[发明专利]一种氢气能源制备并提纯的工作系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型能源领域，特别涉及以太阳光为能源来催化分解水制备氢气和氧气，利用密度法提纯已制备的氢气和氧气。 

背景技术

能源是人类生存与经济发展的物质基础，然而随着世界经济持续、高速地发展，能源短缺、环境污染以及生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出。人类使用的化石燃料能源，生物质能，风能以及水能都归根结底来自于太阳能。而目前太阳能电站能从一定程度上缓解能源危机。但太阳能光伏发电的效率还很低，电力升压降压变换过程和远程传输都存在大量的能量损耗，势必使太阳能的利用率大打折扣，且储能元件的功率密度低和放电效率低等瓶颈问题大大限制了其发展。 

氢气在二十一世纪可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源，可以利用取之不尽用之不竭的太阳能光解水获得。太阳能光解水制氢的效率一旦获得突破，氢能将会在世界范围内迅速普及。一方面是由于太阳能制氢的制备环境适应性好。只要日光和水源比较充足的地区都可以实施这一项目。另一方面是由于氢能使用 起来非常方便。既可以使用传统的氢气内燃机燃烧做功，又可以使用燃料电池发电。这样不但可以避免太阳能发电时存在的转换输送损耗，还能避免太阳能电力对送电网络的依赖，使氢气可以像石油一样方便使用。再者，氢能几乎是真正的零排放能源。氢气氧化后产生无任何污染的水，氢能的利用不会污染环境。随着未来化石能源耗尽时代的临近，太阳能光解水制氢的研究越来越具有重要的战略意义。 

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种以太阳光为能源来催化分解水制备氢气和氧气，并利用密度法提纯已制备的氢气和氧气的工作系统及其控制方法。 

本发明的目的之一是提供一种氢气制备和提纯的方法，制备方法为在催化剂作用下以太阳光为能源分解水制备氢气和氧气，原理如下： 

2H₂O→2H₂↑+O₂↑（催化剂，光照） 

提纯方法为利用密度法静置分离来提纯已制备的氢气和氧气，操作简便易行。 

本发明还提供一种氢气制备并提纯的装置，该装置安全稳定且易控制。 

本发明中氢气制备并提纯的装置采用如下技术方案： 

该装置由三部分组成，分别为制备系统、中转系统和分离系统。 制备系统主要为一个透明玻璃光解槽，中转系统主要为一个透明玻璃集气瓶，分离系统主要为一个分离沉淀室。三个系统之间通过带有开关阀门的气体管道连通。 

本发明中氢气制备并提纯的装置还采用如下技术措施： 

上述装置中的制备系统，其特点是透明玻璃光解槽通过带有开关阀门的进水管道添加水量,并通过内壁上的两个水位传感器检测透明玻璃光解槽中的水位。当下端水位传感器检测到水位低于其所在的水平面时，下端水位传感器向控制器传送添加水量信号，进水管道开关阀门开启，透明玻璃光解槽进水；当上端水位传感器检测到水位高于其所在的水平面时，上端水位传感器向控制器传送停止添加水量信号，进水管道开关阀门关闭，透明玻璃光解槽停止进水。由此两个水位传感器保证水位始终处在在适当高度范围内。 

上述装置中的制备系统，其特点是透明玻璃光解槽底部放置塑料盘，用来盛放光解催化剂；透明玻璃光解槽下端设有密封良好的端盖，打开该端盖可以对光解催化剂进行更换或清洗。 

上述装置中的制备系统，其特点是透明玻璃光解槽的出气总管通过一个三通阀连接第一气体管道和弯管。三通阀的膜片翻转使得透明玻璃光解槽在不同时期处于不同状态。当膜片翻转使出气总管与弯管连通时，透明玻璃光解槽处于排空气状态；而膜片翻转使出气总管与第一气体管道连通时，透明玻璃光解槽处于氢气制备状态。弯管主要用于清洗或更换光解催化剂后排出透明玻璃光解槽中进入的空气。在排空气时三通阀关闭第一气体管道，透明玻璃光解槽不断进水，进 入的水量会迫使透明玻璃光解槽中的空气经过弯管排出。当水位没过弯管中的水位传感器时，透明玻璃光解槽中的空气已排尽，水位传感器向控制器传送信号，三通阀的膜片翻转使出气总管与第一气体管道连通，排空气状态终止，透明玻璃光解槽转换为氢气制备状态。 

上述装置中的中转系统，其特点是透明玻璃集气瓶顶盖设置为活塞，由控制器驱动直线电机向下运动；透明玻璃集气瓶外壁的顶部和底部分别安装一个限位光敏传感器，限制活塞的上下移动范围；活塞向上运动是依靠透明玻璃集气瓶内气体的压力驱动，而活塞向下运动是依靠直线电机的驱动。