一种氢气能源制备并提纯的工作系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种氢气能源制备并提纯的工作系统，一种氢气制备并提纯的工作系统，包括主要由一个透明玻璃光解槽组成的制备系统、主要由一个透明玻璃集气瓶组成的中转系统和主要由一个分离沉淀室组成的分离系统。结合氢气和氧气的密度差异巨大的特点，采用制备系统、中转系统和沉淀分离系统把太阳光催化分解水产生的氢气和氧气的混合气体提纯，是一种既简便又可靠的氢气制备并提纯的自动工作系统。
【专利说明】一种氢气能源制备并提纯的工作系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及新型能源领域，特别涉及一种以太阳光为能源催化分解水产生氢气和氧气混合气体并分离提纯氢气的工作系统。
【背景技术】
[0002]能源是人类生存与经济发展的物质基础，然而随着世界经济持续、高速地发展，能源短缺、环境污染以及生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出。人类使用的化石燃料能源，生物质能，风能以及水能都归根结底来自于太阳能。目前太阳能电站能从一定程度上缓解能源危机，但太阳能光伏发电的效率还很低，电力升压降压变换过程和远程传输都存在大量的能量损耗，势必使太阳能的利用率大打折扣，且储能元件的功率密度低和放电效率低等瓶颈问题大大限制了其发展。
[0003]氢气在二十一世纪可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源，可以利用取之不尽用之不竭的太阳能光解水获得。太阳能光解水制氢的效率一旦获得突破，氢能将会在世界范围内迅速普及。一方面是由于太阳能制氢的制备环境适应性好。只要日光和水源比较充足的地区都可以实施这一项目。另一方面是由于氢能使用起来非常方便。既可以使用传统的氢气内燃机燃烧做功，又可以使用燃料电池发电。这样不但可以避免太阳能发电时存在的转换输送损耗，还能避免太阳能电力对送电网络的依赖，使氢气可以像石油一样方便使用。再者，氢能几乎是真正的零排放能源。氢气氧化后产生无任何污染的水，氢能的利用不会污染环境。随着未来化石能源耗尽时代的临近，太阳能光解水制氢的研宄越来越具有重要的战略意义。
实用新型内容
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种自化动程度高、运行成本低、可靠性高的以太阳光为能源催化分解水产生氢气和氧气的混合气体，并根据密度法分离提纯氢气的工作系统。
[0005]本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下:
[0006]一种氢气制备并提纯的工作系统，包括主要由一个透明玻璃光解槽组成的制备系统、主要由一个透明玻璃集气瓶组成的中转系统和主要由一个分离沉淀室组成的分离系统；
[0007]所述透明玻璃光解槽通过带有进水管道阀门的进水管道添加水量，所述透明玻璃光解槽内壁的上端设置有一个上限水位传感器，所述透明玻璃光解槽内壁的下端设置有一个下限水位传感器，所述透明玻璃光解槽底部放置盛放光解催化剂的塑料盘，所述透明玻璃光解槽壁面的下端设置有密封良好的端盖，所述透明玻璃光解槽的出气总管通过一个三通阀连接第一气体管道和弯管，所述弯管内壁设置一个弯管水位传感器，所述弯管水位传感器安装在所述三通阀上方；
[0008]所述透明玻璃光解槽与所述透明玻璃集气瓶之间经第一气体管道相连通，在所述第一气体管道上安装有第一气体管道阀门，所述透明玻璃集气瓶的顶盖由第一活塞构成，所述透明玻璃集气瓶的外壁的上端安装有上位光敏传感器，所述透明玻璃集气瓶的外壁的下端安装有下位光敏传感器，控制器可以通过所述两个限位光敏传感器检测到第一活塞的上下移动位置；
[0009]所述透明玻璃集气瓶与所述分离沉淀室之间经第二气体管道相连，在所述第二气体管道上安装有第二气体管道阀门，所述分离沉淀室被带孔上金属隔板和带孔下金属隔板分隔为上室、中室和下室三部分，所述带孔上金属隔板的下端设置有用来闭合通气孔的第一蝴蝶挡板，所述带孔下金属隔板的上端设置有用来闭合通气孔的第二蝴蝶挡板，所述分离沉淀室的上端盖由第二活塞构成，所述分离沉淀室的下端盖由第三活塞构成，所述分离沉淀室的上室的底端设置氢气管道，所述氢气管道上设置有氢气管道阀门，所述分离沉淀室的下室的顶端设置氧气管道，所述氧气管道上设置有氧气管道阀门。
[0010]本实用新型的有益效果是:该氢气制备并提纯的工作系统利用简便的结构就能排出透明玻璃光解槽中混入的空气，并能利用密度法提纯制备的氢气和氧气，低成本实现氢气能源供应。本系统的制作成本低，安全稳定，容易控制，易于在阳光充足的地点大规模推广使用。
[0011]在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以作如下改进:
[0012]进一步，所述弯管内壁的水位传感器与所述三通阀的垂直距离等于阀芯尺寸和翻转时水柱泄露尺寸之和。采用上述进一步方案的有益效果是作为一种排空气的优选实现方法，简单方便，易于实现，成本低。
[0013]进一步，设定氢气和氧气的标准分界面为距离所述分离沉淀室的顶端2/3的位置。采用上述进一步方案的有益效果是便于布置所述分离沉淀室的中室位置，作为一种结构的优选实现方法，简单方便，易于实现。
[0014]进一步，所述分离沉淀室的最大容积等于或略小于所述透明玻璃集气瓶的最大容积，中转系统排气完成时所述分离沉淀室的第二活塞处于上室的最上端，所述第三活塞处于下室的最下端。采用上述进一步方案的有益效果是便于所述分离沉淀室中氢气和氧气的标准分界面的位置固定，作为一种结构的优选实现方法，简单方便，易于实现，成本低。
[0015]进一步，所述进水管道阀门连接有进水管道阀门驱动电机，所述三通阀连接有三通阀驱动电机，所述第一气体管道阀门连接有第一气体管道阀门驱动电机，所述第二气体管道阀门连接有第二气体管道阀门驱动电机，所述氢气管道阀门连接有氢气管道阀门驱动电机，所述氧气管道阀门连接有氧气管道阀门驱动电机。采用上述进一步方案的有益效果是方便简单的驱动阀门动作，易于实现。
[0016]进一步，所述第一活塞连接有第一活塞直线电机，所述第二活塞连接有第二活塞直线电机，所述第三活塞连接有第三活塞直线电机。采用上述进一步方案的有益效果是方便简单的驱动活塞动作，易于实现。
[0017]进一步，所述第一蝴蝶挡板和所述第二蝴蝶挡板的边缘都包有密封层，所述第一蝴蝶挡板和所述第二蝴蝶挡板的同时转动可使上室、中室和下室处于连通或分隔状态。采用上述进一步方案的有益效果是易于实现，结实耐用。
[0018]进一步，所述第一蝴蝶挡板连接有驱动电机，所述第二蝴蝶挡板连接有驱动电机。采用上述进一步方案的有益效果是方便简单的驱动蝴蝶挡板动作，易于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型氢气制备并提纯工作系统的结构示意图；
[0020]图2为带孔上金属隔板下端及第一蝴蝶挡板的结构示意图；
[0021]图3为带孔下金属隔板上端及第二蝴蝶挡板的结构示意图。
[0022]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0023]1、透明玻璃光解槽，2、端盖，3、塑料盘，4、光解催化剂，5、上限水位传感器，6、下限水位传感器，7、进水管道，8、进水管道阀门，9、出气总管，10、弯管，11、弯管水位传感器，12、三通阀，13、第一气体管道，14、第一气体管道阀门，15、透明玻璃集气瓶，16、第一活塞，17、上位光敏传感器，18、下位光敏传感器，19、第二气体管道，20、第二气体管道阀门，21、分离沉淀室，22、第二活塞，23、第三活塞，24、带孔上金属隔板，25、带孔下金属隔板，26、第一蝴蝶挡板，27、第二蝴蝶挡板，28、氢气管道，29、氢气管道阀门，30、氧气管道，31、氧气管道阀门，32、控制器，33、太阳光。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非限定本实用新型的范围。
[0025]如图1中所示的一种氢气制备并提纯的工作系统，包括主要由一个透明玻璃光解槽I组成的制备系统、主要由一个透明玻璃集气瓶15组成的中转系统和主要由一个分离沉淀室21组成的分离系统。
[0026]透明玻璃光解槽I通过带有进水管道阀门8的进水管道7添加水量，透明玻璃光解槽I内壁的上端设置有一个上限水位传感器5，透明玻璃光解槽I内壁的下端设置有一个下限水位传感器6，透明玻璃光解槽I底部放置盛放光解催化剂4的塑料盘3，透明玻璃光解槽I壁面的下端设置有密封良好的端盖2，透明玻璃光解槽I的出气总管9通过一个三通阀12连接第一气体管道13和弯管10，弯管10内壁设置一个弯管水位传感器11，弯管水位传感器11安装在三通阀12上方。在这里，为了后述的制备系统的排空气过程切换到制备系统的氢气制备过程中环境空气不会通过三通阀12进入到透明玻璃光解槽I中，弯管10内壁应该保持一段水柱浸泡三通阀12的阀芯，弯管10内壁的水位传感器与所述三通阀的垂直距离等于阀芯尺寸和翻转时水柱泄露尺寸之和，通常取值6-lOcm，为了更方便的说明问题，这里先暂取8cm，因此弯管水位传感器11安装在三通阀12上方8cm的位置。附图1为了更简洁，标出的是三通阀12所在的位置，而未具体画出三通阀的外形；三通阀12、进水管道阀门8均有各自独立的驱动机构来驱动，比如通过电机带动，当控制器32给出命令后相应的阀门封闭或打开连接的管路。
[0027]透明玻璃光解槽I与透明玻璃集气瓶15之间经第一气体管道13相连通，在第一气体管道13上安装有第一气体管道阀门14，透明玻璃集气瓶15的顶盖由第一活塞16构成，透明玻璃集气瓶的外壁的上端安装有上位光敏传感器17，透明玻璃集气瓶的外壁的下端安装有下位光敏传感器18，控制器32可以通过这两个限位光敏传感器检测到第一活塞的上下移动位置。在这里，第一气体管道阀门14有独立的驱动机构来驱动，比如通过电机带动，当控制器32给出命令后阀门封闭或打开连接的管路；第一活塞16有独立的驱动机构来驱动，比如通过直线电机带动，当控制器32给出排气命令后第一活塞16沿着透明玻璃集气瓶15的壁面向下运动。
[0028]透明玻璃集气瓶15与分离沉淀室21之间经第二气体管道19相连，在第二气体管道19上安装有第二气体管道阀门20，分离沉淀室21被带孔上金属隔板24和带孔下金属隔板25分隔为上室、中室和下室三部分，带孔上金属隔板24的下端设置有用来闭合通气孔的第一蝴蝶挡板26，带孔下金属隔板25的上端设置有用来闭合通气孔的第二蝴蝶挡板27，分离沉淀室21的上端盖由第二活塞22构成，分离沉淀室21的下端盖由第三活塞23构成，分离沉淀室21的上室的底端设置氢气管道28，氢气管道28上设置有氢气管道阀门29，分离沉淀室21的下室的顶端设置氧气管道30，氧气管道30上设置有氧气管道阀门31。在这里，根据水光解产生的氢气和氧气的体积比为2:1，设定氢气和氧气的标准分界面为距离分离沉淀室21顶端2/3的位置；考虑到氢气和氧气在标准分界面附近因气体分子热运动而不容易完全分层，带孔上金属隔板24和带孔下金属隔板25分别距离所述标准分界面为4%?6%分离沉淀室21高度，为了更方便的说明问题，这里先暂取5%的分离沉淀室21的高度；第二气体管道阀门20、氢气管道阀门29、氧气管道阀门31均有各自独立的驱动机构来驱动，比如通过电机带动，当控制器32给出命令后阀门封闭或打开连接的管路；第二活塞22在氢气和氧气组成的混合气体的进气压力推动下向上运动，或者当控制器32给出排气命令后在驱动机构(如直线电机)的驱动作用下向下运动；第三活塞23在氢气和氧气的混合气体的进气压力推动下向下运动，或者当控制器32给出排气命令后在驱动机构(如直线电机)的驱动作用下向上运动；当控制器32给出分离沉淀室21连通或分隔的命令后，第一蝴蝶挡板26、第二蝴蝶挡板27在驱动机构(如电机)的驱动作用下同时逆时针转动90°或顺时针转动90° (由上往下看)。
[0029]由于图1中部件较多，11个从控制器32引出的箭头代表了 11个相关的驱动机构，4个指向控制器32的箭头代表了 4个相关的位置传感器的检测信号。图2给出了带孔上金属隔板24和第一蝴蝶挡板26的详细结构。图3给出了带孔下金属隔板25和第二蝴蝶挡板27的详细结构。
[0030]下面给出本实用新型的一种控制方法，以此控制方法来说明本实用新型为实现稳定可靠的控制过程提供了一种合理的系统结构，语言描述如下:
[0031]步骤Aa，制备系统的氢气制备控制方法包括控制器32控制进水管道阀门8关闭，控制器32控制三通阀12使出气总管9与第一气体管道13连通，出气总管9与弯管10隔断，控制器32控制第一气体管道阀门14开启；太阳光33照射透明玻璃光解槽I中的水，经过光解催化剂4催化作用生成氢气与氧气的混合气体，混合气体经第一气体管道13进入中转系统。
[0032]步骤Ab，中转系统的进气控制方法包括控制器32控制第二气体管道阀门20处于关闭状态，控制器32控制第一气体管道阀门14处于开启状态，控制器32控制三通阀12使出气总管9与第一气体管道13连通，出气总管9与弯管10隔断，透明玻璃光解槽I中产生的氢气和氧气混合气体通过第一气体管道13进入透明玻璃集气瓶15，气体产生的压力驱动第一活塞16向上运动。
[0033]步骤Ac，中转系统的排气控制方法包括透明玻璃集气瓶15中不断进入的气体驱动第一活塞16上升到上位光敏传感器17能够检测到的位置时，控制器32控制第一气体管道阀门14关闭，制备系统停止向透明玻璃集气瓶15中供应气体，控制器32控制第二气体管道19上的第二气体管道阀门20开启，控制器32控制直线电机推动第一活塞16向下运动，使中转系统中的氢气和氧气混合气体进入分离系统的分离沉淀室21，控制器32控制第一活塞16下降到下位光敏传感器18能够检测的位置时停止向下运动，中转系统的排气过程结束，控制器32控制第二气体管道阀门20关闭，控制器32控制第一气体管道阀门14开启，中转系统由排气过程转换为进气过程。
[0034]步骤Ad，分离系统的进气控制方法包括控制器32控制氢气管道阀门29和氧气管道阀门31均关闭，控制器32控制第二气体管道阀门20开启，控制器32控制第一蝴蝶挡板26逆时针转动90° (由上往下看)，带孔上金属隔板24上的通气孔打开，控制器32控制第二蝴蝶挡板27逆时针转动90° (由上往下看)，带孔下金属隔板25上的通气孔打开，分离沉淀室21中的上室、中室和下室处于连通状态；控制器32控制直线电机推动第一活塞16向下运动，中转系统中的氢气和氧气的混合气体经过第二气体管道19进入分离沉淀室21，气体压力驱动第二活塞22向上移动和第三活塞23向下移动；由于分离沉淀室21的最大容积等于或略小于透明玻璃集气瓶15的最大容积，中转系统排气完成时分离沉淀室21的第二活塞22处于上室的最上端，第三活塞23处于下室的最下端；中转系统中的氢气和氧气混合气体全部进入分离沉淀室21后控制器32控制第二气体管道阀门20关闭，分离系统的进气过程结束并进入分离系统的分离沉淀过程。
[0035]步骤Ae，分离系统的分离沉淀控制方法包括分离沉淀室21中的氢气和氧气混合气体在静置一段时间后会按照密度差异而自行分层；氧气密度为氢气密度的16倍，所以氧气会经过通气孔沉淀在分离沉淀室21的下室，氢气会经过通气孔上升到分离沉淀室21的上室，分离沉淀室21的中室主要是氢气和氧气的不完全分层混合气体；在氢气和氧气分离沉淀过程中，随着静置的时间增加上室氢气和下室氧气的纯度会逐渐提高；分离系统的分离沉淀过程时间与分离系统的排气过程时间之和等于中转系统的进气过程时间，而分离系统的排气过程时间很短，因此分离系统的分离沉淀过程经历的时间较长，从而保证了上室的氢气和下室的氧气的纯度较高；分离系统的分离沉淀过程结束后就进入了分离系统的排气过程。
[0036]步骤Af，分离系统的排气控制方法包括控制器32控制第一蝴蝶挡板26顺时针转动90° (由上往下看)，带孔上金属隔板24上的通气孔关闭，控制器32控制第二蝴蝶挡板27顺时针转动90° (由上往下看)，带孔下金属隔板25上的通气孔关闭，控制器32控制氢气管道阀门29开启，控制器32控制氧气管道阀门31开启，控制器32控制第二活塞22向下移动并排出氢气，控制器32控制第三活塞23向上移动并排出氧气；第二活塞22向下移动到死点位置，并且第三活塞23向上移动到死点位置时，分离系统的排气过程结束，分离系统进入分离系统的进气过程。
[0037]上述系统结构和控制方法结合氢气和氧气的密度差异巨大的特点，采用制备系统、中转系统和沉淀分离系统把太阳光催化分解水产生的氢气和氧气的混合气体提纯，是一种既简便又可靠的氢气制备并提纯的自动工作系统。
[0038]在上述控制方法的基础上，增加如下控制方法，
[0039]若透明玻璃光解槽I中的水位因光解水的消耗而下降，水位降至下限水位传感器6能够检测的高度时，还包括如下步骤:
[0040]步骤B，制备系统的进水控制方法包括控制器32控制进水管道阀门8开启，透明玻璃光解槽I中开始补充水量；第一气体管道阀门14开启，三通阀12使出气总管9与第一气体管道13连通，出气总管9与弯管10隔断；随着透明玻璃光解槽I中的水位上升，透明玻璃光解槽I中的氢气和氧气混合气体会经过第一气体管道13进入中转系统；透明玻璃光解槽I中的水位升高到上限水位传感器5能够检测的高度时，控制器32控制进水管道阀门8关闭，制备系统的进水过程结束。
[0041]类似的，
[0042]若清洗或更换光解催化剂4后需要排出透明玻璃光解槽I内混入的空气时，还包括如下步骤:
[0043]步骤C，制备系统的排空气控制方法包括控制器32控制三通阀12的阀芯翻转使出气总管9与弯管10连通，出气总管9与第一气体管道13隔断，打开端盖2对光解催化剂4进行清洗或更换；清洗或更换操作完成后关闭端盖2，控制器32控制进水管道阀门8开启，透明玻璃光解槽I中进入的水会使其内部混入的空气经过弯管10排出，直至水位上升到弯管10内壁的水位传感器11能检测的高度时进水管道阀门8才关闭，此时透明玻璃光解槽I内的空气已全部排出，然后控制器32控制三通阀12的阀芯翻转使出气总管9与第一气体管道13连通，出气总管9与弯管10隔断，制备系统由排空气过程转换为氢气制备过程。
[0044]当然，在本实用新型的结构基础上，还可以采用别的控制方法。
[0045]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同代换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种氢气制备并提纯的工作系统，包括主要由一个透明玻璃光解槽组成的制备系统、主要由一个透明玻璃集气瓶组成的中转系统和主要由一个分离沉淀室组成的分离系统，其特征在于: 所述透明玻璃光解槽通过带有进水管道阀门的进水管道添加水量，所述透明玻璃光解槽内壁的上端设置有一个上限水位传感器，所述透明玻璃光解槽内壁的下端设置有一个下限水位传感器，所述透明玻璃光解槽底部放置盛放光解催化剂的塑料盘，所述透明玻璃光解槽壁面的下端设置有密封良好的端盖，所述透明玻璃光解槽的出气总管通过一个三通阀连接第一气体管道和弯管，所述弯管内壁设置一个弯管水位传感器，所述弯管水位传感器安装在所述三通阀上方； 所述透明玻璃光解槽与所述透明玻璃集气瓶之间经第一气体管道相连通，在所述第一气体管道上安装有第一气体管道阀门，所述透明玻璃集气瓶的顶盖由第一活塞构成，所述透明玻璃集气瓶的外壁的上端安装有上位光敏传感器，所述透明玻璃集气瓶的外壁的下端安装有下位光敏传感器，控制器可以通过所述两个限位光敏传感器检测到第一活塞的上下移动位置； 所述透明玻璃集气瓶与所述分离沉淀室之间经第二气体管道相连，在所述第二气体管道上安装有第二气体管道阀门，所述分离沉淀室被带孔上金属隔板和带孔下金属隔板分隔为上室、中室和下室三部分，所述带孔上金属隔板的下端设置有用来闭合通气孔的第一蝴蝶挡板，所述带孔下金属隔板的上端设置有用来闭合通气孔的第二蝴蝶挡板，所述分离沉淀室的上端盖由第二活塞构成，所述分离沉淀室的下端盖由第三活塞构成，所述分离沉淀室的上室的底端设置氢气管道，所述氢气管道上设置有氢气管道阀门，所述分离沉淀室的下室的顶端设置氧气管道，所述氧气管道上设置有氧气管道阀门。
2.根据权利要求1所述一种氢气制备并提纯的工作系统，其特征在于:所述弯管内壁的水位传感器与所述三通阀的垂直距离等于阀芯尺寸和翻转时水柱泄露尺寸之和。
3.根据权利要求1所述一种氢气制备并提纯的工作系统，其特征在于:设定氢气和氧气的标准分界面为距离所述分离沉淀室的顶端2/3的位置。
4.根据权利要求1所述一种氢气制备并提纯的工作系统，其特征在于:所述分离沉淀室的最大容积等于或略小于所述透明玻璃集气瓶的最大容积，中转系统排气完成时所述分离沉淀室的第二活塞处于上室的最上端，所述第三活塞处于下室的最下端。
5.根据权利要求1所述一种氢气制备并提纯的工作系统，其特征在于:所述进水管道阀门连接有进水管道阀门驱动机构，所述三通阀连接有三通阀驱动机构，所述第一气体管道阀门连接有第一气体管道阀门驱动机构，所述第二气体管道阀门连接有第二气体管道阀门驱动机构，所述氢气管道阀门连接有氢气管道阀门驱动机构，所述氧气管道阀门连接有氧气管道阀门驱动机构。
6.根据权利要求1所述一种氢气制备并提纯的工作系统，其特征在于:所述第一活塞连接有第一活塞驱动机构，所述第二活塞连接有第二活塞驱动机构，所述第三活塞连接有第三活塞驱动机构。
7.根据权利要求1所述一种氢气制备并提纯的工作系统，其特征在于:所述第一蝴蝶挡板和所述第二蝴蝶挡板的边缘都包有密封层，所述第一蝴蝶挡板和所述第二蝴蝶挡板的同时转动可使上室、中室和下室处于连通或分隔状态。
8.根据权利要求1所述一种氢气制备并提纯的工作系统，其特征在于:所述第一蝴蝶挡板连接有驱动机构，所述第二蝴蝶挡板连接有驱动机构。
【文档编号】C01B3/04GK204198408SQ201420523781
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】赵付舟, 何聪 申请人:宁波工程学院