CN102774810B - 利用太阳光直接分解水制氢的反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，包括直角反光镜、底座、十字支架、反应器、底面反光镜及反应器框架，其中，反应器通过反应器框架设置于十字支架上，底面反光镜固定在十字支架上，直角反光镜固定于反应器上，十字支架固定在底座上，所述反应器的上下表面均为高透光玻璃。本发明用于利用太阳能光催化剂制氢实验，具有结构简单，费用低，较已有装置，有增大了受光面积，可转动，增加了反应器的容积，产氢量大大增加，已有反应装置主要依靠聚光，使用的光照完全为反射光，而本发明大部分光照为阳光直射到反应器上，直射光较反射光效率大大提高，同时上下面同时光照，将沉淀影响降到最低。

Description

利用太阳光直接分解水制氢的反应装置

技术领域

本发明属于可再生能源高效制备领域，具体是一种利用太阳光直接分解水制氢的反应装置。

背景技术

自地球上出现生命以来，就万物生长靠太阳。光合作用是绿色植物和藻类植物在可见光作用下将二氧化碳和水转化成碳水化合物的过程。人类赖以生存的能源和材料都直接地和间接地来自光合作用。石油、煤、天然气等化石燃料就是自然界留给我们的光合作用的产物。由于世界的飞速发展，大自然留给我们的能源越来越短缺，这就激发了各国的科学家对光合作用及其模拟的研究，只能从能源上考虑，光解水制造氢是太阳能光化学转化与储存的最好途径。因为氢燃烧后只生成水，不污染环境，是便于储存和运输的可再生能源；再者，太阳能取之不尽用之不竭，是化石能源的理想替代者。

太阳能分解水制氢可以通过三种途径来进行：

一、光电化学池：即通过光阳板吸收太阳能并将光能转化为电能。光阳板通常为光半导体材料，受光激发可以产生电子——空穴对，光阳极和对极(阴极)组成光电化学池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向对极，水中的质子从对极上接受电子产生氢气；

二、光助络合催化：即人工模拟光合作用分解水的过程。在绿色植物中，吸光物质是一种结构为镁卟啉的光敏络合物，传递电子通过醌类。具有镁卟啉结构的叶绿素分子通过吸收680mm可见光诱发电荷分离，使水氧化分解而释氧，与此同时，质醌发生光还原。从分解水的角度而言，在绿色植物光合作用中，首先是应该通过光氧化水放氧储能，然后才是二氧化碳的同化反应。由于氧化放氧通过电荷转移储存了光能，在二氧化碳同化过程中与质子形成碳水化合物中间体只能是一个暗反应。只从太阳能的光化学转化与储存角度考虑，无疑光合作用过程是十分理想的。因为它不但通过光化学反应储存了氢，同时也储存了碳。但对于太阳能分解水制氢，所需要的是氢而不是氧，则不必从结构上和功能上去模拟光合作用的全过程，而只需从原理上去模拟光合作用的吸光，电荷转移，储能和氧化还原反应等基本物理化学过程；

三、半导体催化：即将TiO₂或cds等光半导体微粒直接悬浮在水中进行光解水反应。半导体光催化在原理上类似于光电化学池，细小的光半导体颗粒可以被看做是一个个微电极悬浮在水中，它们像太阳极一样在起作用，所不同的是它们之间没有像光电化学池那样被隔开，甚至对级也被设想是在同一粒子上。在半导体微粒上可以担载铂，有人把铂作为阴极来看待，但从铂的作用机制上看更像是催化剂。因为在没有“外电路”只有水作为电解质的情况下，光激发所产生的电子无法像在体系外的导体中一样有序地从“光阳极”流向“阴极”，铂的主要功能是聚集和传递电子促进光还原水放氢反应。和光电化学池比较，半导体光催化分解水放氢的反应大大简化，但通过光激发在同一个半导体微粒上产生的电子---空穴对极易复合。尽管半导体光催化循环分解水同时放氢放氧未能实现，像络合物催化光解水一样必须在反应体系中加入电子给体或受体分别放氢放氧，但半导体光催化的发展为光催化研究打开了若干新的领域。

发明内容

本发明针对现有技术中存在上述不足，提供了一种利用太阳光直接分解水制氢的反应装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，包括直角反光镜、底座、十字支架、反应器、底面反光镜及反应器框架，其中，反应器通过反应器框架设置于十字支架上，底面反光镜固定在十字支架上，直角反光镜固定于反应器上，十字支架固定在底座上，所述反应器的上下表面均为高透光玻璃。

所述反应器的下底面水平，上表面倾斜，反应器的一侧边缘设有气体出口，所述反应器上设有荧光校准板，所述荧光校准板荧光面朝下。

所述反应器为管状反应器或平面反应器。

所述利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，还包括脉冲发生器和蒸汽发生器，所述脉冲发生器为若干个，所述蒸汽发生器通过太阳能加热水产生蒸汽，产生的脉冲气体在脉冲发生器中等压膨胀。

所述蒸汽发生器包括聚光器和接收器，所述聚光器用于接收太阳能，所述接收器外表面涂黑色，里面加水，用于产生蒸汽，所述接收器出口与接收器中活塞的蒸汽入口连接，活塞的蒸汽出口与管状反应器的入气口端连接；所述连接为通过软管连接。

所述底面反光镜的边缘设有校准反射镜，所述校准反射镜镜面朝上；所述底面反光镜的镜面与反应器的下底板平行，所述底面反光镜的面积大于反应器的面积；所述校准反光镜到底面反光镜的顶点的距离与校准荧光板到反应器的顶点的距离相等。

所述直角反光镜为两个，分别设置在反应器的上下两侧面上。

所述十字支架包括支架横梁、竖轴、第一一维移动副和第二一维移动副，其中，支架横梁通过第一一维移动副与竖轴固定，底面反光镜通过第二一维移动副水平固定在支架横梁上，上述支架横梁和竖轴上均有刻度；所述第一一维移动副的角度为与反应器的对角线垂直方向。

所述底座纵向设置有转动副，该转动副与十字支架相连接。

所述反应器的顶点一端最薄，与反应器的顶点相对应的另一端最厚。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

1、可根据太阳照射角度，轻松条件方向，增加反应效率；

2、对于反射镜位置的调节可在刻度处进行记录，根据记录的刻度，第二次使用的时候无需再调节，一次调节便可长期使用。因此适应性强，该装置在不同纬度均可使用，对天气状况要求不高；

3、反应器表面积大，容纳更大量的反应液，产氢效率明显提升；

4、经试验证明，直射光照射对反应的影响大于反射光。聚光装置采用的太阳光完全为反射光，对反应效率产生一定影响。本发明无聚光装置，因此可以接收大量的直射光，提高反应效率；

5、本发明的反应器较薄，用少量40纳米级催化剂，即使长时间放置产生少量沉淀，在底面形成薄薄几层，从上下两个角度同时进行光照，上下面均能继续产生氢气，减少了沉淀产生对反应进行的影响。因此无需脉冲扰动或者其他搅拌装置，实现在产氢过程中完全零能耗。当使用管状反应器时，本发明使用的脉冲同样不需要电能，而是利用太阳光加热水产生蒸汽进行扰动，实现了产氢过程的零能耗。

6、一个蒸汽发生器可连接多个脉冲发生器。对多根管进行其他脉冲扰动。

7、本发明制造简单，反应器为反应器框架上下安装高透明玻璃板，结构简单，造价低廉。

8、由于产生氢气为高温氢气，并且是在水蒸气的饱和蒸汽压下，因此可以通过温度传感器进行微调节，然后直接通入燃料电池，将氢能通过电能的形式直接反映出来，具有很强的演示性。

9、充分利用反射太阳光扩大光的接收面积，光的接收面积与反射镜面积有关，最大理论接收面积可比原照射面积扩大四倍。

附图说明

图1为本发明总装置示意图；

图2为本发明左视图；

图3为本发明管状反应器；

图4为本发明蒸汽发生器；

图5为本发明脉冲发生器；

图6为本发明仰视图；

图中，1为直角反光镜，2为荧光校准板，3为校准反射镜，4为底座，5为气体出口，6为十字支架,7为反应器,8为一维移动副,9为底面反光镜,10为转动副,11为一维移动副,12为反应器框架，13为支架横梁，14为竖轴，15为脉冲发生器，16为蒸汽发生器，7’为管状反应器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括：直角反光镜1、底座4、十字支架6、反应器7、底面反光镜9、反应器框架12，其中，反应器7通过反应器框架12设置于十字支架6上，底面反光镜9固定在十字支架6上，直角反光镜1固定于反应器7上，十字支架6固定在底座4上，反应器7的上下表面均为高透光玻璃。

反应器7上设有荧光校准板2，所述荧光校准板2荧光面朝下。

反应器7的下底面水平，上表面倾斜。

反应器7的一侧边缘设有气体出口5，该气体出口5上设有温度传感器。

底面反光镜9的镜面和反应器7的下底板平行。

底面反光镜9的边缘设有校准反射镜3，所述校准反射镜3镜面朝上。

底面反光镜9的面积大于反应器7的面积。

直角反光镜1为两个，分别设置在反应器7的上下两侧面上。

十字支架6包括支架横梁13、竖轴14、第一一维移动副8和第二一维移动副11，其中，支架横梁13通过第一一维移动副8与竖轴14固定，底面反光镜9通过第二一维移动副11水平固定在支架横梁13上，上述支架横梁13和竖轴14上均有刻度。

第一一维移动副8的角度为与反应器7的对角线垂直方向。

底座4纵向设置有转动副10，该转动副10与十字支架6相连接。

校准反光镜3到底面反光镜9的顶点18的距离与校准荧光板2到反应器7的顶点17的距离相等，如图6所示。

实施例2

实施例2为实施例1的变化例。

本实施例与实施例1的区别在于，反应器7优选为管状反应器7’。

当使用管状反应器7’时，由于需要避免沉淀对反应的影响，需加入脉冲气体，本实施例还包括脉冲发生器15和蒸汽发生器16，蒸汽发生器16通过太阳能加热水产生蒸汽，脉冲气体通过蒸汽发生器16产生，在脉冲发生器15中等压膨胀，在活塞上升至出口管时，气体喷出。通入管状反应器7’的入气口端22，形成扰动，如图5所示。

蒸汽发生器16由聚光器和接收器组成，接收器外表面涂黑色，里面加水，产生蒸汽；如图4所示，蒸汽由接收器出口19，通入脉冲发生器中蒸汽入口20，随着气体压强的增加，将接收器中活塞23顶起，接着等压膨胀,当活塞23位置超过脉冲发生器中蒸汽出口21时，蒸汽溢出，活塞23下部压强减小，活塞23位置下降，将活塞23中蒸汽出口21堵住。活塞23在脉冲发生器15中反复运动，形成气体脉冲。气体脉冲通入管状反应器的入气口端22，对反应液形成扰动，对反应器7中的反应液进行扰动，防止沉淀的形成。

接收器出口19与活塞中蒸汽入口20连接，活塞中蒸汽出口21与管状反应器的入气口端22连接。上述连接用软管，其中，脉冲发生器15为若干个。

实施例3

实施例3为实施例2的变化例。

本实施例与实施例2的区别之处在于，管状反应器7’为平板状反应器。

上述三个实施例具体为：

如图1和图2所示，底座4设有转动副10，可以调节整个装置的转动；在转动副10上连接竖轴14，竖轴14上有刻度，用于调节底面反光镜9的高低；支架横梁13通过第一一维移动副8与竖轴14相连接。在支架横梁13上通过第二一维移动副11连接底面反光镜9；竖轴14顶端通过十字支架6固定反应器7；反应器7的顶点17一端最薄，与反应器7的顶点17相对应的第二点24一端最厚，当使用管状发生器7’时，发生器气体出口5位于反应器7的第二点24一端，在与第二点24一端相连的两边上，垂直于反应器7放置直角反光镜1；十字支架6两端分别伸出荧光校准板2，在底面反光镜9上固定有用于调节位置的校准反射镜3，校准反射镜3距离底面反光镜9的顶点18的位置与荧光校准板2距反应器7的顶点17的距离相同。

荧光校准板2材料可用普通荧光材料，或者荧光图层。直角反光镜1和底面反光镜9可以用反光镜，也可以用反射膜代替以降低成本。直角反光镜1长度根据不同纬度，不同太阳照射角进行设置。

如图3所示，反应器7的形状为顶点17一端最薄，第二点24一端最厚，上下为两层石英玻璃，为了防止底面玻璃破碎，可以采用钢化石英玻璃。为了降低成本，可用同类型高通光玻璃替代。

如图4所示，管状反应器与入气口端22相对应的一端的顶点25向上翘起，入气口端22通入脉冲蒸汽。由于入气口端22有不止一个入气口，所以脉冲发生器可能需要多个。

反应装置为双面高透光玻璃的反应液容器，容器的两个侧面有直角反射镜，直角反射镜向上向下同时延伸。在反应器的下方为十字支架，十字支架用来固定反应器，同时把反应器抬高至一定高度，以便于从下面反射太阳光。十字支架与下面竖轴相连接，竖轴可以在底座上转动，以便于反应装置接收太阳光，经计算，当盛反应液的容器的对角线与太阳光线垂直时，反应器接收太阳光达到最大。竖轴上有一个支架横梁，支架横梁和竖轴通过一个一位移动副连接，即只可上下移动，不能转动。在支架横梁上，同样有个底面反射镜通过一维移动副与支架横梁相连接。在竖轴和支架横梁上均有刻度，通过刻度可以记录每天各个时刻的最大光照位置，记录之后，不用每次使用都校对。在十字支架两端，有两个银光校准板，而底面反射镜对应地有两个反射镜。反射镜距底面反光镜前端顶点的距离与荧光校对板与容器前端的距离相通，因此当反射镜反射的光线正好照在校对板上时，底面反射镜的光线可充分照射在反应器的底面。底面反射镜比反应器稍大，因此还有一部分光线通过向下延伸的反射镜反射后找到反应器的底面。为了方便氢气的排除，反应器底面玻璃水平，顶上玻璃倾斜，在靠近两反射镜夹缝处容器厚度达到最厚，在此处设排气口。由于反应生成的氢气可通入燃料电池，因此在气体出口处设温度传感器，控制气体（氢气+氧气+饱和水蒸气）温度在75℃左右，以提高燃料电池的效率。

关于扩大照射面积的理论证明：

如左图所示（俯视图），当光线的水平量垂直于反应器的对角线DE时，通过反射镜的反射，可以把单面的光照面积扩大为原来的三倍（S2=2*S1）。计算过程为：假设一束光线经过反射，最终设置的反应器的边缘某点A处，两段反射的距离分别为a和b，那么必然有，在不加反射镜的情况下，该束光线将会照到B点向外延伸a+b处，因此S2面积的边缘即为经过反射到容器边缘的光在没有反射镜情况下的轨迹。因此可以推出，一束光线如果可以落在S2范围内，则必然可以通过反射落在反应器上。通过周围直角反射镜和底面反射镜，理论上最大可把光照面积提升为反应器面积的六倍。当然这也和镜子的长度，底面反射镜位置的调节，光线水平量是否和对角线DE垂直有关。

本发明所用催化剂可以在常压下进行，不需要制造真空。另外，又由于反应器是一个面积大厚度小的双面玻璃装置，催化剂用量小，即使催化剂沉淀，也是在反应器底部形成薄薄的几层，上层催化剂可以接触到光照，产生氢气，下层催化剂在该装置中亦可通过反射光接触到光照，产生氢气，把沉淀对制氢气的影响降到最低，因此也同样不需要搅拌的设备。此反应器同样可以做成管状，此时应防止沉淀，加入脉冲气体扰动设备。该发明使用的气体扰动设备，能量来自太阳能，同样不需要消耗电能，实现了零能耗。同时，该反应装置要求严格密封，装置四周为塑料反应器框架，上下层为玻璃，反应器框架和玻璃用密封带密封。反射镜亦可用反射膜代替以降低成本。在气体出口处设置温度传感器控制氢气温度，75℃的饱和湿氢气通入燃料电池效果最佳。本发明设备简单，实用性和创新性强，同时改进了之前同类型发明的很多不足，如增大太阳光直射面积，增大反应液的量，通过反射增加受光照面积，上下表面同时受光照，根据太阳照射角度转动方便等。

Claims (9)

1.一种利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，包括直角反光镜、底座、十字支架、反应器、底面反光镜及反应器框架，其中，反应器通过反应器框架设置于十字支架上，底面反光镜固定在十字支架上，直角反光镜固定于反应器上，十字支架固定在底座上，所述反应器的上下表面均为高透光玻璃；

所述底面反光镜的边缘设有校准反射镜，所述校准反射镜镜面朝上；所述底面反光镜的镜面与反应器的下底板平行，所述底面反光镜的面积大于反应器的面积；所述校准反光镜到底面反光镜的顶点的距离与荧光校准板到反应器的顶点的距离相等。

2.根据权利要求1所述的利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，所述反应器的下底面水平，上表面倾斜，反应器的一侧边缘设有气体出口，所述反应器上设有荧光校准板，所述荧光校准板荧光面朝下。

3.根据权利要求1所述的利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，所述反应器为管状反应器或平面反应器。

4.根据权利要求3所述的利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，还包括脉冲发生器和蒸汽发生器，所述脉冲发生器为若干个，所述蒸汽发生器通过太阳能加热水产生蒸汽，产生的脉冲气体在脉冲发生器中等压膨胀。

5.根据权利要求4所述的利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，所述蒸汽发生器包括聚光器和接收器，所述聚光器用于接收太阳能，所述接收器外表面涂黑色，里面加水，用于产生蒸汽，所述接收器出口与接收器中活塞的蒸汽入口连接，活塞的蒸汽出口与管状反应器的入气口端连接；所述连接为通过软管连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，所述直角反光镜为两个，分别设置在反应器的上下两侧面上。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，所述十字支架包括支架横梁、竖轴、第一一维移动副和第二一维移动副，其中，支架横梁通过第一一维移动副与竖轴固定，底面反光镜通过第二一维移动副水平固定在支架横梁上，上述支架横梁和竖轴上均有刻度；所述第一一维移动副的角度为与反应器的对角线垂直方向。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，所述底座纵向设置有转动副，所述转动副与十字支架相连接。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的利用太阳光直接分解水制氢的反应装置，其特征在于，所述反应器的顶点一端最薄，与反应器的顶点相对应的另一端最厚。

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