[发明专利]耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置

说明书

本发明公开了一种耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，阴极室外壳、质子交换膜上夹框、质子交换膜、质子交换膜下夹框及阳极室外壳自上到下依次分布，氮气鼓泡器件的一侧及光电阴极的一侧均位于阴极室外壳内，氮气鼓泡器件的另一侧及光电阴极的另一侧均位于阴极室外壳外，阳极插入于阳极室外壳内；氮气鼓泡器件上位于阴极室外壳内的部分上开设有若干通孔，氮气鼓泡器件外接有氮气瓶，该装置能够在光电催化氮气还原合成氨过程中加速氮气在电解液中的质量传递，以高效耦合槽式均匀聚光器。

技术领域

本发明属于光电催化氮气还原合成氨反应器领域，涉及一种耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置。

背景技术

氨是世界上产量最大的化工产品之一，在全球经济中占有重要地位。目前，全球氨产量约为1.5亿吨/年，主要来源于传统的Haber-Bosch法合成氨工艺：即在高温、高压条件下利用铁基催化剂将高纯度的氮气和氢气转化为氨气。然而，哈伯法合成氨工艺能耗高，整个过程的能耗约占世界全年能耗总量的1％；同时，哈伯法所使用的高纯氢气主要来源于化石燃料的天然气重整，每年的CO₂排放量高达4.5亿吨。光电催化氮气还原合成氨技术利用可再生能源为驱动力，通过水供质子，在光电阴极上实现氮气还原合成氨过程，是一种绿色环保、低能耗的合成氨方法，因此开发成套的光电催化氮气还原合成氨装置对国民经济的可持续性发展具有重要意义。

槽式均匀聚光器可以聚集太阳能从而提供均匀的高强度辐照，而目前常用的光电催化氮气还原合成氨反应装置均为H型电解池，其中光电阴极无法充分利用槽式均匀聚光器所提供的辐照，导致了H型电解池在耦合槽式均匀聚光器时效率较低。因此目前缺少能与槽式均匀聚光器高效耦合的光电催化氮气还原合成氨反应装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，该装置能够在光电催化氮气还原合成氨过程中加速氮气在电解液中的质量传递，以高效耦合槽式均匀聚光器。

为达到上述目的，本发明所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置包括光电催化氮气还原合成氨反应器及两个槽式均匀聚光器，其中，两个槽式均匀聚光器均与光电催化氮气还原合成氨反应器相连接；

光电催化氮气还原合成氨反应器包括阴极室外壳、光电阴极、参比电极、氮气鼓泡器件、质子交换膜上夹框、质子交换膜、质子交换膜下夹框、阳极室外壳及阳极；

阴极室外壳、质子交换膜上夹框、质子交换膜、质子交换膜下夹框及阳极室外壳自上到下依次分布，氮气鼓泡器件的一侧及光电阴极的一侧均位于阴极室外壳内，氮气鼓泡器件的另一侧及光电阴极的另一侧均位于阴极室外壳外，阳极插入于阳极室外壳内；

氮气鼓泡器件上位于阴极室外壳内的部分上开设有若干通孔，氮气鼓泡器件外接有氮气瓶。

阳极室外壳上设有出气口及进液口，阴极室外壳的顶部设置有开口。

光电催化氮气还原合成氨反应器位于两个槽式均匀聚光器之间。

在阴极室外壳中，氮气鼓泡器件位于光电阴极的正下方。

还包括参比电极，参比电极插入于阴极室外壳内。

阴极室外壳的上表面为透明结构。

各通孔均匀分布。

阴极室外壳与阳极室外壳通过螺栓及螺母紧固，质子交换膜上夹框、质子交换膜及质子交换膜下夹框夹持于阴极室外壳与阳极室外壳之间。

质子交换膜上夹框上设置有与阴极室外壳上第一环形凸起相匹配的第一凹槽，质子交换膜下夹框的下表面设置有与阳极室外壳上第二环形凸起相匹配的第二凹槽。