太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢方法和装置制造方法

太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢方法和装置。其方法是利用聚光器把太阳光密集化，使其光斑(13)中波长λ≤500mn光子密度达到阈值Φ0以上，然后让光斑(13)稳定地笼罩常压直流水蒸气辉光等离子体空间(23)，水就会光解为H2、和O2。其装置由太阳能聚光器、反应器、直流辉光等离子体电源、冷凝集气系统、供水系统和H2/O2分离设备等6部分组成，聚光器的光斑(13)略大于反应器内的等离子体空间(23)，各部分设备由相关管路、支架顺序连接牢固，在工作时，光斑(13)始终笼罩等离子体空间(23)，就得到氢气和氧气。用本方法和装置制氢，以水为原料，不产生污染，制氢成本低，所用场地极小。
【专利说明】太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用太阳能分解水制氢的方法和装置，尤其是利用太阳光直接照射水使之光解为氢气和氧气的方法和装置。
【背景技术】
[0002]当前，利用太阳光直接照射水使之光解为氢气和氧气的方法和装置正处于积极研究阶段。据翟秀静、刘奎仁、韩庆编著的《新能源技术》2010年2月北京第2版第96~99页介绍，利用太阳能直接光解水制氢主要分为光化学系统和半导体系统2种。光化学系统制氢是将颗粒很小的专用光敏化剂、催化剂、捕获剂和牺牲剂在水中充分混合后，置于太阳光的照射下，就能产生氢气和其它气体副产物的混合气体。其工作过程是:
[0003]①光敏化剂PS吸收可见光生成受激的、具有氧化还原特性的产物PS*，即
[0004]PS+ 光子-—PS*
[0005]②化合物R在受激的PS*作用下发生电子转移反应形成电荷对PS+和R_，R被还原，即
[0006]PS*+R — PS++IT
[0007]③第三部分化合物能收集电子，并且促进和水的电子交换。一些特别的氧化还原催化剂可以用来收集和转移电子，即
[0008]2Ι+2Η+ (在催化剂条件下)-—2R+H2
[0009]在这样的系统中，第二部分R在光敏化剂和催化剂之间传递电子，形成的正负电荷对PS+和R-很容易复合，可以用牺牲剂D来消除PS+的氧化性，从而得到和牺牲剂D的氧化产物D+。后者产物迅速不可逆地发生分解反应，整个过程中D被消耗，其它的部分PS、R和催化剂可以循环利用，即
[0010]PS++D- — PS+D+ ；D+-—产物
[0011]光化学系统制氢的不足之处是，在实际生产过程中由于要长时间接受太阳光的照射，PS、R和催化剂会发生破坏，因此要不断地消耗光敏化剂、催化剂、捕获剂和牺牲剂，并需要进行定期的清理，且由于电荷的复合影响，这就使得其制氢成本居高难下，并造成了一定的工业污染。
[0012]半导体光解水制氢系统是利用专用半导体电极或半导体光催化剂置于水中，在太阳光照射下，产生氢气和氧气的混合气体，经收集后进一步分离获取纯净的氢气(主产品)和氧气(副产品)。其主要原理是，在半导体或半导体催化剂的禁带宽度大于水中氢和氧的化学势之差的条件下，当它们受到能量相当或高于禁带宽度的光子辐照时，半导体内的电子受激发从价带跃迁到导带，从而在导带和价带分别产生自由电子及电子空穴。水在这种电子-空穴对的作用下发生电离生成氢气和氧气。
[0013]半导体光解水制氢系统存在的主要问题是，只能利用太阳中的紫外光谱(波长λ ^ 400nm)部分，阳光中能量最集中的谱段是400nm-500nm,而紫外光谱的能量只占太阳光能的3%左右，由于 其中专用半导体电极或半导体光催化剂的价格高，使得制氢成本高，且制氢效率很低，只有0.4% (见丁福臣、易玉峰编著的《制氢储氢技术》2006年I月第一版第186页)。

【发明内容】

[0014]本发明要解决的技术问题是提供一种直接利用太阳光中能量大于水分子分解能的光子(即波长λ≤500nm的光子)来光解水制氢的方法和装置，它以蒸馏水为原料，不使用任何化工原料和辅料。
[0015]一、为解决上述技术问题，本发明太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢方法
[0016]太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢方法，其技术特征是，以蒸馏水为原料，用太阳能聚光器将太阳光密集化，投射到反应器内常压水蒸气直流辉光等离子体空间中，当聚光器光斑中波长λ < 500nm的光子密度Φ达到阈值Φ且光斑稳定地笼罩住常压水蒸气直流辉光等离子体空间时，就会使水光解为氢气和氧气的混合气体，其中氢气和氧气的混合气体的产量会随着太阳光中波长λ < 500nm的光子密度Φ的变化而有规律的连续产生，使用排水集气法和H2/02分离技术加以收集分离后，得到纯净的主产品氢气和副产品氧气；发生辉光等离子体的装置为激光电源；常压水蒸气由反应器内壁板采取太阳光能，转化为热使反应器底部的蒸馏水沸腾来产生。通过调整辉光等离子体电源参数，使系统稳定工作在单位时间产气量最大或单位电能产气量最大的状态，这可根据制氢的不同目的或目标来定。
[0017]为保证光解水所需的波长λ ( 500nm的光子密度Φ达到阈值Φ。以上，聚光器应有足够的截光面积S，聚光比Φ需达到1000以上(视当地的纬度、季节、太阳光辐射强度等有所变化)，并满足在 大气透明度较好且很少污染(有些污染物是透明的，但会大量吸收高能量段的太阳光子)条件下，能有效光解水产气的时间每天能达到6小时以上。
[0018]其中，等离子体空 间是指辉光等离子体区域及其影响到的邻域的总和，该空间的总体特点是在发生并维持辉光等离子体的同时，能形成单个水分子、在密集太阳光光子的作用下，有产生水分子离解、分解而形成自由基H.和OH.，并进一步生成H2、02分子的过程发生。光斑是指在垂直于太阳能聚光器主光轴方向上，由于制氢需要和制作工艺的影响而太阳光实际反射形成的最小横截面，其中光子的密度最大，它对应于聚光器设计时的焦点，而在实际产品中位置略有偏差。阈值Φο对应于在制氢过程中，每分钟每瓦电能产气0.43毫升时波长λ≤500nm的光子的密度值，它相当于每瓦5%的电能转化为H2和O2中的化学能；也可对应于某地区某时段上大气质量的某一清洁度状态，下同。
[0019]本发明的有益效果是，以蒸馏水为原料，不需要其它任何化工原料和辅料，只要当地的大气质量好，太阳光中的波长λ < 500nm的光谱段不受太大影响,就可制取氢气,副产品是氧气和热能(由冷凝过程中的热交换产生)，装置简单轻便，利于集成模块化，安装运输方便，对场地要求极低，所需操作人员少到I~2人，因而使氢气的生产成本可以大幅下降，在生产过程中不产生环境污染。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]下面结合附图对本发明做进一步说明。[0021]图1是太阳能聚光器沿主光轴的垂直剖面图。采用碟形正抛物面反光面；其有效截光面积S的大小，以在工作时段(每天6小时以上)内，能满足设计的氢气和氧气混合气体产气量而定，这个产气量是一个随时间的产气速度曲线(毫升/分)的总和；焦距满足反光面最边缘的光线能全部进入反应器的要求。
[0022]图2、图3、图4是反应器正视图、正剖面图和侧视图。
[0023]图5是等离子体电源图。
[0024]图6是冷凝集气系统图。
[0025]图7是供水系统图。【具体实施方式】
[0026]参见图3，太阳能一常压直流辉光等离子体光解水制氢方法的【具体实施方式】是，根据当地的日照条件(太阳辐照度、地理纬度、海拔高度、大气质量、太阳连续照射时段等)制作选用合适的太阳能聚光器和反应器，使太阳能聚光器的光斑13略大于反应器内的辉光等离子体空间23，且在工作时段内光斑13中波长λ ( 500nm的光子密度Φ能达到阈值Φ0以上，将反应器固定在太阳能聚光器的焦点上，使之随太阳能聚光器一起跟踪太阳的运行，将原料蒸馏水装入反应器中，反应器的内壁板21会吸收太阳光并立即转化为热能，传导到反应器的底部使蒸馏水沸腾成水蒸气，经过一定时间的排除空气阶段，反应器内将基本充满水蒸气，这时接通激光电源，针形电极25和板型电极间的水蒸气将会被击穿而形成等离子体空间23，调整激光电源的电流，使等离子体稳定地工作在辉光等离子体阶段，同步调整太阳能聚光器与反应器的相对位置，使太阳能聚光器的光斑13笼罩住辉光等离子体空间23，并平稳地跟踪太阳的运行，这时在反应器的上部空间就会产生Η2、02和水蒸气的混合气体，反应器上部的主气管27和反应器中部的副气管28将混合气体导入集气罐，经排水集气法过滤掉其中的绝大部分水蒸气,H2和O2的混合气体将汇集在集气罐的上部，再经H2/O2分离设备分离后，得到纯净的主产品氢气和副产品氧气。通过调整辉光等离子体电源工作参数，使系统稳定工作在单位时间内产气量最大或单位电能产气量最大的状态。
[0027]实施例
[0028]I选定主要设备并正确连接组装
[0029](I)选用辉光等离子体电源:采用40W激光电源。
[0030](2)选用聚光比高的太阳能聚光器和附件:参见图1，选用的太阳能聚光器为正抛物面型，其最大边缘点上的反射光线对光斑13的入射角小于45°，截光面积为1.32m2，焦距为800mm,光斑最小横截面为直径30mm的圆,有效聚光比为1200。聚光器暂未装太阳自动跟踪器，在聚光器的合适位置设有固定反应器及其管路、电气线路的支架，确保聚光器跟踪太阳的工作过程中反应器内的辉光等离子体空间23始终准确位于光斑13中。
[0031](3)制作专用的光-气转换反应器(简称反应器，下同):参见图2反应器正视图、图3反应器正剖面图、图4反应器侧视图，整个反应器是一密闭容器，至少有一个面为石英玻璃材料的平面，即光窗20，供密集的太阳光进入。内壁板为导热性能好、在高温空气和高温水蒸气中不腐蚀的金属薄板；针极和板极为在强光、高温、水蒸气环境下不腐蚀变形的金属制成；两极间距适宜；用电极棒24和接线端子22与激光电源的两极52、53连接。反应器上设计有主气管27、副气管28、进水管29等气和蒸馏水的进出口，分别与冷凝集气系统、供水系统连接。
[0032](4)冷凝集气系统暂未定型，在实验中使用小桶装水中倒立一个容量为2000ml的塑料罐来收集实验中产生的气体，并在其上作水平线标记，以便获知产气量和产气速度。
[0033](5)供水系统暂未定型，使用一次性进水1500ml而连续使用。
[0034]2、主要实验数据
[0035]在实验场地(兰州市城区中心区)上空的大气污染较重，云层厚度和波动较大，未采用太阳自动跟踪装置(手动跟踪对产气有较大的影响)的条件下，目前实验得到的最好数据为:当工作电流Ib = IOmA.工作电压Vb = 13kV时，在真太阳时10:30分前后时段，6分钟内平均每分钟的产气量(混合气)为26ml (25°C、兰州市区气压)，其中2/3为氢气，1/3为氧气，这是因大气透明度波动无法维持以相同速度产气，所以只取产气量最好时段的数据作为代表，但足可以说明这种方法的可行性和潜力。 [0036]二、为解决上述技术问题，本发明太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢的装置
[0037]太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢装置主要由6部分组成，包括辉光等离子体电源、太阳能聚光器、反应器、冷凝集气系统、供水系统、h2/02气体分离设备。其技术特征如下:
[0038]辉光等离子体电源:为功率、输入输出参数符合要求的激光电源，略作改动使其上附有电流表和电压表等仪表，用以观察和调整和记录工作参数。
[0039]太阳能聚光器:太阳能聚光器为正抛物面型，其截光直径由设计产气量确定，其汇聚光线实际形成的光斑与反应器内的等离子体空间相匹配，聚光器最边缘处的反射光线对光斑最小截面的入射角不超过45°，且在大气透光度良好的条件下，光斑中波长λ ( 500nm光子密度Φ能达到阈值Φ。以上的工作时段为6个小时以上，其上装有太阳自动跟踪器；在聚光器上的合适位置还设有固定反应器及其管路、电气线路的支架，聚光器自身的托架、转动机构能保证在跟踪太阳的过程中，聚光器和反应器等设备仪表运行平稳而不晃动。
[0040]反应器是一个密闭的容器，至少有一侧平面为太阳光透射率最好的石英玻璃材料制成的光窗，以保证尽可能多的透过聚光器所投射来的太阳光。反应器上设有2个接线座、2个气管和I个进水管。发生等离子体的电极安装在反应器内，并由绝缘良好的引线通过反应器上的接线座引出反应器，成为电极外部接线端子。除光窗外反应器内壁均有一层可拆卸的金属板-内壁板，以便吸收太阳光转化为热并保护反应器周围的设备元件等不被光热损坏，内壁板的导热、导电性能良好，且在高温(800°C以下)、强光、水浸、水蒸气、氢气、氧气条件下不会氧化腐蚀。
[0041]冷凝集气系统由以排水集气法为主的上部气室罐体(集气罐)和下部盛装水的水室罐体(水室)组装而成。用以过滤掉由反应器主、副气管来的混合气体中的水蒸气,并收集H2、O2气体和将热量及时导出，使其整体稳定工作在25°C以下。
[0042]供水系统由一箱体及相关管路组成，用以向反应器内及时补充蒸馏水，使保持工作水位稳定。
[0043]H2/02气体分离设备，将由集气罐来的H2和O2混合气体分离为纯H2 (主产品)和O2 (副产品)后储存备用。可采用PSA法等现有设备。[0044]上述各部分中，太阳能聚光器与反应器是光连接，要求在制氢状态下聚光器的光斑准确、连续、稳定地笼罩住反应器内的等离子体空间，发生等离子体的电极与激光电源通过线路、接线端子连通，反应器的2个气管与冷凝集气系统用管路连接并密封，反应器下部的进水管与供水系统用管路连接，集气罐上部的产气管与H2/02气体分离设备连接，集气罐下部的进水管和出水管分别与用于冷凝的水路连通。
[0045]其工作过程是，在完成上述的连接和准确定位与转动平稳的前提下，调整太阳能聚光器的方位，使进入反应器的光线直接投射在反应器的内壁护板上，光能(包括红外区、可见光和紫外区)被导热性能极好的内壁板吸收转化为热，并快速传导到反应器底部，使该处的水加热升温直至沸腾，内壁板吸收光转化为热能并快速传导这种状态将在整个工作过程中一直存在。当反应器内的水沸腾形成大量水蒸气时，接通电源，在电极间将产生以水蒸气为本底气体的直流辉光等离子体，此时在等离子体空间中的水蒸汽中将会产生大量的单个水分子。调整太阳能聚光器使光斑笼罩住辉光等离子体空间，就会产生H2和O2气体(空间析氢和空间折氧)，连同两极上因电极化学反应而形成的H2和O2，在反应器上部聚集形成了 H2、O2的混合气体，这些混合气体与大量的水蒸气一起从反应器的主、副气管喷出。利用冷凝集气系统过滤掉混合气体中的绝大部分水蒸气，将以H2、O2为主的混合气体收集到集气罐中，再利用&/02气体分离设备将其分离为纯氢气(主产品)和纯氧气(副产品)。同时发生的过程有，水室中的盘旋水管进行水——水热交换，回收混合气体中的热能，以保持H2、O2混合气体的温度稳定在25°C左右。
[0046]调整激光电源参数，使制氢(制氧)的产量达到单位时间产气量最大或单位电功率条件下产气量的最大值。
[0047]本发明的有益效果是，以蒸馏水为原料，不需要其它任何化工原料和辅料，只要当地的大气质量好，太阳光中的波长λ < 500nm的光谱段不受太大影响,就可制取氢气,副产品是氧气和热能(由冷凝过程中的热交换产生)，装置简单轻便，利于模块化，安装运输方便，对场地要求极低，所需操作人员少到I~2人，因而可以使氢气的生产成本大幅下降，在生产过程中不产生环境污染。
[0048]【具体实施方式】
[0049]1、本发明常压直流辉光等离子体-太阳能光解水制氢装置主要由6部分设备组成，其各自的结构、功能及其连接关系如下:
[0050]①太阳能聚光器:参见图1，太阳能聚光器，采用正抛物面型，其最大边缘点上的反射光线对光斑最小横截面的入射角小于45° ,通过制作工艺使光斑13所在的空间略大于反应器内的辉光等离子体空间23，其上装有太阳自动跟踪器；在聚光器上的合适位置还设有固定反应器及其管路、电气线路的支架，聚光器自身的托架、转动机构能保证在跟踪太阳的过程中聚光器和反应器等设备仪表运行平稳而不晃动。光斑中波长λ≤500nm光子密度Φ能达到阈值Φο以上的工作时段每天为6个小时以上，在工作时段内，能使在聚光器上的合适位置设有固定反应器及其管路、电气线路的支架，以确保反应器内的辉光等离子体空间23准确位于光斑13中，并且太阳能聚光器有自己的托架、支架、底座和转动机构，能保证在跟踪太阳的过程中运行平稳而不晃动。太阳能聚光器是制氢的主能源设备。
[0051]②反应器:参见图2反应器正视图、图3反应器正剖面图、图4反应器侧视图，整个反应器是用石英玻璃制成的密闭容器， 其一个侧面为平面由透射太阳光率最好的石英玻璃平板制成，作为反应器前侧的光窗20 ;反应器上部有主气管27，反应器中部的后侧有副气管28，主、副气管都与冷凝集气系统的进气管60连接牢固；反应器内部有内壁板21布满除光窗一侧的所有内壁，在反应器内部空间中上部布置有发生等离子体的针型电极25和板型电极26，其通电时形成等离子体空间23，太阳能聚光器的最小焦斑13笼罩住等离子体空间23，板型电极26的导线由绝缘良好的电极棒24引出反应器与外电路连接，针型电极25通过内壁板21由导线引至接线端子22与外电路连接，反应器的下部有进水管29输入蒸馏水，并在底部保持一定高度的水量，供产生水蒸气，运行中反应器略承微压(当地气压P+100mm水柱)。反应器的功能是产生辉光等离子体空间并在波长λ < 500nm光子密度Φ达到阈值以上时生成氢气和氧气。通过支架系统，反应器的光窗垂直于聚光器主光轴12，且使其内部的等离子体空间23被聚光器的光斑13所笼罩。
[0052]③辉光等离子体电源:参见图5，等离子体电源采用激光电源，通过调节输出电流来调节输出功率，输出 电压为自适应性，采用光伏电池组或低压线路供电，视所在地的方便而定，输出为直流电，接线端子50、接线端子51为输入端，接线端子52、接线端子53为输出端。其上增加的配置有工作过程中调节和监视用的电流表(毫安级)54、电压表(干伏级)55。激光电源的2个输出端子通过绝缘等级高的线路与反应器的两个接线端子连接。其中高压线路连接反应器上的接线端子24，低压线路(O线)连接反应器上的接线端子22。等离子体电源的作用是，为反应器内的辉光等离子体空间23提供其发生并维持稳定工作所需的高压电流。辉光等离子体电源位于太阳能聚光器后侧。
[0053]④冷凝集气系统:参见图6,集气罐61为密闭的容器,下部浸于水室63的冷却自来水中,进气管60中的气体经过水的过滤后进入集气罐61中，检气管64用来检测和排空工作开始阶段系统内的空气，当发现空气排尽产氢气正常时通过三通阀门69关闭检气管，使气体经管路进入集气罐61内。水室63中的水经冷凝管67进行冷却，管接口 65和管接口 66分别为冷凝管的冷水进口和热水出口，与外部的循环水接通，溢水管68及时排出水室中的水以保持工作水位稳定。由反应器的主气管27和副气管28来的气体经进气管60和水的过滤进入集气罐61。冷凝集气系统的作用是，用低温的水过滤掉反应器产生的混合气体中的绝大部分水蒸气，对较为纯净的H2和O2混合气体进行收集，同时对混合气体中的大量热能通过水——水热交换进行收集利用。冷凝集气系统位于太阳能聚光器后侧的专用支架上，由悬挂机构或(和)软管连接以便适应太阳能聚光器跟踪太阳的旋转运动，高度位置以闻于反应器的最闻点为准。
[0054]⑤供水系统:参见图7，在供水箱上装有给水管70通过管路与反应器上的进水管29连接牢固，补水管71与外部蒸馏水源连接，副水管72通过管路与冷凝集气系统上的溢水管68连接牢固。供水系统的作用是为反应器的工作水位稳定提供保证。供水系统也位于太阳能聚光器后侧的专用支架上，由悬挂机构或(和)软管连接以便适应太阳能聚光器跟踪太阳的旋转运动，高度位置以能保证反应器的工作水位稳定为准。
[0055]?H2/02气体分离设备，从集气罐61上的导气管62引入H2和O2混合气体,将其分离为纯H2 (主产品)和O2 (副产品)后储存备用。可采用PSA法等已经成熟的现有设备。
[0056]2、制氢装置系统的工作过程是，当上述设备按要求正确而牢固地连接好后，在真太阳时为9:00(根据季节不同有所变化)左右时，通过转动机构使聚光器汇聚的太阳密集光线准确地进入反应器，其光斑13位于等离子体针型电极25、板型电极26的下部，让光线投射在内壁板21上，内壁板21吸收高密度的太阳光能迅速升温，并快速传导热量到反应器底部的水中，使水升温沸腾，形成水蒸气，此时从冷凝集气系统的检气管64中排出原存于反应器和管路中的空气；在反应器内的水达到充分沸腾的条件下，接通辉光等离子体电源上的激光电源开关，就会在两极间产生辉光等离子体空间23。调节电流旋钮，使其工作在正常辉光放电区的较低电流状态(略高于放电参数敏感区的最大值)，再进一步调整太阳能聚光器平稳地跟踪太阳，使光斑13 —直笼罩辉光等离子体空间23，观察产气量，并在正常辉光放电区内调节电流，使产气量达到单位时间产气量最大或单位电能产气量最大的状态。当通过检气管64测知空气基本排尽，产生较多的氢气时，旋转三通69，接通气管60，使气体进入集气罐61内。当集气罐内的气体占集气罐集气空间高度的2/3时，通过导气管62将气体引入分离装置进行分离，使其成为纯度符合相关要求的氢气和氧气。在工作过程中，要密切注意天气的变化，当太阳光因云、沙尘等引起的太阳光质量下降导致产气量减小而使反应器内形成负压时，要及时采取措施，避免使冷凝集气系统和供水系统中的水被大量吸入反应器，同时要注意防止静电、火源远离氢气和氧气及其混合气体的存放点，以确保制氢过程中的安全。
[0057]实施例
[0058]1、采用的主要设备及其参数
[0059](I)太阳能聚光器:参见图1，太阳能聚光器，采用正抛物面型，壳体为玻璃钢，反光材料为镀铝薄膜，其最大边缘点上的反射光线对光斑最小截面的入射角小于45°，截光面积为1.32m2，焦距为800mm，光斑为直径30mm的圆，有效聚光比为1200左右，聚光器暂未装太阳自动跟踪器。
[0060](2)辉光等离子体电源:采用40W激光电源，并略作改装，增加电流表和电压表。
[0061](3)反应器:参见图2反应器正视图、图3反应器正剖面图、图4反应器侧视图，整个反应器是用石英玻璃焊接制成的密闭容器。内壁护板为导热性能好、在高温空气和高温水蒸气中不腐蚀的金属薄板；针极为纯镍丝，板极为纯银板；两极间距适宜；电极棒24为绝缘强度足够厚石英玻璃管，内以纯银丝为导线，用顶部护板上的小圈与底板上的引出孔来定位,针型电极25通过内壁板21由导线引至接线端子22与外电路连接，电极棒接激光电源的正极，针极接负极。反应器的主气管、副气管、进水管以满足强度足够、便于连接强度为准。
[0062](4)冷凝集气系统:暂未定型，使用小桶装水中倒立一个容量为2000ml的塑料罐，并在其上作水平线标记，以便获知产气量和产气速度。
[0063](5)供水系统:暂未定型，使用一次性进水1500ml而连续使用。
[0064](6)H2/02气体分离设备:暂未购置使用。
[0065]2、主要实验数据
[0066]在实验场地(兰州市城区中心区)上空的大气污染较重，云层厚度波动较大，未采用太阳自动跟踪装置(手动跟踪对产气有较大的影响)的条件下，目前实验中得到的最好数据为:当工作电流Ib = IOmA.工作电压Vb = 13kV，在真太阳时10:30分前后时段，6分钟内平均每分钟的产气量(混合气)为26ml，其中2/3为氢气，1/3为氧气(因大气透明度波动无法维持以相同速度产气，所以只取产气量最好时段的数据作为代表，但足可以证明这种方法的可行性和潜力。
【权利要求】
1.一种太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢的方法，其特征在于:以蒸馏水为原料，用太阳能聚光器将太阳光密集化，投射到反应器内常压水蒸气直流辉光等离子体空间(23)中，当聚光器光斑(13)中波长λ < 500nm的光子密度Φ达到阈值Φ。,且光斑(13)稳定地笼罩住常压水蒸气直流辉光等离子体空间(23)时，就会使水光解为氢气和氧气的混合气体，其中氢气和氧气的混合气体的产量会随着太阳光中波长λ < 500nm的光子密度的变化而有规律的连续产生，使用排水集气法和H2/02分离技术加以收集分离后，得到纯净的主产品氢气和副产品氧气；发生辉光等离子体的装置采用激光电源；常压水蒸气由反应器内壁板采取太阳光能，转化为热能使反应器中的蒸馏水沸腾来产生。
2.一种太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢的装置，它由6部分设备组成，其各自的结构、参数、相互连接关系与工作状态等的特征如下: 辉光等离子体电源:采用激光电源，在其上增加电流表(54)和电压表(55)等仪表，以便工作过程中调节、监视和记录辉光等离子体的工作参数，以光伏电池组或电力线路供电提供的电力为输入电源，根据设计的产气量选用不同输出功率等级的激光电源； 太阳能聚光器:太阳能聚光器为正抛物面型，其截光直径(11)由设计产气量确定，其汇聚光线实际形成的光斑(13)与反应器内的等离子体空间(23)相匹配，聚光器最边缘处的反射光线对光斑(13)最小横截面的入射角最大不超过45°，且在大气透光度良好的条件下，光斑(13)中波长λ ( 500nm光子密度Φ能达到阈值Otl以上的工作时段为每天6个小时以上，其上装有太阳自动跟踪器和固定反应器、电气线路的支架等； 反应器:由耐高温耐强光在水蒸气中不腐蚀的材料制成的密闭容器，其一个侧面为平面，由透射太阳光率最好的石英玻璃平板制成，作为反应器前侧的光窗(20)，反应器上部有主气管(27)，内部有内壁板(21)布满除光窗一侧的反应器所有内壁，在反应器内部空间的中上部布置有发生辉光等离子体的针型电极(25)和板型电极(26)，分别由针极导线引至接线端子(22)和电极棒(24)与外电路连接，内壁板、电极和导线均选用高温、强光、空气和水蒸气条件下不氧化腐蚀变形的材料，反应器下部后侧有副气管(28)，反应器的下部前侧有进水管(29)以便装入蒸馏水，通过太阳能聚光器的支架系统使反应器的光窗垂直于聚光器主光轴(12)，且使聚光器的光斑(13)笼罩住反应器内的等离子体空间(23)； 冷凝集气系统:由上部的集气罐(61)和下部的水室(63)组合而成，上部的集气罐(61)为密闭的容器，下部浸于水室(63)的蒸馏水中，在集气罐(61)的上部装有产气管(62)，在水室(63)上装有进气管(60)、检气管(64)和三通阀门(69)，由悬挂机构和软管连接以适应聚光器跟踪太阳的运动，高度位置以高于反应器的最高点为最佳；其中进气管(60)有2个接管口，分别与反应器上的主气管(27)和副气管(28)连接牢固且密封，检气管(64)和三通阀门(69)位于进气管(60)之后，供检测进入的气体是否为氢气和氧气，如不是。则通过三通阀门排入大气； 供水系统:在供水箱上装有给水管(70)通过管路与反应器上的进水管(29)连接牢固，补水管(71)与外部蒸馏水源连接，副水管(72)通过管路与冷凝集气系统上的溢水管(68)连接牢固，由悬挂机构和软管连接适应聚光器跟踪太阳的旋转运动，高度位置以能保证反应器的工作水位稳定为准； H2/02分离设备:变压吸附法(PSA法)技术已经成熟且回收率较高，选用其中与本制氢装置设计产气量相匹配的规格型号。
【文档编号】C01B3/04GK103601148SQ201310549063
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】苏长华 申请人:苏长华