CN220827469U - 一种大面积光电协同催化反应装置 - Google Patents

一种大面积光电协同催化反应装置 Download PDF

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刘欢
李阳
杨广
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Abstract

本实用新型涉及一种大面积光电协同催化反应装置,包括阴极室和阳极室:阴极室和阳极室之间设置有离子交换膜;阴极室内设置有阴极板;阳极室内平铺设置有若干个阵列式排布且表面覆盖有催化剂的光阳极板,光阳极板面向离子交换膜一侧设置有与光阳极板电连接的导电架,以安装各光阳极板;阳极室背向阴极室一侧设置有透光板,使光源能够透过光窗辐射到各光阳极板表面;采用多片的光阳极板平铺拼接,使总体的感光面积增大,克服了现有的单片大面积光阳极板制作难度和制作成本高导致感光面积无法显著提升的问题,既增大了感光面积从而提高了制氢效率,又降低了光阳极板的制造难度和制造成本。

Description

一种大面积光电协同催化反应装置
技术领域
本实用新型属于光电催化反应技术领域,特别涉及一种大面积光电协同催化反应装置。
背景技术
随着化石资源的过度消耗和环境污染的日益加剧,全球范围内的能源危机和环境污染问题日益突出,人们在开发利用不可再生能源的同时,开发新型绿色可再生资源的需求已经迫在眉睫。太阳能以其来源广泛,可再生性强,环境友好等诸多优点越来越引起学界和业界的广泛关注。太阳能-氢能转化是一种具备经济可行性的方案,光电催化水分解制氢是一种实现太阳能到氢能转化的理想途径之一。
光电催化反应装置是实现太阳能-氢能相互转化的有效装置,现有的光电催化装置普遍采用单片光结构,感光面积较小,导致其制氢效率较低,若要增大感光面积,需要增大光阳极的尺寸,但是光阳极的尺寸增大以后,其制造难度和制造成本都会指数级提升。
因此,需要一种感光面积大且成本较低的光电催化反应装置。
实用新型内容
本实用新型提供一种大面积光电协同催化反应装置,以解决现有的光电催化反应装置感光面积和成本无法同时兼顾的问题。
本实用新型通过下述技术方案实现:一种大面积光电协同催化反应装置,包括阴极室和阳极室:
所述阴极室和阳极室之间设置有离子交换膜;
所述阴极室内设置有阴极板;
所述阳极室内平铺设置有若干个阵列式排布且表面覆盖有催化剂的光阳极板,所述光阳极板面向离子交换膜一侧设置有与光阳极板电连接的导电架,以安装各光阳极板;
所述阳极室背向阴极室一侧设置有透光板,使光源能够透过光窗辐射到各光阳极板表面。
采用上述设置结构时,采用多片的光阳极板平铺拼接,使总体的感光面积增大,克服了现有的单片大面积光阳极板制作难度和制作成本高导致感光面积无法显著提升的问题,既增大了感光面积从而提高了制氢效率,又降低了光阳极板的制造难度和制造成本。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,还包括:底板,上侧设置有第一凹槽;中间板,设置于底板上方,其上侧设置有第二凹槽且中部具有开口,所述离子交换膜嵌入设置于中间板的第二凹槽开口处;所述离子交换膜与第二凹槽开口处密封配合,底板上部与中间板下部密封配合,形成阴极室;所述透光板设置于中间板上方,中间板上部与透光板下部密封配合形成阳极室。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,所述阴极室内设置有流道板,所述流道板下部嵌入设置于第一凹槽内,流道板上部具有凸起部嵌入设置于中间板中部开口处并与第二凹槽底面齐平;所述阴极板位于流道板和离子交换膜之间并与流道板电连接。
采用上述设置结构时,流道板上部嵌入中间板的第二凹槽开口处,使阴极板距离光阳极板的距离缩短,即缩短了极距,降低了内阻,提高了电解过程的法拉第效率。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,所述流道板的凸起部内设置有呈蛇形排布的流道,流道板斜对角侧分别设置有流道入口和流道出口,所述流道入口和流道出口贯穿流道板,所述底板上贯穿设置有与流道入口对应连通的第一进液孔和与流道出口对应连通的第一出液孔。
采用上述设置结构时,使阴极室内的电解液沿蛇形排布的流道流动,促进了电解过程的充分反应。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,所述中间板斜对角侧设置有与中间板的第二凹槽内连通的第二进液孔和第二出液孔。
采用上述设置结构时,使阳极室内的电解液形成层流,促进了电解过程的充分反应。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,所述流道板和导电架由导电材料制成。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,所述底板下侧设置有贯穿底板并与流道板和阴极板电连接的阴极导电探针,所述透光板上侧设置有贯穿透光板并与光阳极板和导电架电连接的阳极导电探针。
采用上述设置结构时,能够使电流有效导出。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,所述导电架上具有若干个与光阳极板一一对应的安装孔,各光阳极板扣设于安装孔上并由压条固定于导电架上。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,所述光阳极板呈N排N列排布。
为了更好的实现本实用新型,在上述结构中作进一步的优化,所述阴极板采用导电金属丝网电极。
本实用新型相较于现有技术具有以下有益效果:
1、采用多片的光阳极板平铺拼接,使总体的感光面积增大,克服了现有的单片大面积光阳极板制作难度和制作成本高导致感光面积无法显著提升的问题,既增大了感光面积从而提高了制氢效率,又降低了光阳极板的制造难度和制造成本;
2、流道板上部嵌入中间板的第二凹槽开口处,使阴极板距离光阳极板的距离缩短,即缩短了极距,降低了内阻,提高了电解过程的法拉第效率;
3、利用离子交换膜将反应装置分隔成双室结构,避免氢氧混合反应造成的危险,提高了反应的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型中的大面积光电协同催化反应装置的爆炸视图;
图2是本实用新型中的大面积光电协同催化反应装置的底板的立体视图;
图3是本实用新型中的大面积光电协同催化反应装置的流道板的俯视图;
图4是本实用新型中的大面积光电协同催化反应装置的中间板的立体视图;
图5是本实用新型中的大面积光电协同催化反应装置的导电架和光阳极板组合的爆炸示意图。
图中:
1-底板;11-第一凹槽;12-第一进液孔;13-第一出液孔;2-流道板;21-流道入口;22-流道出口;3-阴极板;4-中间板;41-第二凹槽;42-第二进液孔;43-第二出液孔;5-离子交换膜;6-导电架;61-安装孔;62-压条;7-光阳极板;8-透光板;9A-阴极导电探针;9B-阳极导电探针。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本实用新型所保护的范围。
在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有说明,″多个″的含义是两个或两个以上;术语″上″、″下″、″左″、″右″、″内″、″外″、″前端″、″后端″、″头部″、″尾部″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。此外,术语″第一″、″第二″、″第三″等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
实施例1:
请参阅图1-图5,本实用新型提供一种大面积光电协同催化反应装置,包括阴极室和阳极室:
阴极室和阳极室之间设置有离子交换膜5;
阴极室内设置有阴极板3;
阳极室内平铺设置有若干个阵列式排布且表面覆盖有催化剂的光阳极板7,光阳极板7面向离子交换膜5一侧设置有与光阳极板7电连接的导电架6,以安装各光阳极板7;
阳极室背向阴极室一侧设置有透光板8,使光源能够透过光窗辐射到各光阳极板7表面。
这样,采用多片的光阳极板7平铺拼接,使总体的感光面积增大,克服了现有的单片大面积光阳极板7制作难度和制作成本高导致感光面积无法显著提升的问题,既增大了感光面积从而提高了制氢效率,又降低了光阳极板7的制造难度和制造成本。
其中,催化剂包括碳黑、乙炔黑、石墨、石墨烯、铂、铁基催化剂、铁锰二元催化剂、铁锰铜三元催化剂中的至少一种。
此外,透光板8具体采用FTO导电玻璃材质。
还包括:底板1,上侧设置有第一凹槽11;中间板4,设置于底板1上方,其上侧设置有第二凹槽41且中部具有开口,离子交换膜5嵌入设置于中间板4的第二凹槽41开口处;离子交换膜5与第二凹槽41开口处密封配合,底板1上部与中间板4下部密封配合,形成阴极室;透光板8设置于中间板4上方,中间板4上部与透光板8下部密封配合形成阳极室。
具体的,阴极室内设置有流道板2,流道板2下部嵌入设置于第一凹槽11内,流道板2上部具有凸起部嵌入设置于中间板4中部开口处并与第二凹槽41底面齐平;阴极板3位于流道板2和离子交换膜5之间并与流道板2电连接。这样,流道板2上部嵌入中间板4的第二凹槽41开口处,使阴极板3距离光阳极板7的距离缩短,即缩短了极距,降低了内阻,提高了电解过程的法拉第效率。
更加具体的,流道板2的凸起部内设置有呈蛇形排布的流道,流道板2斜对角侧分别设置有流道入口21和流道出口22,流道入口21和流道出口22贯穿流道板2,底板1上贯穿设置有与流道入口21对应连通的第一进液孔12和与流道出口22对应连通的第一出液孔13。这样,使阴极室的电解液沿蛇形排布的流道流动,促进了电解过程的充分反应。
更加具体的,中间板4斜对角侧设置有与中间板4的第二凹槽41内连通的第二进液孔42和第二出液孔43。这样,使阳极室内的电解液形成层流,促进了电解过程的充分反应。
更加具体的,第一进液孔12、第一出液孔13、第二进液孔42、第二出液孔43上设置有快拆接头,方便连接外部循环泵。
其中,流道板2和导电架6由导电材料制成,优选为石墨材料。
具体的,底板1下侧设置有贯穿底板1并与流道板2和阴极板3电连接的阴极导电探针9A,透光板8上侧设置有贯穿透光板8并与光阳极板7和导电架6电连接的阳极导电探针9B。这样,能够使电流有效导出。
具体的,导电架6上具有若干个与光阳极板7一一对应的安装孔61,各光阳极板7扣设于安装孔61上并由压条62固定于导电架6上。
更加具体的,光阳极板7呈N排N列排布,如采用3排3列排布的九宫格排布。
其中,阴极板3采用导电金属丝网电极。
具体的,底板1、中间板4、透光板8之间通过螺栓贯穿连接。
本实用新型的一种大面积光电协同催化反应装置的工作原理为:在外部循环泵的作用下,电解液经过第一进液孔12和第二进液孔42分别进入阴极室和阳极室,电解液注满阴极室和阳极室后分别从第一出液孔13和第二出液孔43流出。阴极板3和覆盖有催化剂的光阳极板7与电解液接触,在电压作用下,阴极室分解水产生氢气,氢氧根离子穿透离子交换膜5进入阳极室,在催化剂、电压和光照作用下产生氧气,氢气和氧气混入循环的电解液中形成气液状态的流体,并随着电解液流出进行气液分离,分离出的液体进入储液箱,分离出的气体进行后续的干燥和纯化处理。
以上所述,仅为本实用新型的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此,本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种大面积光电协同催化反应装置,包括阴极室和阳极室,其特征在于:
所述阴极室和阳极室之间设置有离子交换膜(5);
所述阴极室内设置有阴极板(3);
所述阳极室内平铺设置有若干个阵列式排布且表面覆盖有催化剂的光阳极板(7),所述光阳极板(7)面向离子交换膜(5)一侧设置有与光阳极板(7)电连接的导电架(6),以安装各光阳极板(7);
所述阳极室背向阴极室一侧设置有透光板(8),使光源能够透过光窗辐射到各光阳极板(7)表面。
2.根据权利要求1所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于,还包括:底板(1),上侧设置有第一凹槽(11);中间板(4),设置于底板(1)上方,其上侧设置有第二凹槽(41)且中部具有开口,所述离子交换膜(5)嵌入设置于中间板(4)的第二凹槽(41)开口处;所述离子交换膜(5)与第二凹槽(41)开口处密封配合,底板(1)上部与中间板(4)下部密封配合,形成阴极室;所述透光板(8)设置于中间板(4)上方,中间板(4)上部与透光板(8)下部密封配合形成阳极室。
3.根据权利要求2所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于:所述阴极室内设置有流道板(2),所述流道板(2)下部嵌入设置于第一凹槽(11)内,流道板(2)上部具有凸起部嵌入设置于中间板(4)中部开口处并与第二凹槽(41)底面齐平;所述阴极板(3)位于流道板(2)和离子交换膜(5)之间并与流道板(2)电连接。
4.根据权利要求3所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于:所述流道板(2)的凸起部内设置有呈蛇形排布的流道,流道板(2)斜对角侧分别设置有流道入口(21)和流道出口(22),所述流道入口(21)和流道出口(22)贯穿流道板(2),所述底板(1)上贯穿设置有与流道入口(21)对应连通的第一进液孔(12)和与流道出口(22)对应连通的第一出液孔(13)。
5.根据权利要求3所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于:所述中间板(4)斜对角侧设置有与中间板(4)的第二凹槽(41)内连通的第二进液孔(42)和第二出液孔(43)。
6.根据权利要求3所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于:所述流道板(2)和导电架(6)由导电材料制成。
7.根据权利要求6所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于:所述底板(1)下侧设置有贯穿底板(1)并与流道板(2)和阴极板(3)电连接的阴极导电探针(9A),所述透光板(8)上侧设置有贯穿透光板(8)并与光阳极板(7)和导电架(6)电连接的阳极导电探针(9B)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于:所述导电架(6)上具有若干个与光阳极板(7)一一对应的安装孔(61),各光阳极板(7)扣设于安装孔(61)上并由压条(62)固定于导电架(6)上。
9.根据权利要求8所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于:所述光阳极板(7)呈N排N列排布。
10.根据权利要求1所述的一种大面积光电协同催化反应装置,其特征在于:所述阴极板(3)采用导电金属丝网电极。
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