本实用新型专利技术公开了一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置，该装置由水裂解产生质子的阴极电极装置、阴极电极液体储罐、氢气气体收集器、氢气气液分离器、氢气气体储罐组成。其中，集光镜收集光能经光源聚焦装置直接照射到阳极电极上产生电子，并在阳极电极上分解了阳极电极液体储罐内的水分子为氢质子和氧分子气体；氢质子在浓度差和酸碱度差作用下向迅速阴极电极液体储罐迁移，并在阴极电极装置上与从光电转换阳极电极装置上释放出的电子相结合，发生化学反应、产生和释放出纯净的氢气，经由气体输出导管将氢气输出。阴极电极液体储罐和阳极电极液体储罐保持相同的水位高度，阴极释放氢气或阴极的氧气后水位下降由纯水补液管、纯水补液泵经过水压控制器向电极液体储罐补充纯水，使氢气的产生不间断地进行。
【技术实现步骤摘要】
一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置
本技术涉及一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置，属于能源转换和能量储存的
技术介绍
人类生存依存于太阳能，生物质燃料、煤炭石油均是间接来自太阳能。矿石燃料(煤炭、石油等)的开采会造成环境的污染，因而直接利用太阳能是目前的科技前沿。众所周知，由于有昼夜轮换、晴雨之分，太阳不能提供连续的能量。光电转换(光伏电池)、太阳能发电(热能发电)是一种能量转换的途径，但不能对能量进行储存。利用太阳能分解水产氢气是一个新型的能量储存技术，氢气易于储存随时可以取用，且燃烧氢气产热是极为清洁的燃料，因为它的燃烧产物是没有污染的水。因此，应对新技术的开发制造氢气一直以来都是这一领域的一大热门课题。传统的分解水产氢的方法主要有光伏电池将光能转换为电能，再以电能电解水的产氢。这一方法设备复杂，使得成本增加且操作步骤繁，经过两次的能量转换过程其效率非常低；也有利用太阳光照射下以半导体材料的催化分解水制氢气的诸多文献报导，但这些方法只能分解出少量的氢气和氧气混合气体、实用价值不大，其混合气体的分离耗材或耗能使成本增高。能否寻找到低耗材、低能耗、低成本的氢气制造新方法非常重要。事实上，含有金属氧化物或离子能将太阳光中含有的能量直接转为电子能量，在这样的金属氧化物电极上不仅能将水分子分解为氧分子和氢质子(H+)而且同时能产生出电子。当将这些电子用导线将其引到阴极电极上供给由阳极迁移过来的氢质子(H+)就能重新组合成氢气，这样分别在阴极上释放纯净的氢气，只需光的能量无需转化成电能的消耗。从热力学上可知，当以上金属氧化物电极吸收了光能后就会提升自身的电极电位和供出电子、只有这个电极电能高于水分解的电位时就产生出氧分子和氢质子(H+)。在水溶液中氢质子(H+)足够高的浓度形成了浓度差，因而向浓度低的阴极迅速迁移。此时，将在阳极上产生的电子引致在阴极电极上就能与质子(H+)重新结合而释放出氢气达到动态平衡。这种很巧妙的设计，能将光能转化为电能同时分解水分子产生氢气、效能极高，无需通过太阳板先进行发电再分解水分子、降低了效率。由于本技术的氢气和氧分子分别在阴极和阳极收集，中间间隔了质子离子选择性隔膜(4)所得的氢气纯净无杂质。如已有专利CN201210425162.0(公告号CN102874752A)的相关研究先进行光伏发电再电解的方案、CN201110137346专利采用大量的易碎的石英(玻璃)材料的光催化设备体积庞大、结构复杂，氢氧混合不纯。因为本技术分解水制氢气的阳极和阴极在水溶液中通过电极表面直接产氢其设备简单、精巧，结构牢固、可靠。与传统的电解法相比有实质上的不同，本技术无需电力供应、也无需先把光能转变为电能，由于无需光电转换过程，从理论上分析还是实际运行都表明这种方式能量转换最为高效，设备简单、成本低廉、操作简便，实现变光能量的置换直接产生纯净氢气。本技术所用的光电阳极只是将光能转化为电子能量、直接分解水释放电子和氢质子，而在阴极上聚集足够的电子提供予H+质子转化为H2在阴极区域得到纯净的氢气，从根本上克服了电解水/光分解水的缺陷。
技术实现思路
本技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置。光催化阴极电极分解水制氢气的装置，其包括聚光镜、光源聚焦装置、光电转换阳极电极装置、质子离子选择性隔膜、电流限制器、阴极电极装置、阴极电极液体储罐、氢气气体收集器、氢气气体压力控制器、氢气气体喷嘴组件、氢气气液分离器、氢气气体导管、氢气气体储罐、氢气气体输出导管、纯水补液管、纯水补液泵、水压控制器、液体控制阀门、氧气释放口和光催化阴极电极分解水制氢气装置；光催化阴极电极分解水制氢气装置被质子离子选择性隔膜分为阳极电极液体储罐和阴极电极液体储罐，光电转换阳极电极装置设置于阳极电极液体储罐中，阴极电极装置置于阴极电极液体储罐中，光电转化阳极电极装置与质子离子选择性隔膜及阴极电极装置紧密结合在一起形成“三明治”结构，且阴极电极装置通过导线和电流限制器与光电转化阳极电极装置相连接；光电转换阳极电极装置一侧设有集光镜和光源聚焦装置，集光镜收集到的光能经光源聚焦装置直接照射到光电转换阳极电极装置上；阳极电极液体储罐顶部设有氧气释放口；阴极电极液体储罐顶部依次连接氢气气体收集器、氢气气体压力控制器、氢气气体喷嘴组件和氢气气液分离器，氢气气液分离器中分离出的气体和液体分成两路，液体一路由控制阀门和液体回流管回流到阴极电极液体储罐中，另一路氢气气体流经氢气气体导管后储存于氢气气体储罐中，并在储存足够后由氢气气体输出导管输出；阳极电极液体储罐和阴极电极液体储罐中维持于同一水位，阴极电极液体储罐通过纯水补液管连接纯水补液泵，纯水补液管上设有水压控制器和控制阀门。基于上述技术方案，还可以进一步提供如下若干种优选方式。所述的阴极电极装置由导电电极层与多孔性导电粘结层紧密粘贴连接，多孔性导电粘结层中孔径在0.01～1微米之间，导电性网箍层包裹于多孔性导电粘结层外侧，且导电性网箍层上涂覆多孔性金属氧化物催化层，多孔性金属氧化物催化层中孔径控制在0.1～500微米之间，阴极电极装置中的多层电极结构之间紧密箍扎形成一体。电流限制器上的电子与从阳极传递过来的质子(H+)在这些电极层的孔径表面上结合并发生化学反应产生纯净氢气气体。所述的光源聚焦装置由玻璃片组合形成镜头组，玻璃片采用石英玻璃或硬质玻璃的一种或多种。所述的质子离子选择性隔膜为传导氢质子的均相离子交换隔膜或异相离子交换多孔性隔膜。所述的聚光镜具有转动自由度，能随着太阳光线的方向转动使其所聚集的太阳光能始终处于达到最大值。由两个或两个以上的光催化阴极电极分解水制氢气装置组合联用，形成规模化的分解水制氢气装置的集成。所述的阴极电极装置所采用的电极为石墨电极、石墨烯电极、石墨气体扩散电极、活性炭纤维电极、活性炭气体扩散电极或多壁管纳米碳电极，电极表面涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、PbO2、ZnO、Fe2O3、NiO、MnO2中至少一层导电金属氧化物；所述的光电转换阳极电极装置的电极材料为惰性铂、石墨、石墨烯、活性炭纤维毡或活性炭纤维布；电极表面涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、PbO2、ZnO、Fe2O3、NiO、MnO2中至少一层导电金属氧化物。所述的阴极电极装置中电极形状为网状、孔状或丝栅状。所述的阴极电极液体储罐内的溶液为含K3PO4、K2HPO4、K2SO4、Na3PO4、Na2HPO4、Na2SO4中一种的含盐水。本技术与现有技术相比具有的有益效果：(1)阴极电极氢质子从阳极电极接受光能接受电子发生化学反应在电极表面直接产生氢气，光能转换和产氢的化学反应均在水溶液中进行，产氢效率高。(2)无需额外的电力能量输入或事先通过光伏电池产电，只需要充足的光能。因为使用了催化电极避免大量使用贵重金属催化剂、能够连续无间断和稳定地产气、寿命长；(3)电子、质子的转移，以及电极均在溶液中，且电极间以质子离子选择性隔膜阻隔产氢和产氧被分隔两室，可实现得到的氢气纯净；(4)实现对光能的直接回收，无需复杂的设备和事先的能量转换；(5)设备精巧、结构牢靠、操作简单、条件温和，可以在常温环境下进行，只需在有光源的地方就本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置，其特征在于包括聚光镜（1）、光源聚焦装置（2）、光电转换阳极电极装置（3）、质子离子选择性隔膜（4）、电流限制器（20）、阴极电极装置（5）、阴极电极液体储罐（13）、氢气气体收集器（6）、氢气气体压力控制器（7）、氢气气体喷嘴组件（8）、氢气气液分离器（9）、氢气气体导管（10）、氢气气体储罐（11）、氢气气体输出导管（12）、纯水补液管（16）、纯水补液泵（17）、水压控制器（18）、液体控制阀门（19）、氧气释放口（15）和光催化阴极电极分解水制氢气装置（14）；光催化阴极电极分解水制氢气装置（14）被质子离子选择性隔膜（4）分为阳极电极液体储罐和阴极电极液体储罐（13），光电转换阳极电极装置（3）设置于阳极电极液体储罐中，阴极电极装置（5）置于阴极电极液体储罐（13）中，光电转化阳极电极装置（3）与质子离子选择性隔膜（4）及阴极电极装置（5）紧密结合在一起形成“三明治”结构，且阴极电极装置（5）通过导线和电流限制器（20）与光电转化阳极电极装置（3）相连接；光电转换阳极电极装置（3）一侧设有聚光镜（1）和光源聚焦装置（2），聚光镜（1）收集到的光能经光源聚焦装置（2）直接照射到光电转换阳极电极装置（3）上用于产生电子和分解水为氢质子和氧分子；阳极电极液体储罐顶部设有氧气释放口（15）；阴极电极液体储罐（13）顶部依次连接氢气气体收集器（6）、氢气气体压力控制器（7）、氢气气体喷嘴组件（8）和氢气气液分离器（9），氢气气液分离器（9）中分离出的气体和液体分成两路，液体一路由控制阀门（19）和液体回流管回流到阴极电极液体储罐（13）中，另一路氢气气体流经氢气气体导管（10）后储存于氢气气体储罐（11）中，并在储存足够后由氢气气体输出导管（12）输出；阳极电极液体储罐和阴极电极液体储罐（13）中维持于同一水位，阴极电极液体储罐（13）通过纯水补液管（16）连接纯水补液泵（17），纯水补液管（16）上设有水压控制器（18）和控制阀门（19）。...
【技术特征摘要】
1.一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置，其特征在于包括聚光镜（1）、光源聚焦装置（2）、光电转换阳极电极装置（3）、质子离子选择性隔膜（4）、电流限制器（20）、阴极电极装置（5）、阴极电极液体储罐（13）、氢气气体收集器（6）、氢气气体压力控制器（7）、氢气气体喷嘴组件（8）、氢气气液分离器（9）、氢气气体导管（10）、氢气气体储罐（11）、氢气气体输出导管（12）、纯水补液管（16）、纯水补液泵（17）、水压控制器（18）、液体控制阀门（19）、氧气释放口（15）和光催化阴极电极分解水制氢气装置（14）；光催化阴极电极分解水制氢气装置（14）被质子离子选择性隔膜（4）分为阳极电极液体储罐和阴极电极液体储罐（13），光电转换阳极电极装置（3）设置于阳极电极液体储罐中，阴极电极装置（5）置于阴极电极液体储罐（13）中，光电转化阳极电极装置（3）与质子离子选择性隔膜（4）及阴极电极装置（5）紧密结合在一起形成“三明治”结构，且阴极电极装置（5）通过导线和电流限制器（20）与光电转化阳极电极装置（3）相连接；光电转换阳极电极装置（3）一侧设有聚光镜（1）和光源聚焦装置（2），聚光镜（1）收集到的光能经光源聚焦装置（2）直接照射到光电转换阳极电极装置（3）上用于产生电子和分解水为氢质子和氧分子；阳极电极液体储罐顶部设有氧气释放口（15）；阴极电极液体储罐（13）顶部依次连接氢气气体收集器（6）、氢气气体压力控制器（7）、氢气气体喷嘴组件（8）和氢气气液分离器（9），氢气气液分离器（9）中分离出的气体和液体分成两路，液体一路由控制阀门（19）和液体回流管回流到阴极电极液体储罐（13）中，另一路氢气气体流经氢气气体导管（10）后储存于氢气气体储罐（11）中，并在储存足够后由氢气气体输出导管（12）输出；阳极电极液体储罐和阴极电极液体储罐（13）中维持于同一水位，阴极电极液体储罐（13）通过纯水补液管（16）连接纯水补液泵（17），纯水补液管（16）上设有水压控制器（18）和控制阀门（19）。2.根据权利要求1所述的一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置，其特征在于所述的阴极电极装置（5）由导电电极层（21）与多孔性导电粘结层（22）紧密粘贴连接，多孔性导电粘结层（22）中孔径在0.0...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨旭，孙沛喆，吴祖成，张致榕，张慧敏，
申请(专利权)人：杭州泰博科技有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江,33
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。