[发明专利]太阳能-常压直流辉光等离子体光解水制氢方法和装置

说明书

技术领域

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

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：

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

PS+光子-→PS*

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

PS*+R→PS⁺+R^-

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

2R^-+2H⁺(在催化剂条件下)-→2R+H₂

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

PS⁺+D-→PS+D⁺；D⁺-→产物

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。

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。

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1月第一版第186页)。

发明内容

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。

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

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ф达到阈值ф₀，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ф的变化而有规律的连续产生，使用排水集气法和H₂/O₂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。