一种激光制氢方法与流程

1.本发明涉及制氢技术领域，特别是涉及一种激光制氢方法。


背景技术：

2.氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的非化石能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。
3.为了高效环保的实现氢气的工业化生产，现有技术提出了多种制氢方案；例如让激光烧蚀靶材表面产生大量电子和金属颗粒，让自由电子和金属颗粒与水反应产生氢气；或者将金属粉末制成了金属靶材，然后放入水中，再使用激光对靶材进行剥离，使得靶材与水反应产生氢气等；又或者采用电解水的方式制氢等；上述制氢方法存在以下缺点：1、需消耗金属靶材，不利于降低生产成本；2、金属靶材与水反应过后的产物污染环境；3、电解水制氢对水质要求较高，需要将作为原料的水净化以后再用来制氢，需增加水质净化成本。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种激光制氢方法，能够在无需靶材的情况下制取氢气，且对水质要求较低。
5.本发明的激光制氢方法，包括如下步骤：s100、用峰值功率大于或等于100mw的激光照射水，使得水发生化学反应产生氢气；s200、将产生的氢气收集。
6.根据本发明的一些实施例，在步骤s100当中，照射水的激光选用脉冲激光。
7.根据本发明的一些实施例，在步骤s100当中，采用脉宽小于或等于600fs的脉冲激光照射水，使得水发生化学反应产生氢气。
8.根据本发明的一些实施例，在步骤s100当中，照射水的脉冲激光的单脉冲能量大于或等于20uj，照射水的脉冲激光的波长小于或等于1940nm。
9.根据本发明的一些实施例，在步骤s100当中，照射水的激光的峰值功率小于或等于3gw。
10.根据本发明的一些实施例，在步骤s100当中，控制激光器发射激光，使得激光通过光束整形器的整形后照射水。
11.根据本发明的一些实施例，在步骤s100当中，控制激光器发射激光，使得激光通过扫描模组的扫描后照射水。
12.根据本发明的一些实施例，在步骤s100当中，控制激光器发射激光，使得激光依次通过扫描模组的扫描和聚焦镜的聚焦后照射水。
13.根据本发明的一些实施例，在步骤s100当中，控制激光器发射激光，使得激光依次通过第一反射镜和第二反射镜的反射后进入扫描模组。
14.根据本发明的一些实施例，第二反射镜和光束整形器之间设置有扩束镜，激光通过扩束镜的扩束后进入光束整形器。
15.应用上述激光制氢方法，在氢气制取的过程当中，将用峰值功率大于或等于100mw的激光照射水，水在激光作用下通过光化学反应分解产生氢气，整个制氢过程当中激光直接作用于水，无需金属靶材参与，因此也不会产生由于金属靶材和水反应产生的副产物，有利于环保，且整个制氢过程对水质要求较低，可直接用激光照射海水制取氢气，制氢成本大大降低。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1为本发明实施例中制氢装置的部分示意图；
19.图2是本发明实施例中产氢系数的拟合图；
20.上述附图包含以下附图标记。
21.标号名称标号名称110激光器190窗口镜120第一反射镜210第一流量计130第二反射镜220温度计140扩束镜230光帘模组150光束整形器240第二流量计160扫描模组250排气部170聚焦镜260气压阀180第三反射镜
ꢀꢀ
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
24.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
25.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
26.本实施例的激光制氢方法，包括如下步骤：s100、用峰值功率大于或等于100mw的激光照射水，使得水发生化学反应产生氢气；s200、将产生的氢气收集。
27.应用上述激光制氢方法，在氢气制取的过程当中，将用峰值功率大于或等于100mw的激光照射水，水在激光作用下通过光化学反应分解产生氢气，整个制氢过程当中激光直接作用于水，无需金属靶材参与，因此也不会产生由于金属靶材和水反应产生的副产物，有利于环保，且整个制氢过程对水质要求较低，可直接用激光照射海水制取氢气，制氢成本大大降低。
28.进一步地，采用本实施例的激光制氢方法，由于工艺简单，可以根据实际需要开发出适应不同环境的配套制氢设备，满足使用需求；例如在海上设置一个制氢装置，利用风能或者潮汐能为制氢装置供电，在生产氢气的同时还能够充分利用风力发电和潮汐发电产生的垃圾电。
29.具体地，为了使得激光的峰值功率满足制氢要求的同时，降低激光器110的平均功率，减少能耗，可以采用脉冲激光照射水；相比于采用连续激光照射水而言，采用脉冲激光，在达到相同的峰值功率的同时，平均功率能够显著降低。
30.进一步地，为了达到上述峰值功率的同时，能够最大限度降低激光器110的平均功率密度，降低对于激光器110的要求，适宜采用脉宽小于或等于600fs的脉冲激光照射水，使得水发生化学反应产生氢气；也即采用飞秒激光照射水，使得水分解产生氢气；在实际的实验验证过程当中，申请人皮秒、纳秒及以上脉宽的激光做了试验，并没有明显发现有氢气产生，从目前的试验过程和结果来看，飞秒激光能明显产生氢气，可以说飞秒激光是直接海水制氢的较为理想的光源。
31.更进一步地，照射水的脉冲激光的单脉冲能量大于或等于20uj，照射水的脉冲激光的波长小于或等于1940nm；波长大于1940nm的激光，其光子能量很小，用于促使水分解的作用不明显。
32.值得注意的是，在本实施例的制氢方法当中，经过激光照射的水，有一部分在光解作用下分解产生氢气，有一部分在激光照射水的瞬态局部高温的作用下分解产生氢气，由于作用于水的飞秒激光的峰值功率很高，但平均功率较小，因此在实际的制氢过程当中水温并不会很高，因而在制氢过程当中由于光解产生的氢气占了大多数，由于高温分解产生的氢气仅占少数；因此采用飞秒激光制氢还能够在水温较低的情况下制取氢气，有效减少了水升温所吸收的能量，提高了制氢的能效。
33.在整个制氢的过程当中，水分解产生氢气的反应式主要有以下两个：
34.2h2o
→
h2↑
+h2o235.2h2o
→
2h2↑
+o2↑
36.可以看出，在本实施例的制氢过程当中，副产物主要有氧气和过氧化氢两种，根据实验结果，当脉冲激光的峰值功率在100mw至3gw之间时，没有明显观测到氧气的产生，副产物主要都是过氧化氢；因此，将脉冲激光的峰值功率控制在100mw至3gw，能够有效减少氧气的产生，提高气体产物当中氢气的纯度，便于收集氢气，同时还能够收集过氧化氢的水溶液也即双氧水作其他用途。
37.为了验证采用本实施例的方案制氢的效果，申请人进行了制氢实验；具体的实验方法是将激光通过传输光路直接导入装有海水的密闭试验容器中，经过激光照射后，收集
产生的气体；在此，采用安捷伦7890a气相色谱仪测量产生的氢气，制氢原料选用青岛海水；采用普通空气进行对照。
38.在进行实验之前，首先要测量对照组空气中的氢气含量，使用气相色谱仪测定标准样品空气当中的氢气量，得出氢气量和氢气信号强度之间的关系，下表是对照标准样品的氢气测试数据表：
39.氢气量ml氢气信号强度1548210443156362818114604
40.如图2所示，为氢气量和氢气信号强度的拟合图，其拟合直线的斜率即为产氢系数，计算得到的产氢系数为k＝437/ml；在后续实验中，通过气相色谱仪得出的氢气信号强度即可得出氢气的量。
41.实验一采用以下参数的飞秒激光照射青岛海水：平均功率15.3w，中心波长1030nm，重复频率500khz，脉宽530fs；其实验测得制氢数据如下表：
42.测试次数氢气信号强度159922554035617平均值5716.3
43.通过计算得到，三次测试的产氢量平均为13.1ml。
44.实验二采用以下参数的飞秒激光照射青岛海水：飞秒激光器110：平均功率1.5w，中心波长1030nm，重复频率1khz，脉宽860fs；其实验测得制氢数据如下表：
45.测试次数氢气信号强度144624213446平均值437.6
46.通过计算得到，三次测试的产氢量平均为1ml。
47.实验三采用与实验一相同参数的激光，照射武汉湖水，其实验测得制氢数据如下表：
48.测试次数氢气信号强度155972549835812平均值5635.6
49.通过计算得到，三次测试的产氢量平均为12.9ml。
50.通过实验可以看出，本实施例的制氢方法对于各种水质都能够产生较好的制氢效果。
51.图1所示的为制氢装置的部分示意图，主要展示了激光器110发出的激光经过处理后通过窗口镜190射入光帘模组230，作用于反应容器当中的水，产生氢气。
52.其中激光器110发射出的激光，通过第一反射镜120和第二反射镜130的反射实现光路折叠，进入扩束镜140，扩束镜140起到了将光束进行扩束的作用，之后光线通过光束整形器150的整形与相位调制后进入扫描模组160；扫描模组160内置有高速振镜或高速转镜；通过机械扫描扩大光束的作用范围；之后光线进入聚焦镜170，聚焦镜170起到了聚焦光束，提高光束的峰值功率，提高制氢效率的效果；聚焦后的光束通过第三反射镜180的反射后透过窗口镜190进入光帘模组230，光帘模组230内具有多个光路通道，激光在多个光路通道当中形成帘状分布的激光作用区域与水作用，多个光路通道能够提高激光与水的作用面积，提高反应效率。
53.其中，反应容器的进水口处设置有第一流量计210，出水口处设置有第二流量计240，分别用于统计进入反应容器和流出反应容器的液体的流量，反应部顶部设置有排气部250，用于收集反应产生的氢气，同时反应容器顶部还设置有气压阀260，实时检测反应容器当中的气压，反应容器上还设置有温度计220，用于检测反应容器当中的水温，防止水温过高造成危险。
54.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。