一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器及系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器，由智能控制器、恒电位仪、以及依次相连通的阴极反应器、阳离子交换膜组件和阳极反应器、参比电极组件组成，阳离子交换膜组件由阳离子交换膜和两个阳离子交换膜夹具组成；阴极反应器包括阴极反应器壳体，阴极反应器壳体设有迎光侧面和阴极反应器透明顶盖，阴极反应器壳体中设有阴极片组件、阴极水位传感器和阴极水溶液；阳极反应器包括含有阳极反应器顶盖的阳极反应器壳体，阳极反应器壳体中设有阳极片组件、阳极水位传感器和阳极水溶液。本发明专利技术还公开了一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应系统。本发明专利技术还公开了一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应方法。源激发裂解水产氢反应方法。源激发裂解水产氢反应方法。

【技术实现步骤摘要】
一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器及系统与方法


[0001]本专利技术属于氢能源制造技术，具体涉及一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器及系统与方法。

技术介绍

[0002]石化类燃料的即将枯竭，作为21世纪的主打能源
‑‑‑‑
氢能将逐渐取代传统石化类能源成为主体能源产业。氢能不仅主要以直接燃烧(航天)、作为燃料电池的原料应用，而且可以作为终极能源进行存储。特别是将风电、光伏电等受季节性因素影响的波动绿电资源高效转化为可长期储能的绿氢资源。目前，燃料电池60
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70％的高转化率奠定了它作为第四代能源的主打之一。制氢技术的效率、成本及环保问题成为实现燃料电池成为第四代能源主打的关键因素之一。
[0003]传统的制氢技术分为灰氢、蓝氢和绿氢技术，它们各有优缺点：
[0004](1)灰氢技术是伴随着碳排放的裂解石油和工业副产制氢技术。价格低的优势使它成为目前5
‑
10年市场产氢的主流，但其含碳排放及对石化类能源的依赖使它没有未来的远景。
[0005](2)蓝氢技术是“灰氢技术”+“CO2处理”。它解决了含碳排放问题，但仍依赖石化类能源，同样没有未来远景。处理CO2排放问题带来的产氢成本的提升，使得它只能成为继灰氢技术之后，未来10
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20年的主要产氢方式。
[0006](3)绿氢技术是利用可再生能源制氢技术。目前主要分为电解水制氢、生物质制氢、光催化制氢等。但是其也存在以下不足之处：1、由于生物质制氢、光催化制氢(8％)的效率低、规模小，还不能单独成为未来绿氢技术主体；2、电解水制氢技术的绿色环保性是未来电解水产氢主流，但制氢成本偏高(成本的70
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80％来源于电费，其余来源于转化效率、装备及运营成本)，至少是灰氢技术制氢成的2倍多，致使该项技术20年后具有进入市场的可能。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：针对目前电解水制氢的高成本问题及光催化制氢的低转换率问题。为了从降低电耗、提高转化效率、降低装备成本等解决绿氢技术制氢的高成本问题，本专利技术公开了一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器及系统与方法。
[0008]本专利技术的“光”+“电”耦合为双激发源的产氢反应器及系统中，光源(太阳光或室内照明)的加入，大幅降低耗电量；提高了以电量消耗计算(光能免费)的产氢转化率；阴极的非铂金化以及常温常压下产氢条件降低设备成本。在此基础上，获得了在同电量消耗下产氢量是阴极为铂金电极2倍，实现了低成本、高效率、绿色环保产氢的系统和方式。
[0009]本专利技术通过以下技术措施：
[0010](1)非铂金阴极材料使阴极成本大幅降低:STF半导体材料(SrFe
x
Ti1‑
x
O3‑
δ
(0≤x≤1，0≤δ≤1))替换阴极贵金属Pt，使阴极成本大幅降低。该阴极材料的电解水(无光)产氢量为Pt电极产氢量的1.12倍，与Pt效果持平。
[0011](2)“光”+“电”耦合产氢双激发源使电能消耗减半:光电耦合裂解水产氢激发源引入太阳光(零付费)，使电消耗至少减半，节约能源一半。
[0012](3)室温及常压产氢模式使反应器装备成本降低：传统的电解水产氢是在温度80度和反应器腔体7～32大气压条件下产氢。本反应器为室温和常压(1个大气压)下产氢，降低了反应器装备成本。
[0013](4)充分利用光源装置：充分获取太阳光，采用光源跟踪器；阴极光电极斜角度θ(30
°
≤θ≤60
°
)放置；阴极光电极所对应反应器采光面采用线性聚光菲涅尔透镜；体系外采用反射镜等。
[0014]本申请的主要关键点：
[0015](1)阴极材料创新。
[0016]1)近全可见光光催化剂SrFe
x
Ti1‑
x
O3‑
δ
(0≤x≤1，0≤δ≤1)材料系列(STF)组成复合材料，获得禁带宽度在(3.2
‑
1.8eV)范围的半导体材料；
[0017]2)控制STF中x值(0≤x≤1),使STF的禁带宽度(3.2
‑
1.8eV),且包容φ(H
+
/H2)和φ(O2/OH
‑
)电位，满足裂解水产氢条件。
[0018](2)载气导流的特殊常压产氢模式。
[0019](3)光电耦合的双激发源体系。
[0020]技术方案：一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器，由智能控制器、恒电位仪、以及依次相连通的阴极反应器、阳离子交换膜组件和阳极反应器、参比电极组件组成，其中：
[0021]所述阳离子交换膜组件由阳离子交换膜和两个阳离子交换膜夹具组成，所述阳离子交换膜夹具由玻璃制成，两个所述阳离子交换膜夹具的外侧分别与阴极反应器、阳极反应器相接，所述阳离子交换膜夹具中间设有贯通的腔体，两个阳离子交换膜夹具与阳离子交换膜相接触面之间分别设有环形软橡胶垫片，向阴极反应器及阳极反应器施加相对力，将阳离子交换膜固定挤压在两个阳离子交换膜夹具之间；
[0022]所述阴极反应器包括由透明材料制成的阴极反应器壳体，所述阴极反应器壳体设有位于一侧的阴极反应器透明迎光侧面和位于顶侧的阴极反应器透明顶盖，所述阴极反应器壳体中设有朝向光源布设的阴极片组件、阴极水位传感器和阴极水溶液，所述阴极水溶液的液面高度为阴极反应器腔体深度的2/3～3/4，所述阴极反应器壳体的一侧的中上部设有阴极反应器液体注入阀和阴极引出端，所述阴极引出端与所述阴极片组件相连，所述阴极反应器透明顶盖上设有氢气导出管、氮气导入管和阴极气压计，所述氢气导出管设有氢气导出流量计和氢气流量计导出阀，所述氮气导入管上设有阴极反应器氮气导入流量计和阴极反应器氮气导入阀，所述氮气导入管穿过阴极反应器透明顶盖插入阴极水溶液的液面之下，所述氢气导出管穿过阴极反应器透明顶盖，且其进气口位于阴极水溶液的液面上方，其中：
[0023]所述阴极水溶液的溶质为NaCl、KCl、BeCl2、CaCl2、BaCl2、ZnCl2中的一种；所述阴极水溶液的浓度范围0.1M～4M；
[0024]所述阳极反应器包括由钢化玻璃制成的阳极反应器壳体，所述阳极反应器壳体设有阳极反应器顶盖，所述阳极反应器壳体中设有阳极片组件、阳极水位传感器和阳极水溶液，所述阳极水溶液的液面高度为阳极反应器腔体深度的2/3～3/4，所述阳极反应器的一
侧中上部设有阳极反应器液体注入阀和阳极引出端，所述阳极引出端与所述阳极片组件相连；阳极反应器外固定的参比电极组件，所述参比电极组件包括参比电极壳体和甘汞电极，所述参比电极壳体中装有饱和KCl水溶液，所述甘汞电极插入饱和KCl水溶液液面之下，阳极反应器与参比电极组件通过跨接的盐桥相通，盐桥两端分别插入阳极反应器的液面与参比电极组件的液面之下；阳极反应器顶盖设有氧气导出管、第二氮气导入管和阳极气压计，所述氧气导出管设有氧气导出流量计和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器，其特征在于，由智能控制器、恒电位仪、以及依次相连通的阴极反应器、阳离子交换膜组件和阳极反应器、参比电极组件组成，其中：所述阳离子交换膜组件由阳离子交换膜和两个阳离子交换膜夹具组成，所述阳离子交换膜夹具由玻璃制成，两个所述阳离子交换膜夹具的外侧分别与阴极反应器、阳极反应器相接，所述阳离子交换膜夹具中间设有贯通的腔体，两个阳离子交换膜夹具与阳离子交换膜相接触面之间分别设有环形软橡胶垫片，向阴极反应器及阳极反应器施加相对力，将阳离子交换膜固定挤压在两个阳离子交换膜夹具之间；所述阴极反应器包括由透明材料制成的阴极反应器壳体，所述阴极反应器壳体设有位于一侧的阴极反应器透明迎光侧面和位于顶侧的阴极反应器透明顶盖，所述阴极反应器壳体中设有朝向光源布设的阴极片组件、阴极水位传感器和阴极水溶液，所述阴极水溶液的液面高度为阴极反应器腔体深度的2/3～3/4，所述阴极反应器壳体的一侧的中上部设有阴极反应器液体注入阀和阴极引出端，所述阴极引出端与所述阴极片组件相连，所述阴极反应器透明顶盖上设有氢气导出管、氮气导入管和阴极气压计，所述氢气导出管设有氢气导出流量计和氢气流量计导出阀，所述氮气导入管上设有阴极反应器氮气导入流量计和阴极反应器氮气导入阀，所述氮气导入管穿过阴极反应器透明顶盖插入阴极水溶液的液面之下，所述氢气导出管穿过阴极反应器透明顶盖，且其进气口位于阴极水溶液的液面上方，其中：所述阴极水溶液的溶质为NaCl、KCl、BeCl2、CaCl2、BaCl2、ZnCl2中的一种，所述阴极水溶液的浓度范围0.1M～4M；所述阳极反应器包括由钢化玻璃制成的阳极反应器壳体，所述阳极反应器壳体设有阳极反应器顶盖，所述阳极反应器壳体中设有阳极片组件、阳极水位传感器和阳极水溶液，所述阳极水溶液的液面高度为阳极反应器腔体深度的2/3～3/4，所述阳极反应器的一侧中上部设有阳极反应器液体注入阀和阳极引出端，所述阳极引出端与所述阳极片组件相连；阳极反应器外固定的参比电极组件，所述参比电极组件包括参比电极壳体和甘汞电极，所述参比电极壳体中装有饱和KCl水溶液，所述甘汞电极插入饱和KCl水溶液液面之下，阳极反应器与参比电极组件通过跨接的盐桥相通，盐桥两端分别插入阳极反应器的液面与参比电极组件的液面之下；阳极反应器顶盖设有氧气导出管、第二氮气导入管和阳极气压计，所述氧气导出管设有氧气导出流量计和氧气流量计导出阀；所述第二氮气导入管设有阳极反应器氮气导入流量计和阳极反应器氮气导入阀，所述第二氮气导入管穿过阳极反应器顶盖插入阳极液面之下；氧气导出管穿过阳极反应器顶盖，且位于阴极水溶液的液面之上，其中：所述阳极水溶液的溶质为NaOH、KOH、Be(OH)2、Ca(OH)2、Ba(OH)2、Zn(OH)2中的一种，所述阳极水溶液的浓度与所述阴极水溶液的浓度相同，所述阳极水溶液的溶质与所述阴极水溶液的溶质具有相同种类的阳离子；所述阴极气压计的输出端、所述氢气导出流量计的输出端、所述阴极反应器氮气导入流量计的输出端、所述阳极气压计的输出端、氧气导出流量计的输出端、阳极反应器氮气导入流量计的输出端、阴极水位传感器的输出端、阳极水位传感器的输出端分别与所述智能控制器的输入端相连；所述智能控制器的输出端分别与所述氢气流量计导出阀的输入端、所述阴极反应器氮
气导入阀的输入端、氧气流量计导出阀的输入端、阳极反应器氮气导入阀的输入端、恒电位仪的输入端、所述阴极反应器液体注入阀的输入端、阳极反应器液体注入阀的输入端相连；恒电位仪分别与阴极引出端、阳极引出端、甘汞电极相连。2.如权利要求1所述的一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器，其特征在于，阴极反应器透明顶盖为线性聚光菲涅尔透镜或钢化玻璃，阴极反应器透明迎光侧面为线性聚光菲涅尔透镜或钢化玻璃，阴极反应器壳体的的剩余面为厚度为8～12mm的钢化玻璃。3.如权利要求1所述的一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器，其特征在于，所述阴极片组件由L型电极片支架、与所述L型电极片支架相连的阴极片组成，其中：所述阴极片包括导电玻璃，在所述导电玻璃的一侧的中下部设有厚度为30
‑
50μm的STF涂层，所述导电玻璃的留白处设有引出铜电极箔，所述STF涂层由SrFe
x
Ti1‑
x
O3‑
δ
浆料涂敷而成，其中：0≤x≤1，0≤δ≤1，所述引出铜电极箔与所述阴极引出端相连；所述L型电极片支架包括纵向支架和横向支架，所述纵向支架的一侧与所述横向支架一侧焊接并呈L型，所述纵向支架与所述横向支架的连接处设有加强筋；所述纵向支架呈直角拱形，所述纵向支架的两内侧设有凹槽轨道，所述凹槽轨道等间距设有多个定位孔，纵向移动杆能够在纵向支架的凹槽轨道内上下移动，纵向移动杆移动到预设位置后，通过穿过定位孔的螺栓与纵向支架相连；所述横向支架呈直角拱形，所述横向支架的两内侧设有凹槽轨道，所述凹槽轨道等间距设有多个定位孔，横向移动杆能够在横向支架的凹槽轨道内水平移动，横向移动杆移动到预设位置后，通过穿过定位孔的螺栓与横向支架相连并卡位固定；所述纵向移动杆、所述横向移动杆均凹设有与所述阴极片相适应的卡槽，通过调整纵向移动杆和横向移动杆的位置，进而调整不同长度的阴极片及与水平方向的夹角。4.如权利要求1所述的一种光电耦合双源激发裂解水产氢反应器，其特征在于，所述阳极片组件由L型电极片支架、与所述L型电极片支架相连的阳极片组成，其中：所述阳极片为Pt片，所述阳极片的设有引出铜电极箔，所述引出铜电极箔与所述阳极引出端相连；所述L型电极片支架包括纵向支架和横向支架，所述纵向支架的一侧与所述横向支架一侧焊接并呈L型，所述纵向支架与所述横向支架的连...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡英，苏仁杰，王晶，杜梦琦，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：