一种光热催化规模产氢装置的制作方法

1.本发明属于新能源制备领域，具体涉及一种光热催化规模产氢装置。


背景技术：

2.长期以来，能源和环境一直是困扰人类的两大全球性难题。一方面，全球经济和人民物质需求的日益增长使得能源的消耗亦呈跨越式增长。另一方面，能源消耗导致了严重的环境污染，使我们遭受着大气，水和土壤污染的“全方位”危害。化石燃料的过度利用还伴随着大量的人为二氧化碳排放，导致全球环境的不利变化。氢能作为一种清洁能源，具有许多优点，其具有良好的燃烧性能，无毒无害，具有最高的能量密度(142mj/kg)。氢气燃烧时，除了水和少量的氮化氢外，不会产生一氧化碳，二氧化碳，碳氢化合物，铅或粉尘等污染物。此外，其可以以气体，液体或固体金属氢化物的形式存在，因此可以适应不同的存储和运输要求以及各种应用环境。因此，氢能源将是今后替代化石能源最理想的选择。工业中，氢气的产生仍然主要依赖煤，石油，天然气，将不可避免地产生温室气体和污染物。因此，开发清洁，低成本的技术来促进氢能源的生产尤为重要。光催化技术可以通过合适的光催化剂，将光能转化为化学能源，其中光解水产氢就是利用光能获得氢能，整个过程清洁高效。光解水产氢反应为吸热反应，在反应过程中供以热能加快反应传质过程，加速反应进程。
3.目前的光解水产氢反应装置多为实验室使用阶段，然而，随着光解水产氢技术日益完善，投入产业化将是近期的大趋势，实验室使用的产氢反应器已不能满足要求。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光热催化规模产氢装置，以满足从室温到高温的大规模高效产氢需求。
5.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种光热催化规模产氢装置，包括水浴恒温箱以及能够置于所述水浴恒温箱中的反应器，所述反应器包括箱体和上盖，所述箱体内的底部和侧壁均安装有光反射镜，所述上盖安装有电动搅拌器、led面阵列并连接有出氢管道，所述出氢管道的上部为三通，第一分支管道上依次连接有气压计、真空阀和真空泵，第二分支管道上连接有安全泄压阀，第三分支管道上依次连接有牺牲剂冷凝器、出气阀、单向阀以及出氢口。
7.优选地，所述牺牲剂冷凝器倾斜向下设置，以使冷凝后的牺牲剂顺流返回反应器内部。
8.更优选地，所述牺牲剂冷凝器通过热交换将产氢高温气体冷却到牺牲剂冷凝温度以下，热交换方式可以为半导体制冷(太阳能发电)、冷却水循环等。
9.优选地，所述反应器通过垫脚置于所述水浴恒温箱中，并通过垫脚和周边的空隙形成水浴恒温通道。
10.更优选地，所述水浴恒温箱上设置有温度控制器。
11.更优选地，所述反应器和水浴恒温箱周边的空隙可以裸露，也可以用专门的框型
盖板遮盖，还可以将反应器的上盖加大后遮盖。
12.优选地，所述电动搅拌器固定安装于所述上盖的中央位置，所述电动搅拌器的搅拌轴和所述反应器内部轴密封。
13.更优选地，所述箱体内设有紊流导板。
14.优选地，所述出氢管道和所述上盖的材质相同并与所述上盖密封焊接，所述出氢管道的下口距所述上盖底面的距离为1-5cm。
15.更优选地，所述出氢管道的直径和附件的配套直径一致，减少管道上的变径。由于出氢管道附件比较多，还可以设置附件固定支架。
16.优选地，所述箱体和上盖采用包括不锈钢、铝等耐腐蚀及防锈金属材料。
17.优选地，所述反应器采用橡胶密封圈与锁扣密封或采用螺栓紧固方式密封，所述出氢管道上各附件的连接方式包括焊接、螺纹连接和法兰连接。
18.优选地，所述led面阵列的下缘可浸入反应液面以下。
19.优选地，所述上盖还设有进出料口及观察窗，所述反应器的底部或下部设置有排污口。
20.在实验过程中，预先接通热循环水，按一定比例向反应器中加入光催化剂和反应溶液，将反应器抽真空，密封反应器，打开电动搅拌器和led面阵列，产氢反应开始。当检测到反应器中压力达到容器所能承受的压力上限时，出气阀打开、导出氢气。
21.相对于现有技术，本发明至少具有以下有益的技术效果：
22.1、本发明的光热设置能实现节能、环保的规模化产氢。
23.2、本发明的反应器材料为不锈钢、铝等耐腐蚀及防锈金属材料，实用性强且安全性能高。
24.3、本发明反应器反应所需的光源设置在反应器内部，并且其下缘可置于反应液面以下，避免液面对光的反射，杜绝了光源的浪费。反应器内的底部和侧壁均安装光反射镜，可以对光充分、反复地利用，可以提高光催化剂对光的利用率，在同等能源投入的情况下获得更高的产氢量。灯源为led灯，寿命长、稳定性好。灯源为单色光，其波长可根据光催化剂进行调整，选用光催化剂最佳的响应波长，避免了能源了浪费。
25.4、本发明的出氢管路为三通的设计，出氢口前设置有单向阀，防止气体回流，满足了反应前抽真空、反应过程中的氢气导出以及安全隐患的排除(安全泄压阀)。
26.5、本发明的牺牲剂冷凝器形状倾斜向下，冷凝后的牺牲剂顺流返回反应器内部，既提纯了氢气，也能使牺牲剂被再次利用；其次牺牲剂冷凝器为体积扩充型，产氢气体流动减速，内部增设循环通道，增加换热效率。
27.6、整个反应系统的规格和尺寸可按需调整，从而满足不同规模产氢的需求。
附图说明
28.图1为光热催化规模产氢装置的正面截面图。
29.图2为光热催化规模产氢装置的顶视图。
30.图3为门页/锁扣示意图。
31.附图标记说明：
32.1.led面阵列；2.温度控制器；3.反应器；4.水浴恒温通道；5.光反射镜；6.水浴恒
温箱；7.密封电动搅拌器；8.真空泵；9.真空阀；10.气压计；11.安全泄压阀；12.牺牲剂冷凝器；13.出气阀；14.单向阀；15.出氢口；16.门页/锁扣；17.小观察窗；18.大观察窗。
具体实施方式
33.下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，以下具体实施例有助于本领域技术人员对进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，都可以对装置做出若干的变形或改造。这些都属于本发明的保护范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上部”、“下部”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接；可以是直接相连，可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.另外，如未有特殊说明，以下实施例中所采用的零部件均为现有零部件，其对应的连接方式亦可通过常规技术手段实现，本技术中将不再一一赘述。
36.如图1至图3所示，本发明提供一种光热催化规模产氢装置，包括水浴恒温箱6以及能够置于水浴恒温箱6中的反应器3，水浴恒温箱6上设置有温度控制器2，反应器3通过垫脚搁置于水浴恒温箱6中间，并通过垫脚和周边的空隙形成水浴恒温通道4，进而可以形成恒温循环水流，保证反应器3内部反应液体的温度稳定在70-90℃可设置，水浴恒温箱6的水源可以由太阳能热水器进行初次加热节能。反应器3和水浴恒温箱6周边的空隙可以裸露，也可以用专门的框型盖板遮盖，还可以将反应器3的上盖加大后遮盖。
37.反应器3由箱体和上盖组成，可以采用不锈钢、铝等耐腐蚀及防锈金属材料，反应器3需要密封，密封采用橡胶密封圈加门页/锁扣16的方式，针对更高耐压值，则采用螺栓紧固方式。上盖开多个窗、孔，用于安装led面阵列1、密封电动搅拌器7、小观察窗17、大观察窗18等，led面阵列1的下缘可浸入反应液面以下，避免液面对光的反射，实现光源充分利用，灯源为led灯，寿命长、稳定性好，灯源为单色光，其波长可根据光催化剂进行调整，选用光催化剂最佳的响应波长，避免了能源了浪费。密封电动搅拌器7固定在上盖中央位置，搅拌轴和反应器内部轴密封，防止反应器3内气体泄漏，为保证搅拌效果，防止搅拌死角，反应器箱体内应设紊流导板，并和箱体耐压结构统一考虑；箱体内的底部和侧壁均安装有光反射镜5，增加光照效率；上盖连接有出氢管道，出氢管道和上盖的材质相同并与上盖密封焊接，出氢管道下口距上盖底面为1cm。反应器3上盖还设置有2个观察窗，大观察窗18兼加料功能，以便长期循环工作时使用，以及增加反应液质量在线检测设备，小观察窗17和大观察窗18的窗盖为金属框加玻璃。
38.出氢管道上部为三通，对应三个分支管道，第一分支管道上依次连接有气压计10 真空阀9 真空泵8、第二分支管道上连接有安全泄压阀11、第三分支管道上依次连接有牺牲剂冷凝器12 出气阀13 单向阀14 出氢口15；牺牲剂冷凝器12的功能为热交换，将产氢高温气体冷却到牺牲剂冷凝温度以下，热交换方式可以为半导体制冷(太阳能发电)、冷却水循环等，可以采用市场成品热交换器；牺牲剂冷凝器12形状倾斜向下，冷凝后的牺牲剂顺流返
回反应器内部；出氢管道的直径和附件的配套直径一致，减少管道上的变径，各附件的连接方式为焊接、螺纹连接和法兰连接。由于出氢管道附件比较多，还可以设置附件固定支架。
39.反应器3的底部或下部还设置有排污口，用橡胶塞密封，方便排污。
40.本发明的具体工作过程：预先接通热循环水，热循环水的温度在10-100℃之间可调，以调节反应器3中反应液体的温度，由于反应液在较高温度下能加快光催化剂在led光照下所产生的光生电子-空穴对的分离与迁移，提高产氢量，因此在需要高产氢量时，可通过调节循环水的温度来提高反应液体的温度。按一定比例向反应器3中加入光催化剂和反应溶液，将反应器3抽真空，以形成负压，利于氢气从水中的逸出；密封反应器3，打开密封电动搅拌器7和led面阵列1，光催化产氢反应开始。当检测到反应器3中压力达到容器所能承受的压力上限时，出气阀13打开、导出氢气。
41.显然，本发明的上述实施例仅仅是为更清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方法予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。