[实用新型]一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置

说明书

本实用新型公开了一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置，该装置由水裂解产生质子的阴极电极装置、阴极电极液体储罐、氢气气体收集器、氢气气液分离器、氢气气体储罐组成。其中，集光镜收集光能经光源聚焦装置直接照射到阳极电极上产生电子，并在阳极电极上分解了阳极电极液体储罐内的水分子为氢质子和氧分子气体；氢质子在浓度差和酸碱度差作用下向迅速阴极电极液体储罐迁移，并在阴极电极装置上与从光电转换阳极电极装置上释放出的电子相结合，发生化学反应、产生和释放出纯净的氢气，经由气体输出导管将氢气输出。阴极电极液体储罐和阳极电极液体储罐保持相同的水位高度，阴极释放氢气或阴极的氧气后水位下降由纯水补液管、纯水补液泵经过水压控制器向电极液体储罐补充纯水，使氢气的产生不间断地进行。

技术领域

本实用新型涉及一种光催化阴极电极分解水制氢气的装置，属于能源转换和能量储存的技术领域。

背景技术

人类生存依存于太阳能，生物质燃料、煤炭石油均是间接来自太阳能。矿石燃料(煤炭、石油等)的开采会造成环境的污染，因而直接利用太阳能是目前的科技前沿。众所周知，由于有昼夜轮换、晴雨之分，太阳不能提供连续的能量。光电转换(光伏电池)、太阳能发电(热能发电)是一种能量转换的途径，但不能对能量进行储存。利用太阳能分解水产氢气是一个新型的能量储存技术，氢气易于储存随时可以取用，且燃烧氢气产热是极为清洁的燃料，因为它的燃烧产物是没有污染的水。因此，应对新技术的开发制造氢气一直以来都是这一领域的一大热门课题。

传统的分解水产氢的方法主要有光伏电池将光能转换为电能，再以电能电解水的产氢。这一方法设备复杂，使得成本增加且操作步骤繁，经过两次的能量转换过程其效率非常低；也有利用太阳光照射下以半导体材料的催化分解水制氢气的诸多文献报导，但这些方法只能分解出少量的氢气和氧气混合气体、实用价值不大，其混合气体的分离耗材或耗能使成本增高。能否寻找到低耗材、低能耗、低成本的氢气制造新方法非常重要。

事实上，含有金属氧化物或离子能将太阳光中含有的能量直接转为电子能量，在这样的金属氧化物电极上不仅能将水分子分解为氧分子和氢质子(H+)而且同时能产生出电子。当将这些电子用导线将其引到阴极电极上供给由阳极迁移过来的氢质子(H+)就能重新组合成氢气，这样分别在阴极上释放纯净的氢气，只需光的能量无需转化成电能的消耗。

从热力学上可知，当以上金属氧化物电极吸收了光能后就会提升自身的电极电位和供出电子、只有这个电极电能高于水分解的电位时就产生出氧分子和氢质子(H+)。在水溶液中氢质子(H+)足够高的浓度形成了浓度差，因而向浓度低的阴极迅速迁移。此时，将在阳极上产生的电子引致在阴极电极上就能与质子(H+)重新结合而释放出氢气达到动态平衡。这种很巧妙的设计，能将光能转化为电能同时分解水分子产生氢气、效能极高，无需通过太阳板先进行发电再分解水分子、降低了效率。

由于本实用新型的氢气和氧分子分别在阴极和阳极收集，中间间隔了质子离子选择性隔膜(4)所得的氢气纯净无杂质。如已有专利CN201210425162.0(公告号CN102874752A)的相关研究先进行光伏发电再电解的方案、CN201110137346专利采用大量的易碎的石英(玻璃)材料的光催化设备体积庞大、结构复杂，氢氧混合不纯。因为本实用新型分解水制氢气的阳极和阴极在水溶液中通过电极表面直接产氢其设备简单、精巧，结构牢固、可靠。与传统的电解法相比有实质上的不同，本实用新型无需电力供应、也无需先把光能转变为电能，由于无需光电转换过程，从理论上分析还是实际运行都表明这种方式能量转换最为高效，设备简单、成本低廉、操作简便，实现变光能量的置换直接产生纯净氢气。