专利名称：一种利用太阳能分解水制备氢气的方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能技术领域，特别是涉及一种利用太阳能分解水 制备氢气的方法及装置。
背景技术：
太阳能具有储量的"无限性"，可为人类提供一种丰富的、可再生的 和清洁(无污染)的能源。到目前为止，在利用太阳能方面，除了太阳能 热水器、太阳能电池、太阳能照明等外，还在进行太阳能分解水制氢的研
究。自从1972年至今的30多年中，人们围绕利用太阳能分解水制氢开展 了各种研究，其中包括太阳能热化学裂解水制氢、太阳能光电化学过程制 氢、太阳能光生物化学制氢以及太阳能光伏发电电解水制氢等，取得了一 定进展，但目前离实际应用太阳能分解水制氢还有很大差距(参见丁福臣、 易玉峰.制氢储氢技术.北京:化学工业出版社，2006.)。其困难和关键点之 一是对直射到地球表面的太阳光谱不能全部和有效加以利用。在太阳光谱 的能量中，可见光波段(0.4 0.75um)约占43%，红外波段(〉0. 75 u m) 约占48.3%，紫外波段(〈0.4urn)约占8.7%，而能量分布最大值所对应 的波长是0. 475 um。
H20是三原子分子ABA (三角型)极性分子。在太阳光直接照射下是不 能将水分解成氢和氧的，因为它需要打开水分子的化学键。 一般分子间的 作用力——范德华引力，是每克分子几千卡，而化学键要比范德华引力大 一二个数量级。水在IO(TC下，从具有分子间作用力的液体，克服了分子 间的范德华引力，变成气体；而热解水需要2500K以上的高温热源，尽管 聚焦型太阳能集热器的聚光比己达到300 10000，太阳炉的温度可达到 1200°C，抛物面反射镜集热器可达400(TC的高温，但在这样的高温下，装 置材料、分离氢气和氧气用的膜材料都无法工作。所以太阳能热化学裂解 水制氢需要由吸热和放热几步循环反应组成，从而把水分解所需要的温度 降为几百摄氏度。太阳能光电化学过程制氢的研究工作，光电催化剂材料 是关键。经过30多年的研发，光电催化剂已由最初只能吸收紫外线的半 导体Ti02，发展到可吸收可见光的复合层状物等多种类型催化剂。 在光作用下进行反应的光化反应是由于反应物分子吸收光量子，使分 子处于电子激发态甚至电离、分解而导致的化学反应。光化反应所需的活 化能来自于吸收光辐射，而进行热反应所需的活化能，来自于反应物分子 在频繁碰撞、交换能量过程中所获得的。光化反应的速率其温度系数要比 热反应低得多，有的光化反应速率几乎与温度无关。由于光化反应的选择 性、反应速度快、能量利用率高等一系列优点，因此在利用太阳能分解水 制氢的研究中，给予了高度重视。在直射到地球的太阳光谱中，包含紫外、 可见和红外。水对于紫外线和可见光是透明的，而水分子对红外辐射有强
烈的选择性吸收作用，如水蒸气在0.94um、 1.14um、 1.38ym、 1.87u m、 2.7um和3.2um波长等都有吸收带，可是太阳辐射光谱在穿过大气 层时这些红外辐射恰好又被吸收掉了，见图1。因此地面上接收到的太阳 辐射光谱直接用来光解水制氢是困难的。
发明内容
本发明提供一种利用太阳能分解水制备氢气的方法，该发明与以往一 切利用太阳能分解水制氢方法的不同之点在于作一个光谱变换，即把直射 地面的太阳光谱变换成适合光催化分解水制氢的波长范围。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是光谱变换采用空腔辐射 器。由于绝对黑体在任何温度下都可把照射在其上任何频率的辐射能完全 吸收，而用空腔辐射器可以制造出非常理想的"绝对黑体"，因此用聚焦 太阳能可以把空腔辐射器加热到各种温度。由于O-H的特征频率为3730 3500cm"，其相应的波长为2.681 2.857um。从维恩位移定律计算可知 峰值波长2.681 2.857um的绝对温度范围为1081 1014K (即808 741 °C)。所以只要利用聚焦太阳能把空腔辐射器加热到这个温度范围，就可 把原来直射地面的太阳光谱中能量分布最大值所对应的波长(0.475 u m) 转变成光谱亮度最大值所对应的波长(2.681 2.857um)，见图2。在这 个最大值范围两边，布满了水分子的吸收带，因此这一转换非常有利于水 对能量的直接吸收。由于催化剂能降低反应的活化能，加快化学反应的速 率，因此加入催化剂更有利于水的分解。全球水资源中，海水占97.3%， 淡水只占2.7%，因此可以利用太阳能分解海水。海水蒸发以后，残留的 盐等固体物可以综合利用。空腔辐射器可采用长的管道形式，以提高水的
分解效率。
通过本发明的光谱转换，可充分利用太阳能对水进行分解，从而可达 到工业化制氢的目的。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1是在平均地一日距离上，标准海平面太阳的光谱辐照度Ex与波 长入的函数关系图，阴影区域表示由所示大气成分引起的吸收；
图2是在绝对温度1081K和1014K时黑体光谱亮度L入与入的函数关系
图3是利用太阳能分解水制氢的工艺流程图； 图4是空腔辐射器的结构示意图。
在图3、图4中，l.海水蒸发器，2.蒸发器用聚焦太阳能装置，3.空腔 辐射器，4.辐射器用聚焦太阳能装置，5.混合气体容器，6.氢气罐，7.氧气 罐，8.水蒸气输入管道，9.光吸收体材料，IO.玻璃透镜，ll.密闭容器，12. 保温材料，13.空腔辐射器管道，14.混合气体输出管道，15.强辐射耐火砖。
具体实施例方式
实施例
在本实施例中，空腔辐射器3是用强辐射耐火砖15砌成截面形状为 方形或圆形的管道状封闭腔体，封闭腔体置于内壁贴敷保温材料12和光 吸收体材料9的密闭容器11之中；空腔辐射器3的一侧装有水蒸气输入 管道8，另一侧装有混合气体输出管道14，密闭容器11上表面装有玻璃 透镜IO。其工艺流程见图3，利用海水蒸发器l，由蒸发器用聚焦太阳能 装置2把海水加热到IO(TC或IO(TC以上，蒸发出来的水蒸气经水蒸气输 入管道8进入空腔辐射器3。空腔辐射器3的空腔辐射器管道13排列成蛇 形，空腔辐射器管道13内装有光解水催化剂。辐射器用聚焦太阳能装置4， 可采用槽型、塔型或碟型等装置。把空腔辐射器3加热到808 74rC。为 实现水蒸气通过空腔辐射器3完全分解成氢和氧以及保证产量，在蒸发水 蒸气的速率、空腔辐射器3的管道横截面大小和长度方面需注意适配。水 分解后获得的氢和氧，经混合气体输出管道13先进入混合气体容器5，再 通过膜材料分离成氢气和氧气，通过管道分别进入氢气罐6和氧气罐7。
权利要求
1.一种利用太阳能分解水制备氢气的方法，其特征是所述方法包括以下步骤(1)蒸发器用聚焦太阳能装置(2)把海水蒸发器(1)中的海水加热到100℃或100℃以上成水蒸气；(2)蒸发出来的水蒸气通过水蒸气输入管道(8)直接进入空腔辐射器(3)；(3)辐射器用聚焦太阳能装置(4)把空腔辐射器(3)加热到808～741℃，水分解后获得氢气和氧气的混合气体；(4)氢气和氧气混合气体经混合气体输出管道(14)进入混合气体容器(5)，通过膜材料分离成氢气和氧气，所述氢气和氧气经管道分别进入氢气罐(6)和氧气罐(7)。
2. 根据权利要求1所述的利用太阳能分解水制备氢气的方法，其特征 是空腔辐射器(3)是用强辐射耐火砖(15)砌成截面形状为方形或圆 形的管道状封闭腔体，封闭腔体置于内壁贴敷保温材料(12)和光吸收体 材料(9)的密闭容器(11)中；空腔辐射器(3)的一侧装有水蒸气输入 管道(8)，另一侧装有混合气体输出管道(14)，密闭容器(11)上表面 装有玻璃透镜(10)。
3. 根据权利要求1或2所述的利用太阳能分解水制备氢气的方法，其 特征是空腔辐射器(3)的管道(13)中装有光解水催化剂。-
4. 根据权利要求1或2所述的利用太阳能分解水制备氢气的方法，其 特征是辐射器用聚焦太阳能装置(4)采用槽型、塔型或碟型聚焦太阳 能装置。
全文摘要
本发明公开一种利用太阳能分解水制备氢气的方法，该方法采用一个空腔辐射器(3)，通过这个空腔辐射器(3)把原来直射地面的太阳光谱转变成光谱亮度最大值为水分子有强烈选择性吸收的红外区，以改善和提高太阳能分解水制氢的效率。并采用两步法首先由聚焦太阳能在≥100℃把海水蒸发成水蒸气，然后水蒸气通过光解水催化剂、温度为741～808℃的空腔辐射器(3)，由光催化反应制取氢。
文档编号C01B3/04GK101367505SQ20081007943
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月19日 优先权日2008年9月19日
发明者于荣金 申请人:燕山大学