人工光合作用系统及其专用二氧化碳加氢装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供了一种人工光合作用系统及其专用二氧化碳加氢装置，包括有电解水分解装置和二氧化碳加氢装置；二氧化碳加氢装置包括有太阳能真空管，在所述太阳能真空管内设置有二氧化碳加氢催化剂，所述太阳能真空管从外到内依次设置有外透明壳层、碳化钛层和铜层。本实用新型专利技术的电解水分解装置通过设置两个电解槽，并在两个电解槽之间设置连接管，使得两个电解槽中分别进行阳极反应和阴极反应，在制氢反应过程中无需使用隔膜，不需要后期氢气和氧气进行纯化分离的过程，降低了成本。同时采用商用单晶硅光伏板作为电源和镀镍不锈钢网电极，在降低电解水制氢启动电压的同时显著降低了系统的成本。低了系统的成本。低了系统的成本。

【技术实现步骤摘要】
人工光合作用系统及其专用二氧化碳加氢装置


[0001]本技术涉及能源技术利用领域，具体地说是一种人工光合作用系统及其专用二氧化碳加氢装置。

技术介绍

[0002]为了人类的可持续发展，二氧化碳（CO2）利用已成为人类社会的终极目标之一。光合作用是利用吸收阳光的绿色植物驱动CO2和H2O转化为碳氢化合物和氧气的策略，这是世界上最大的CO2利用模式。科学家正试图通过太阳能化学途径，即人工光合作用将CO2转化为CO、CH4、CH3OH等。规模化人工光合作用（1 m2量级）的应用对于缓解全球变暖、克服当前的能源和环境危机具有重要意义。最近报道的规模化人工光合作用系统是光伏电催化系统，即在太阳光的辐照下，该系统首先由太阳能光伏板产生电能，电能驱动电催化装置将CO2和H2O转化为碳氢化合物。然而规模化光伏电催化系统进行CO2资源化的最高太阳能到化学能源效率（STC）为7.2%，这低于美国能源部10%的STC要求。同时，由于使用贵金属催化剂(如Ir.Pt、Rh、Ru)以及装置中的大型组件(如隔膜、太阳能反应器)成本高昂，建造大型人工光合系统的材料成本太高，无法实际应用。

技术实现思路

[0003]本技术的目的之一是提供一种人工光合作用系统，以解决现有人工光合作用技术效率低的问题。
[0004]本技术的目的之一是这样实现的：一种人工光合作用系统，包括有电解水分解装置和二氧化碳加氢装置；
[0005]所述电解水分解装置包括有：
[0006]电池，用于供电；
[0007]产氧电解槽，内部设置有析氧阳极，所述析氧阳极与所述电池的阳极连接，用于发生阳极反应产生氧气；
[0008]产氢电解槽，内部设置有析氢阴极，所述析氢阴极与所述电池的阴极连接，用于发生阴极反应产生氢气；以及
[0009]连接管，连通设置在所述产氢电解槽和产氧电解槽之间；
[0010]二氧化碳加氢装置包括有太阳能真空管，在所述太阳能真空管内设置有二氧化碳加氢催化剂，所述太阳能真空管从外到内依次设置有真空层、碳化钛层和铜层；所述太阳能真空管一端为加二氧化碳和氢气端，另一端为二氧化碳加氢后的出碳氢化合物端。
[0011]进一步地，本技术可以按如下技术方案实现：
[0012]所述电池为太阳能电池。
[0013]所述析氧阳极和析氢阴极均选用镀镍不锈钢网电极。
[0014]在所述太阳能真空管内设置有催化管，所述二氧化碳加氢催化剂设置在所述催化管上。
[0015]在所述太阳能真空管外侧设置有将太阳光聚集到太阳能真空管的反光板。
[0016]所述连接管与所述析氧阳极和所述析氢阴极在同一水平线上。
[0017]本技术的目的之二是提供一种人工光合作用系统专用二氧化碳加氢装置，以解决现有二氧化碳加氢装置成本较高的问题。
[0018]本技术的目的之二是这样实现的：一种人工光合作用系统专用二氧化碳加氢装置，包括有太阳能真空管，在所述太阳能真空管内设置有二氧化碳加氢催化剂，所述太阳能真空管从外到内依次设置有真空层、碳化钛层和铜层；所述太阳能真空管一端为加二氧化碳和氢气端，另一端为二氧化碳加氢后的碳氢化合物端。
[0019]进一步地，本技术可以按如下技术方案实现：
[0020]在所述太阳能真空管内设置有催化管，所述二氧化碳加氢催化剂设置在所述催化管上。
[0021]在所述太阳能真空管外侧设置有将太阳光聚集到太阳能真空管的反光板。
[0022]本技术的电解水分解装置通过设置两个电解槽，并在两个电解槽之间设置连接管，使得两个电解槽中分别进行阳极反应和阴极反应，使得生成的阳极产物氧气和阴极产物氢气是完全分开的，不会出现混合的现象，在制氢反应过程中无需使用隔膜，不需要后期氢气和氧气进行纯化分离的过程，降低了成本。同时采用商用单晶硅光伏板作为电源和镀镍不锈钢网电极，在降低电解水制氢启动电压的同时显著降低了系统的成本。
[0023]本技术的二氧化碳加氢装置由太阳能真空管吸收太阳光产生高温去加热管体内部的催化剂进行CO2加氢反应。太阳能真空管从外到内依次设置有外透明壳层、碳化钛层、铜层和内透明壳层，在保证高效吸收太阳光的同时减少了向外的红外辐射，提供催化所需高温，结合不同的催化剂可以实现多种催化反应。可以在1 kW m
‑2（一个标准太阳光）的光辐照下将催化剂加热至392
ꢀ°
C，实现了约70%的太阳能吸收和0.85 kW
·
m
‑2的总热量输出，将系统散热量从5.93 kW m
‑2减少到0.85 kW m
‑2，在1次阳光照射下，CH4生成率达到900 mmol h
‑1。
[0024]为了模拟工业过程，二氧化碳加氢装置进料气体的流速为120 L h
‑1，其中CO2含量为24 L h
‑1，H2含量为96 L h
‑1，Ni/Al2O3催化剂的用量为27 g，可以满足工业规模化生产的要求。在一个太阳照射3小时后，关闭光照，二氧化碳加氢装置显示出稳定的约660 mmol h
‑1CH4生成速率和约300
ꢀ°
C的工作温度，持续56小时黑暗时间，无任何额外能量输入。二氧化碳加氢装置能够在午夜生成650 mmol h
‑1的稳定CH4生成率，而无需消耗额外的能量。二氧化碳加氢装置在室外1平方米的规模下可在冬季昼夜连续驱动CO2甲烷化，总CH4产率为52.9 mol。
附图说明
[0025]图1是本技术的结构示意图。
[0026]图2是太阳能真空管的结构示意图。
[0027]图3是太阳能真空管部分剖面图。
[0028]图4是在二氧化碳加氢装置中加入一氧化碳催化剂后产生一氧化碳的生成速率图。
[0029]图5是图3的CO的STC效率图。
[0030]图6是在二氧化碳加氢装置中加入甲烷催化剂后产生甲烷的生成速率图。
[0031]图7是二氧化碳加氢装置在太阳能辐照下和之后的黑暗环境中甲烷生成速率图。
[0032]图8是二氧化碳加氢装置在无太阳能辐照下的甲烷生成速率图。
[0033]图9是二氧化碳加氢装置在室外1平方米的阳光照射下的生成速率图。
[0034]图中：1、太阳能电池，2、连接管，3、析氧阳极，4、产氧电解槽，5、产氢电解槽，6、析氢阴极，7、太阳能真空管，8、催化管，9、二氧化碳加氢催化剂，10、真空层，11、碳化钛层，12、铜层，13、内管。
具体实施方式
[0035]下面结合附图对本技术的具体实施方式作列举性说明。
[0036]如图1所示，本技术的人工光合作用系统，包括有电解水分解装置和二氧化碳加氢装置。
[0037]其中，电解水分解装置包括有电池、产氧电解槽4、产氢电解槽5和连接管2。
[0038]电池用于给电极供电，本技术的电池采用商用单晶硅太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人工光合作用系统，其特征是，包括有电解水分解装置和二氧化碳加氢装置；所述电解水分解装置包括有：电池，用于供电；产氧电解槽，内部设置有析氧阳极，所述析氧阳极与所述电池的阳极连接，用于发生阳极反应产生氧气；产氢电解槽，内部设置有析氢阴极，所述析氢阴极与所述电池的阴极连接，用于发生阴极反应产生氢气；以及连接管，连通设置在所述产氢电解槽和产氧电解槽之间；二氧化碳加氢装置包括有太阳能真空管，在所述太阳能真空管内设置有二氧化碳加氢催化剂，所述太阳能真空管从外到内依次设置有真空层、碳化钛层和铜层；所述太阳能真空管一端为加二氧化碳和氢气端，另一端为二氧化碳加氢后的出碳氢化合物端。2.根据权利要求1所述的人工光合作用系统，其特征是，所述电池为太阳能电池。3.根据权利要求1所述的人工光合作用系统，其特征是，所述析氧阳极和析氢阴极均选用镀镍不锈钢网电极。4.根据权利要求1所述的人工光合作用系统，其特征是，在所述太阳能真空管内设置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚光，关晴晴，吴琦璇，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：新型
国别省市：