专利名称：太阳能制氢热水器的制作方法
技术领域：
本发明太阳能制氢热水器属于能源领域。
技术背景太阳能的利用无疑是极其重要的。迄今为止，主要应用的是太阳能电 池发电和太阳能热水器热水。太阳能电池的优点是，结构简单，使用方便。不足是太阳能利 用率低，价格较高。太阳能热水器的优点是，价格低廉，太阳能利用率较高。但当不需要热 水时，太阳能就不能被利用。鉴于这些不足，研究开发太阳能新的利用形式还是很必要的。
美国科学家利用催化剂，使得甲醇和水反应，产生氢气，效率可达95%。这是利用 太阳能的一个很好方式。但迄今未能推广。另一方面，甲醇也是一种很好的燃料。用一种 燃料产生另一种燃料，其成本很难降下来。因此，开发利用太阳能的新方式仍是很必要的。
本发明的目的是，利用价廉易得的材料构造一个装置，既能产生氢气，也能加热 /K，大幅提闻太阳能的利用率
发明内容
本发明提出三种太阳能制氢热水器设计方案。其主要差别在于，吸收 太阳能的介质不同。分别为碱性水溶液，酸性水溶液，及可溶解于水的金属盐水溶液。共同 之处在于，这些溶液中都可以含有多种溶解于或悬浮于其中的吸收太阳能的物质，如碳与 碱、酸或金属盐的反应产物或悬浮的碳黑微粒；与直流电源负极相连的负极板有黑色导电 涂层；都是通过直流低压电解方式产生氢气；三种太阳能制氢热水器在产生氢气、氧气和 热水的整个过程中消耗的只是水、少量电能及太阳能。
负极板上的黑色导电涂层应有极大的光吸收系数，而且耐强碱、强酸或金属盐的 腐蚀。现在太阳能热水器用的太阳能吸收涂层已很成熟，有许多种。例如，黑铬、黑镍或渐 变铝-氮-铝涂层。因此可以按如下方式制作黑色导电涂层用当前已成熟的技术制作平 板太阳能吸收涂层，在此涂层上附加一层透明、耐腐蚀的导电膜，或涂敷碳黑薄膜，或粘附 碳纤维。当然，最好的方式是改造现有太阳能吸收涂层，使其导电且耐腐蚀。
可溶于水的碱有多种，如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡；可溶于水的酸也有多种， 例如盐酸、硫酸、硝酸；可溶于水的盐有许多种。如氯盐(不包括氯化银)，硝酸盐，硫酸盐 (不包括硫酸钡、硫酸钙、硫酸银)，钾盐和钠盐。这些是可用的。
一种太阳能制氢热水器，其特征是，这种太阳能制氢热水器由盛装碱性、酸性或金 属盐水溶液的溶液箱，热水箱，冷水箱，A、B导气管，保温层，直流电源、储氢气罐及储氧气罐 构成，溶液箱和热水箱有共用的壁板，称之为中板，在溶液箱一侧的中板表面有黑色导电涂 层并连接电源负极，在热水箱一侧的中板表面上有绝缘膜层，在溶液箱和热水箱的顶上安 装有冷水箱，在冷水箱里面安装有A、B导气管。
上述太阳能制氢热水器，其特征是，吸收太阳能的物质是碱性水溶液、酸性水溶 液、金属盐水溶液这三种水溶液之中的任一种，和中板上的黑色导电涂层。
上述太阳能制氢热水器，中板表面上的黑色导电涂层的特征是，在现在已有太阳 能吸收涂层表面上附加一层透明导电薄膜，或碳黑薄膜，或粘附碳纤维。
在上述三种溶液中，可根据需要溶解多种吸收太阳能的物质或悬浮多种吸收太阳 能的微粒，以便更多地吸收光能。例如，前述太阳能制氢热水器，其溶液的特征是，在碱性水 溶液中溶解有碳与碱的化合物，在酸性水溶液中溶解有碳与酸的化合物，在金属盐水溶液中溶解有碳与金属盐的化合物，在这三种溶液中，都悬浮有碳的纳米级微粒。
碱溶液的浓度可以是饱和浓度。而酸性水溶液和金属盐水溶液不必取饱和浓度。
前述太阳能制氢热水器，其溶液箱的特征在于，溶液箱由前板、中板、顶板、底板及 两个侧面板构成，前板是透明的真空玻璃绝热板，接触水溶液的前板表面连接直流电源的 正极，在前板和中板上方的中间有隔气板，前板上方是B导气管的进气口，中板上方是A导 气管的进气口。
制作真空绝热板玻璃是由透光率尽可能高的玻璃制作。这些玻璃还必须耐强碱、 强酸的腐蚀。存在这样的玻璃，例如，有硅酸钙(CaSiO3)保护膜、表面光滑的玻璃有此功能。
正、负极板直接接触碱、酸或盐的水溶液。因此，当用碱性或金属盐水溶液时，正、 负极板接触溶液的表面必须耐强碱或金属盐的腐蚀。当用酸性水溶液时，正、负极板接触酸 溶液的表面必须耐强酸腐蚀。正极板(前板)可用耐强碱、强酸、或金属盐腐蚀的、并联的、 透明导电膜条或碳纤维条制作。
隔气板的作用是使从正极、负极(即，前板、中板)上方逸出的气体分隔开。隔板 由耐腐蚀的薄板制作，例如，可用聚四氟乙烯的塑料薄板制作。
前述太阳能制氢热水器，其热水箱的特征在于，热水箱由中板、后板、上板、下板及 两个侧板构成，在上板安装有连接冷水箱的进水管、进水阀门和压力阀，在下板安装有放水 管和放水阀门。
由于溶液箱吸收太阳能，溶液箱温度增高。由于中板是溶液箱和热水箱共用的壁 板，溶液箱中的热量就通过中板传给热水箱中的水，即，中板是热水箱的加热板。
前述太阳能制氢热水器，其冷水箱的特征在于，在冷水箱的上面有进水管和进水 阀门，在冷水箱里安装有A、B导气管，在冷水箱的下面有放水管，这个放水管就是热水箱的 进水管。
由于热水的使用，热水箱中的水将减少。当热水箱需要补水时，将热水箱上的进水 阀门及冷水箱上面的进水阀门打开，自来水经过冷水箱上面的进水管、冷水箱和热水箱上 的阀门进入热水箱。
当只需要热水时，直流电源断开，太阳能主要转化为热能；当阳光充足或希望同时 加热水和制造氢气时，直流电源连通，太阳能将部分转化为氢气，部分转化为水的热能。当 不需要热水时，为了提高水溶液的温度，产生更多氢气，可将热水箱中的水放掉。这样，太阳 能主要转化为氢气储存起来。
直流电源的电压，根据前、后板的距离(也是正负极的距离)确定。正负极之间每 厘米上的电压差应大于或接近于O. 5V。
前述太阳能制氢热水器，其A导气管的特征在于，A导气管有U形部分，在A导气 管的U形部分的底部有堵塞了导气管的水，称为水塞，A导气管的进气口在中板的上方，A导 气管连通储氢气罐，在A导气管的水塞和储氢气罐之间有气体干燥剂。
由于中板连接电源负极，从中板上方逸出、进入到A导气管的是氢气和水蒸气。氢 气和水蒸气的热量传给A导气管外面的冷水。水蒸气被水塞阻留，而氢气可通过水塞进入 氢气罐。有少量的水蒸汽会通过水塞。这些水蒸汽被气体干燥剂吸收。可设计一个装置， 根据气体干燥剂的湿度自动更换气体干燥剂。由于逸出水蒸气被水塞阻留，A导气管水塞 的水量增加，这些水自动流回到溶液箱中。
前述太阳能制氢热水器，其B导气管的特征在于，B导气管有U形部分，在B导气 管的U形部分的底部有水塞，B导气管的进气口在前板的上方，B导气管连通储氧气罐，在B 导气管的水塞和储氧气罐之间有自动喷水管。
前述太阳能制氢热水器，当溶液是酸性水溶液或金属盐水溶液时，其特征是，在正 极将有相应于酸根的气体逸出，这些相应于酸根的气体进入B导气管，溶解于B导气管的水 中，然后输送回溶液箱之中。
由于前板连接正极，从前板上方逸出、进入B导气管的是氧气、作为酸根(如氯离 子)的气体(如氯气)和水蒸气。氧气从B导气管的出口进入到储氧气罐中；由于气体被 B导气管外面的冷水冷却，酸根气体容易重新溶解在作为水塞的水中。水蒸气也被水塞阻 留。由于氢气、酸根气体、氧气及水蒸气的逸出，溶液箱中的水量减少。因此必须补水。在B 导气管的出口处的自动喷水管可根据溶液箱中底部的压强或液面的高度自动、及时地向溶 液箱补水。为了捕获少量通过水塞的酸根气体，自动喷水管向B导气管里面喷水。由于自 动喷水管补水及逸出水蒸气被水塞阻留，B导气管水塞的水量增加，这些水自动流回溶液箱 中。这样，酸根气体也随着重新回到溶液箱中，使得溶液箱酸根总量不变。
前述太阳能制氢热水器，其保温层的特征在于，除了储氢气罐和储氧气罐之外，太 阳能制氢热水器的其余部分都封闭在保温层之内，保温层由真空玻璃绝热板和不透明的真 空绝热板构成，各个真空绝热板及真空玻璃绝热板相互密闭连接无缝隙。
保温层使得从真空玻璃绝热板进入的太阳能只进不出，极少逸失。
热水箱上面的压力阀的作用是，当热水箱内气体压力达到一定值时，自动开启放 气，保证安全。
这种这种太阳能制氢热水器的制氢机理简述如下
碱性水溶液、酸性水溶液及可溶于水的金属盐水溶液都是导体，能够吸收电磁波， 特别是低频电磁波。由于水溶液中离子的作用，这三种溶液比水更容易吸收光能。
碱、酸及金属盐水溶液能够溶解多种物质，这些溶解或悬浮在水中的物质能够吸 收不同波段电磁波，增强溶液对光能的吸收。例如，碳微粒就能够悬浮在碱性水溶液中，并 将碱性水溶液变为黑褐色。即使如此，仍有某些频率的光能够穿过碱性、酸性或金属盐水溶 液而到达后板。因此有必要在后板上涂覆一层黑色导电涂层，以便尽最大可能吸收光能。这 样的黑色涂层有许多种，可利用现有技术制作黑色涂层，再附加导电耐腐蚀膜层。
溶液中每种分子都可能由于分子、原子、离子之间的作用，吸收一定能量的光子而 离解为正、负离子。这不同于单纯的电场作用导致的离解。由于离子出现，溶液电阻降低。 吸收光能越多，溶液电阻越小。即使很低的电压(例如，正负极之间Icm的电压差大于或接 近于O. 5V)，水分子也能够被离解而在负极放出氢气。这样，消耗同样电能时，吸收光能越 多，产生的氢气就会越多。结果，产生的氢能将大于用于产生氢气所消耗的电能，太阳能转 化为了氢能。
在电解产生氢气过程中，由于溶液中的金属离子或原子不能挥发，碱性水溶液的 溶质可认为没有消耗，消耗的只是水。
不同于碱性水溶液，酸性水溶液中的氢离子，在电解产生氢气过程中大量消耗，化 为氢气而逸出。与此同时，酸根，例如氯离子，也在正极化为气体而逸出。可见，为了使得制 氢过程稳定地持续下去，必须将这些在正极逸出的气体重新冷却，输送回原来的酸性溶液、溶解后重新变为酸根才可以。由于溶液对光能的吸收，这是完全可以实现的。例如电解盐 酸水溶液时，将在负极放出氢气、在正极放出和氯气。氯气被收集、冷却、重新输送回盐酸水 溶液时，将产生盐酸和次氯酸。次氯酸在吸收光能或热能后，分解为盐酸和氧。这样，氯及 相应的盐酸在制氢过程中就没有损失。如此，制氢过程就能够稳定地进行下去。由于酸性 水溶液的电阻随盐酸浓度的增加而变小，产生的氢能就能够大于用于产生氢气所消耗的电 能。这样，太阳能就转化为了氢能。
电解金属盐水溶液的制氢过程与电解酸性水溶液的制氢过程相似。电解过程中， 由于金属离子或原子的作用及光能的吸收，水分子离解，并在负极放出氢气。与此同时，将 有相应于酸根的气体(例如氯气)逸出。与酸性水溶液的情况相同，将相应于酸根的气体 (如氯气)冷却后再输送回到金属盐水溶液后，在光作用下，又重新产生原来酸根。从而，制 氢过程就能够稳定地进行下去。由于金属盐水溶液的电阻随浓度的增加而变小，产生的氢 能就能够大于消耗的电能。
由以上所述可见，在三种情况下，在产生氢气和热量过程中，消耗的只是水、少量 电能和太阳能。从结果上看，这个过程就是将水电离为氢和氧。但这个过程与用电直接电 解水是完全不同的。水分子可以仅由于离子和光的的作用，而不是由于电场的作用，离解为 氢离子和氢氧根。氢原子也可以被活泼金属原子从水分子中置换出来。
这种太阳能制氢、热水器工作过程是太阳光穿过透明的真空玻璃绝热板后，被水 溶液和黑色导电涂层所吸收。当直流电压加到前板与中板板时，由于水溶液对光的吸收，离 子或原子及电场的作用，水分子离解，放出氢气。氢气通过A导气管流到储氢气罐。氧气经 过B导气管进入储氧气罐。酸根气体进入B导气管并溶解后，又流回溶液箱。由于水溶液 和黑色导电涂层吸收光能，溶液和中板板温度升高，从而加热了热水箱中的水。
图1是太阳能制氢热水器导气管与溶液箱连通处的侧面纵向剖面图。图 中，I是溶液箱及碱性、酸性或金属盐的水溶液；2是热水箱及水；3是连接电源正极的前板， 即真空玻璃绝热板；4是连接电源负极的中板；5是后板与不透明的真空绝热板；6是冷水 箱及冷水；7是B导气管；8是A导气管；9是热水箱放水阀；10是热水箱的进水阀门；11是 热水箱的压力阀；12是将从正极与负极逸出的气体分隔开的隔板；13是储氢气罐；14是储 氧气罐。
图2是太阳能制氢热水器正面A导气管处的纵向剖面图。图中，I是溶液箱及碱 性、酸性或金属盐的水溶液；6是冷水箱及冷水；8是A导气管；13是储氢气罐；14是储氧气 罐；15是不透明的真空绝热板；16是冷水箱的进水管阀门；17是A导气管的水塞；18是气 体干燥剂。
图3是太阳能制氢热水器正面、B导气管处的纵向剖面图。图中，I是溶液箱及碱 性、酸性或金属盐的水溶液；6是冷水箱及冷水；7是B导气管；13是储氢气罐；14是储氧气 罐；15是不透明的真空绝热板；19是B导气管的水塞；20是自动控制喷水管与阀门。
图4是实施例1的前板透明导电膜条正面示意图。图中，3是连接电源正极的前板 (真空玻璃绝热板)；21是透明导电膜条。
具体实施方式
实施例1:⑴取一块1. 2 X1. 5m2、厚1. 2cm的真空玻璃绝热板作为 前板3。这块真空玻璃的外表面有硅酸钙保护膜，表面光滑，耐酸、碱腐蚀。如图4所示，在 真空玻璃绝热板的一个表面上，镀上透明导电薄膜21。其中的横条距上边30cm，相邻竖条相距3cm，每个导电膜条宽lcm、长90cm。导电薄膜需耐酸碱腐蚀，可用TCO导电膜。这些并 联的导电膜与电源正极相连。
(2)取一块1. 2 X1. 5m2、厚I 2mm，按现有技术镀上黑铬涂层，在黑铬涂层上涂敷 碳黑薄膜，另一个表面涂上绝缘、防腐膜，然后连接电源负极，作为中板4。
(3) A、B导气管8与7可弯曲，外径2cm，管壁厚度I 2mm。可用聚四氟乙烯管。
(4)溶液箱I的四个壁都用内表面能够涂敷聚四氟乙烯薄膜的塑料制作，厚lcm。
(5)除了中板4外，热水箱2的其余壁板及冷水箱6的壁板都用厚lcm、无毒、耐腐 蚀的塑料(如聚乙烯)制作。
(6)前板3与中板4相距4cm，前板3有导电膜的一面与中板4涂敷碳黑的一面相 对。溶液箱高90cm,长150cm。中板4与后板5相距8cm,热水箱2高90cm,长150cm。冷水 箱6长150cm，宽8cm，高30cm。每两板之间都要密闭无缝隙地焊接或粘接好。
(7)溶液箱I中的隔板12长度与溶液箱I长度相同，即150cm，宽度10 15cm，厚 03 1mm。用聚四氟乙烯塑料制作。
(8)压力阀11直径lcm。当热水箱2上部压强达到1. 2大气压时，压力阀11开启 方文气。
(9)有一个自动控制装置(未画出)，能够由溶液箱底部液体压强或液面高度控制 B导气管上自动喷水阀门20的开关。
(10)储氢气罐13、储氧气罐14、热水箱放水阀10、热水箱进水阀门11及冷水箱的 进水管阀门16都用市场通用件即可。
将上述给定规格的各部件按图1-4连接好，安装在设计好的、用钢材制做的一个 支架上。然后，在溶液箱中充入148 X 88 X 4cm3的饱和氢氧化钾水溶液，将适量的(无沉淀) 纳米级的碳黑撒入氢氧化钾水溶液中。将冷水箱及热水箱充满水，接通电源，在阳光足够长 时间照射后，就会有热水和氢气产生。
实施例2 :代替氢氧化钾，用盐酸水溶液(非饱和)充入水溶液箱，也可以产生氢 气和热量。
实施例3:代替氢氧化钾，用氯化钠水溶液(非饱和)充入水溶液箱，也可以产生氢气和热量。
这种太阳能制氢热水器所消耗的是水、少量电能和太阳能，既能产生氢气，又能加 热水，提高了太阳能的利用率。由于这种太阳能制氢热水器所需电压很低，耗电少，因此，如 果与太阳能电池联合应用，则不必外加电源。
权利要求
1.一种太阳能制氢热水器，其特征是，这种太阳能制氢热水器由盛装碱性、酸性或金属盐水溶液的溶液箱，热水箱，冷水箱，A、B导气管，保温层，直流电源、储氢气罐及储氧气罐构成，溶液箱和热水箱有共用的壁板，称之为中板，在溶液箱一侧的中板表面有黑色导电涂层并连接电源负极，在热水箱一侧的中板表面上有绝缘膜层，在溶液箱和热水箱的顶上安装有冷水箱，在冷水箱里面安装有A、B导气管。
2.权利要求1所述太阳能制氢热水器，其特征是，吸收太阳能的物质是碱性水溶液、酸性水溶液、金属盐水溶液这三种水溶液之中的任一种，和中板上的黑色导电涂层。
3.权利要求1所述太阳能制氢热水器，中板表面上的黑色导电涂层的特征是，在现在已有太阳能吸收涂层表面上附加一层透明导电薄膜，或碳黑薄膜，或粘附碳纤维。
4.权利要求1所述太阳能制氢热水器，其溶液箱的特征在于，溶液箱由前板、中板、顶板、底板及两个侧面板构成,前板是透明的真空玻璃绝热板,接触水溶液的前板表面连接直流电源的正极，在前板和中板上方的中间有隔气板，前板上方是B导气管的进气口，中板上方是A导气管的进气口。
5.权利要求1所述太阳能制氢热水器，其热水箱的特征在于，热水箱由中板、后板、上板、下板及两个侧板构成，在上板安装有连接冷水箱的进水管、进水阀门和压力阀，在下板安装有放水管和放水阀门。
6.权利要求1所述太阳能制氢热水器，其冷水箱的特征在于，在冷水箱的上面有进水管和进水阀门，在冷水箱里安装有A、B导气管，在冷水箱的下面有放水管，这个放水管就是热水箱的进水管。
7.权利要求1所述太阳能制氢热水器，其A导气管的特征在于，A导气管有U形部分，在A导气管的U形部分的底部有堵塞了导气管的水，称为水塞，A导气管的进气口在中板的上方，A导气管连通储氢气罐,在A导气管的水塞和氢气罐之间有气体干燥剂。
8.权利要求1所述太阳能制氢热水器，其B导气管的特征在于，B导气管有U形部分，在B导气管的U形部分的底部有水塞，B导气管的进气口在前板的上方，B导气管连通储氧气罐，在B导气管的水塞和储氧气罐之间有自动喷水管。
9.权利要求1所述太阳能制氢热水器，当所用溶液是酸性水溶液或金属盐水溶液时，其特征是，在正极将有相应于酸根的气体逸出，这些相应于酸根的气体进入B导气管，溶解于B导气管的水中，然后输送回溶液箱之中。
10.权利要求1所述太阳能制氢热水器，其保温层的特征在于，除了储氢气罐和储氧气罐之外，太阳能制氢热水器的其余部分都封闭在保温层之内，保温层由真空玻璃绝热板和不透明的真空绝热板构成，各个真空绝热板及真空玻璃绝热板相互密闭连接无缝隙。
全文摘要
一种太阳能制氢热水器，属能源领域。其特征是，吸收太阳能的物质是碱性水溶液、酸性水溶液、金属盐水溶液这三种水溶液之中的任一种，和黑色导电涂层。黑色导电涂层的特征是，在现在已有太阳能吸收涂层表面上附加一层透明导电薄膜，或碳黑薄膜，或粘附碳纤维。当所用溶液是酸性水溶液或金属盐水溶液时，其特征是，在电源正极将有相应于酸根的气体逸出，这些相应于酸根气体进入到导气管，溶解于导气管的水中，然后输送回原溶液箱之中。这种太阳能制氢热水器所消耗的是水、少量电能和太阳能，既能产生氢气，又能加热水，提高了太阳能的利用率。这种太阳能制氢热水器所需电压很低，耗电少，与太阳能电池联合，则不必外加电源。
文档编号C25B1/04GK102997445SQ20111027225
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者陈紫微 申请人:陈紫微