赋存形态、多级转化、能量合理分配和高效传热界面传质过程的创新逻辑，大大提升了终端氢能的产出率。本发明装置具有环保、高效、紧凑、易于操作等优点。

Description

一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统

技术领域

本发明属于新能源制备领域，具体涉及一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统。

背景技术

目前，科学界所报道的光催化分解水制氢反应基本上都是将催化剂颗粒悬浮于水相中，在太阳光或者模拟太阳光的辐射作用下进行光解水制氢过程，然而，在微纳颗粒相溶于水相后，会造成催化剂颗粒团聚沉降、吸光效果差，水相内部颗粒所在太阳能辐射场不均匀等一系列对整个过程能质传输不利的因素，这些在以往的研究中往往被忽视，以至于即使合成高效的催化剂后，都未能得到较好的太阳能到氢能的转化效率。在实验室规模的试验中仍未能取得突破，制氢效率一直低于2％以下。据美国能源局预测，只有将太阳能制氢效率突破至10％以上，才具备大规模试验或者产业化应用的标准。

因此，探索不同传统悬浆液的制氢模式具有重大意义。此外，国内外对于制氢方法的研究仅仅局限于在材料优化层面，对于相关反应器的开发和构建非常之少，特别是在适应不同特定反应需求下的装置研发，比如说，在室外太阳能辐射作用下的气相物质转化制氢的反应器报道就比较罕见，而这种制氢方式能够很好解决前述反应缺点，提升输入端太阳能到终端氢能转化的整体效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于室外太阳能直接利用的一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，利用此系统可同时实现液相物料的气化及催化反应过程，从反应原理及太阳能综合利用的角度实现了太阳能到氢能效率转化的新突破。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，包括有聚光集热气化及催化分解气相水制氢两部分；

聚光集热气化部分包括有储料罐，设置在储料罐下游端的微量循环泵，设置在微量循环泵下游端的气化管，催化分解气相水制氢部分包括有设置在气化管的下游端的恒温泵、与恒温泵串接的反应管，以及设置的反应管尾端的储氢罐，在气化管正下方设置有线性抛物聚光器，气化管正上方设置有反应管，反应管上方设置有二次线性反光抛面，线性抛物聚光器、气化管、反应管与二次线性反光抛面的中心都在位于一条直线上，且自下往上放置。

本发明进一步的改进在于，储料罐内放置纯水或者含有10％体积分数的牺牲剂成分，微量循环泵用于控制进料速度，其流量大小能够保证所有料液在气化管中能够全部气化，气化管表面的温度通过温度检测器进行监测，根据其值与微量循环泵的有机调控，确保料液在气化管中获得稳定气化率。

本发明进一步的改进在于，在聚光集热气化部分下游端设置的恒温泵，能够确保管道中气化蒸汽在输运至反应管过程中有恒定温度且不会因为管路温降而损失，且温度设置及适宜的反应管的入口流速通过恒温泵进行调节。

本发明进一步的改进在于，气化蒸汽在反应管中参与光分解气相制氢反应，光路入射通过反应管上下对称部分的透光壁面进入，左右两侧管壁为非透光材质且具有良好的保温性能，反应管的中轴线处设置有能够四周涂覆催化剂的催化剂支撑架，蒸汽在光辐射下可与催化剂进行充分的催化传质反应，入射的光线可在反光镜的反射作用下辐射至催化剂支撑架上的催化剂涂层，保证高效的制氢效率。

本发明进一步的改进在于，反应管的上下透光曲面区域对应的扇形的圆心角为90度。

本发明进一步的改进在于，每块反光镜对应的圆心角为45度，四块反光镜关于催化剂支撑架呈中心对称放置。

本发明进一步的改进在于，太阳能入射的光线首先在曲率较大的线性抛物聚光器上进行第一次汇聚，继而将光线投射至气化管进行液相物料的气化过程，透射过气化管的光线通过反应管的下部透光区域进入反应管内部，未透过气化管的光线在二次线性反光抛面处进行二次汇聚，通过反应管的上部透光区域进入反应管内部。

本发明进一步的改进在于，催化剂支撑架的直径为反应管直的1/5，反应管的出口处设置有储氢罐，用于将气相反应后的氢气进行储存并输运，整个制氢系统的驱动力为室外直接辐射至地面的太阳能。

本发明至少有如下的有益的技术效果：

本发明不同于以往光解水制氢反应系统，是将光催化剂颗粒悬浮于水相反应液中，这样的反应模式所得制氢效率非常有限。本发明将催化剂颗粒涂覆于圆柱型载体上，首先利用太阳能全光谱的第一次汇聚过程，实验对液料的气化转化，这次主要是基于太阳能光谱中的近红外及红外光的部分能量，因为这部分能量主要用于转化为热量来改变液料的赋存状态。气化过后的气相反应物质可以通过恒温泵的合理调控进入至反应管中，反应管接受一次聚光且透过的气化管得紫外光及部分可见光区域的光线，在反应管内部发生微观分解气相水的化学反应，另外，采用二次光学反光抛物面实现对一次聚光未汇聚至气化管或者这个过程中的散射光等的二次汇聚利用，通过反应管上部分的通过区域辐射至反应管中，以之来驱动光化学反应过程。气化反应后的氢气通过反应管尾部储氢罐进行收集输运。

进一步，气化管中的液体料液可以通过微量循环泵与反应管表面的温度监测信号有机结合考虑并调控，使得反应液在反应管中得到充分的气化。

进一步，反应管得上下部分都可以输入光化学制氢反应过程的有效光源，在确保气化率的同时，实现气相水的光解过程，合理的利用了太阳能的光谱梯级有序性及各种反应的适应性要求。

进一步，进入反应管内部的光线可以在反光镜的作用下多次反射利用，实现了反应管内部的光路的全覆盖过程，有利于高效的固载式催化剂表面的化学反应的传热传质过程，大大提升了终端氢能的产出效率。

进一步，二次线性反光抛面、线性抛物聚光器、气化管、反应管之间的高度差可根据实际系统装置所处地区的光辐照特性进行合理调整，保证获得最佳气化率及氢气产出率。

进一步，装置所需能量为室外的直接太阳能，无需输入其他额外的任何能源形式，整个过程清洁、低成本、高效、低碳、安全。

附图说明

图1为反应系统的总体示意图；

图2为反应管侧面内部示意图。

附图标记说明：

1为储料罐；2为微量循环泵；3为线性抛物聚光器；4为温度检测器；5为气化管；6为恒温泵；7为二次线性反光抛面；8为反应管；9为催化剂支撑架； 10为储氢罐；11为反光镜。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明过程主要提供一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，内部职能分工主要包括有聚光集热气化及催化分解气相水制氢两部分。气化部分主要包括有储料罐1、微量循环泵2、气化管5。气化管5的主要温度输入来至于线性抛物聚光器3的一次聚光过程，其中的近红外及红外光区域光谱用来提供主要热量。气化管5表面的温度通过温度检测器4进行监测。催化分解气相水制氢部分包括有设置在气化管5的下游端的恒温泵6、反应管8、以及反应管8尾端的储氢罐10。在气化管5正下方设置有线性抛物聚光器3，气化管5正上方有反应管8，反应管8上方设置有二次线性反光抛面7，线性抛物聚光器3、气化管5、反应管8与二次线性反光抛面7的中心都在位于一条直线上，且自下往上放置。反应管8的上下部分为透光部分，左右为非透光且为保温密封材料。在反应管8的同轴圆心处放置有催化剂支撑架9。反应管8的非透光部分的壁面上放置有四块反光镜11。

工作时，储料罐1内放置纯水或者含有一定比例牺牲剂成分，如甲醇水溶液的混合液等，其具体选用根据反应系统所使用的催化剂类型确定。微量循环泵 2控制进料速度，其流量大小需能够保证所有料液在气化管5中能够全部气化。温度检测器4可监测气化管5表面的实时温度大小，可根据其值与微量循环泵 2的有机调控，确保料液在气化管5中获得稳定气化率。

恒温泵6确保管道中气化蒸汽在输运至反应管8过程中有恒定温度且不会因为管路温降而损失。气化蒸汽在反应管8中参与主要光分解气相制氢反应，光路入射通过反应管8上下对称部分的透光壁面进入，左右两侧管壁为非透光材质且具有良好的保温性能。反应管8的中轴线处设置有能够四周涂覆催化剂的催化剂支撑架9，蒸汽在光辐射下可与催化剂进行充分的催化传质反应。反应管8内部两侧非透光区设置有四块对称放置的反光镜11，入射的光线可在反光镜11的反射作用下辐射至催化剂支撑架9上的催化剂涂层，保证高效的制氢效率。

太阳能入射的光线首先在曲率较大的线性抛物聚光器3上进行第一次汇聚，继而将光线投射至气化管5进行液相物料的气化过程。透射过气化管5的光线通过反应管8的下部透光区域进入反应管8内部。未透过气化管5的光线在二次线性反光抛面7处进行二次汇聚，通过反应管8的上部透光区域进入反应管 8内部。

催化剂支撑架9上涂覆的催化剂可以为普通常用的光催化剂或者能够全分解水的催化剂亦或是光催化与光热催化剂的混合相。

储氢罐10可在前面恒温泵6的压力驱动下将产生的氢气扩散并汇聚至罐中，便于后期输运。

反光镜11采用对称设计，实现入射光线的全方位辐射过程，保障了制氢过程的高效光能输入。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，其特征在于，包括有聚光集热气化及催化分解气相水制氢两部分；

聚光集热气化部分包括有储料罐（1），设置在储料罐（1）下游端的微量循环泵（2），设置在微量循环泵（2）下游端的气化管（5），催化分解气相水制氢部分包括有设置在气化管（5）的下游端的恒温泵（6）、与恒温泵（6）串接的反应管（8），以及设置在反应管（8）尾端的储氢罐（10），在气化管（5）正下方设置有线性抛物聚光器（3），气化管（5）正上方设置有反应管（8），反应管（8）上方设置有二次线性反光抛面（7），线性抛物聚光器（3）、气化管（5）、反应管（8）与二次线性反光抛面（7）的中心都位于一条直线上，且自下往上放置；

气化蒸汽在反应管（8）中参与光分解气相水制氢反应，光路入射通过反应管（8）上下对称部分的透光壁面进入，反应管（8）的左右两侧管壁为非透光材质且具有良好的保温性能，反应管（8）的中轴线处设置有能够四周涂覆催化剂的催化剂支撑架（9），蒸汽在光辐射下可与催化剂进行充分的催化传质反应，反应管（8）的非透光部分的壁面上放置有四块反光镜（11），入射的光线可在反光镜（11）的反射作用下辐射至催化剂支撑架（9）上的催化剂涂层，保证高效的制氢效率；

太阳能入射的光线首先在曲率较大的线性抛物聚光器（3）上进行第一次汇聚，继而将光线投射至气化管（5）进行液相物料的气化过程，透射过气化管（5）的光线通过反应管（8）的下部透光区域进入反应管（8）内部，未透过气化管（5）的光线在二次线性反光抛面（7）处进行二次汇聚，通过反应管（8）的上部透光区域进入反应管（8）内部。

2.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，其特征在于，储料罐（1）内放置纯水或者含有10%体积分数的牺牲剂成分的水，微量循环泵（2）用于控制进料速度，其流量大小能够保证所有料液在气化管（5）中能够全部气化，气化管（5）表面的温度通过温度检测器（4）进行监测，根据其值与微量循环泵（2）的有机调控，确保料液在气化管（5）中获得稳定气化率。

3.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，其特征在于，在聚光集热气化部分下游端设置的恒温泵（6），能够确保管道中气化蒸汽在输运至反应管（8）过程中有恒定温度且不会因为管路温降而损失，且温度设置及适宜的反应管（8）的入口流速通过恒温泵（6）进行调节。

4.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，其特征在于，反应管（8）的上下透光曲面区域对应的扇形的圆心角为90度。

5.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，其特征在于，每块反光镜（11）对应的圆心角为45度，四块反光镜（11）关于催化剂支撑架（9）呈中心对称放置。

6.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能连续流气相水分解制氢反应系统，其特征在于，催化剂支撑架（9）的直径为反应管（8）直径的1/5，反应管（8）的出口处设置有储氢罐（10），用于将气相反应后的氢气进行储存并输运，整个制氢系统的驱动力为室外直接辐射至地面的太阳能。