CN108411325A - 一种太阳能电解水制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电解水制氢系统，包括太阳能系统、水电解制氢系统、电解用水供给系统、气/液分离干燥提纯系统、碱液循环系统和储氢罐；太阳能系统的电能第一输出端连接水电解制氢系统，水电解制氢系统由电解用水供给系统供水；水电解制氢系统依次与气/液分离干燥提纯系统和储氢罐连接；水电解制氢系统包括控制器、多路开关和电解槽，电解槽包括N+1个依次串联的电解小室，控制器根据太阳能系统电源的输出功率控制电解槽中相应个数的电解小室接入电解回路。本发明的优点为：在不过多增加生产成本的情况下，有效实现水电解制氢系统对太阳能系统波动输入的适应性，提高太阳能利用效率，有效缓解太阳能无法高效利用的问题。
Description
技术领域
本发明属于可替换能源技术与水电解制氢领域，涉及一种太阳能电解水制氢系统。
背景技术
氢气作为储能载体拥有质量轻，能量密度高，使用时对环境无任何排放等优点，受到广大科研工作者及环境工作者的青睐。然而，氢气并非存在于自然界，需要利用外部能量进行制备。目前制氢的技术主要是矿物燃料制氢和水电解制氢两大类。也有其他制氢方法比如热化学循环制氢和生物质制氢。矿物燃料制氢是目前最大也是最经济的氢气来源，随着社会的发展和环境问题受到越来越多的关注，矿物燃料制氢由于其使用石油燃料作为原料，在制备氢气过程中不可避免的对环境有一定的负面影响，所制备的氢气后期需要繁琐的过滤和分离工序导致氢气纯度不一定能满足后期用氢设备的要求。另外，矿物燃料制氢通常用于大型生产基地，在目前高效经济的微电网架构中无法完全发挥其作用。
水电解制氢通过电解水而获得高纯度的氢气，其设备结构成熟，相对简单。其纯化后的氢气纯度可高达99.9999％，高出其他制氢方式一个数量级且其制备的氢气不含碳元素杂质，故而成为如多晶硅生产等高精应用领域唯一选择。然而水电解制氢的能量转化率相较矿物燃料制氢偏低，有研究分析得出，水电解制氢的生产消耗构成中，原材料(主要为电费投入)占比高达81.9％，致使水电解制氢在整体制氢市场所占份额很小。
在国家大力倡导新能源可持续化发展今天，水电解制氢迎来了新的发展机遇。太阳能是一种重要的新能源，但太阳能发电受制于光能强度以及其光照时间等因素导致了可再生能源作为电源的输出电压波动性。
目前利用太阳能水电解制氢所面临的挑战主要来自于两个方面：电解水制氢效率不高以及太阳能输入功率不稳定。因此，优化水电解制氢系统对波动电源输入的适应性，同时提高单位能量的产氢量，是目前水电解制氢技术的主要目标。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，而提供适应太阳能系统产生的电源的波动性，提高能源利用效率的太阳能电解水制氢系统。
一种太阳能电解水制氢系统，包括太阳能系统、水电解制氢系统、电解用水供给系统、气/液分离干燥提纯系统、碱液循环系统和储氢罐；太阳能系统采用太阳能板阵列，其电能第一输出端连接水电解制氢系统，水电解制氢系统由电解用水供给系统供水；水电解制氢系统将制好的氢气与氧输入气/液分离干燥提纯系统进行分离、干燥和提纯，气/液分离干燥提纯系统将分离、干燥和提纯后的氢气输入储氢罐中，气/液分离干燥提纯系统中的碱液反应后经碱液循环系统处理后回流至水电解制氢系统中；水电解制氢系统包括控制器、多路开关和电解槽，多路开关的控制端与控制器连接，多路开关的输入端与太阳能系统的正极连接，多路开关的输出端具有M个端口，电解槽包括N+1个依次串联的电解小室，电解槽的一端与太阳能系统的负极连接，控制器用于检测太阳能系统电源的输出功率，并根据太阳能系统电源的输出功率控制多路开关的M个输出端中相应的端口与电解槽的N+1个电解小室中相应的电解小室的触点连通形成电解回路。
电解槽包括分置于两端的第一端单极板、第二端单极板和设于两者之间的N个双极板，第一端单极板、N个双极板和第二端单极板依次串联，每相邻两个极板之间构成一个电解小室，且每一电解小室内部由隔膜分隔成阳极与阴极，第一端单极板连接太阳能系统的负极，N个双极板和第二端单极板的触点分别与多路开关的第一端口至第M个端口一一对应。
电流从太阳能系统电源的正极流出后，首先经过多路开关，然后从电解槽的某一双极板上的触点或第二端单极板流入，电解槽中的部分或全部电解小室接通电源的正极，之后经第一端单极板后流回太阳能系统电源的负极形成回路。
N个双极板等间距分布于第一端单极板和第二端单极板之间。
N与M均为正整数，第1×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第一端口连接，第2×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第二端口连接，第(M-1)×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第(M-1)端口连接。
太阳能系统的电能第二输出端通过整流装置连接至外电网。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过对太阳能系统电源功率的检测结果而选择性的接入部分水电解制氢系统进入电路回路，在不过多增加生产成本的情况下，有效实现水电解制氢系统对太阳能系统波动输入的适应性，提高太阳能利用效率，有效缓解太阳能无法高效利用的问题。
附图说明
图1为本发明的一种太阳能电解水制氢系统的结构示意图。
其中，1-太阳能系统、2-水电解制氢系统、3-控制器、4-多路开关、5-电解用水供给系统、6-气/液分离干燥提纯系统、7-碱液循环系统、8-储氢罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的太阳能水电解制氢的具体实施方式做详细说明。
图中包括以下部件：1-太阳能系统、2-水电解制氢系统、3-控制器、4-多路开关、5-电解用水供给系统、6-气/液分离干燥提纯系统、7-碱液循环系统和8-储氢罐。
如图1所示，一种太阳能电解水制氢系统，包括太阳能系统、水电解制氢系统、电解用水供给系统、气/液分离干燥提纯系统、碱液循环系统和储氢罐；太阳能系统采用太阳能板阵列，其电能第一输出端连接水电解制氢系统，水电解制氢系统由电解用水供给系统供水；水电解制氢系统将制好的氢气与氧输入气/液分离干燥提纯系统进行分离、干燥和提纯，气/液分离干燥提纯系统将分离、干燥和提纯后的氢气输入储氢罐中，气/液分离干燥提纯系统中的碱液反应后经碱液循环系统处理后回流至水电解制氢系统中；水电解制氢系统包括控制器、多路开关和电解槽，多路开关的控制端与控制器连接，多路开关的输入端与太阳能系统的正极连接，多路开关的输出端具有M个端口，电解槽包括N+1个依次串联的电解小室，电解槽的一端与太阳能系统的负极连接，控制器用于检测太阳能系统电源的输出功率，并根据太阳能系统电源的输出功率控制多路开关的M个输出端中相应的端口与电解槽的N+1个电解小室中相应的电解小室的触点连通形成电解回路。
电解槽包括分置于两端的第一端单极板、第二端单极板和设于两者之间的N个双极板，第一端单极板、N个双极板和第二端单极板依次串联，每相邻两个极板之间构成一个电解小室，且每一电解小室内部由隔膜分隔成阳极与阴极，第一端单极板连接太阳能系统的负极，N个双极板和第二端单极板的触点分别与多路开关的第一端口至第M个端口一一对应。
电流从太阳能系统电源的正极流出后，首先经过多路开关，然后从电解槽的某一双极板上的触点或第二端单极板流入，电解槽中的部分或全部电解小室接通电源的正极，之后经第一端单极板后流回太阳能系统电源的负极形成回路。
N个双极板等间距分布于第一端单极板和第二端单极板之间。
N与M均为正整数，第1×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第一端口连接，第2×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第二端口连接，第(M-1)×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第(M-1)端口连接。
太阳能系统的电能第二输出端通过整流装置连接至外电网。
实施例
本具体实施方式提供的高效太阳能电解水制氢系统，包括太阳能系统1、水电解制氢系统2、控制器3、多路开关4、电解用水供给系统5、气/液分离干燥提纯系统6、碱液循环系统7和储氢罐8。其中，太阳能系统1为太阳能板阵列，其第一输出端连接水电解槽，第二输出端通过整流装置连接至外电网。电解槽用于电解水以产生清洁能源氢气，具体来说，电解槽内发生电化学反应：通过输入的电能将水分解成氢气与氧气，其中氢气在去水后纯度达99.9％。
多路开关4，其输入端连接太阳能系统1的正极、控制端连接控制器3，输出端具有第一端口至第M端口。
太阳能发电受制于光能强度以及其光照时间等因素导致了可再生能源作为电源的输出电压波动性。
为了适应太阳能系统1产生的电源的波动性，提高能源利用效率，本具体实施方式所提供的水电解制氢系统2，由多个极板串联构成，相邻两个极板之间构成一电解小室，由水电解产生氢气的过程在电解小室内发生，且每一电解小室内部由隔膜分隔成阳极与阴极。多个极板包括N个双极板和两个单极板，两个单极板包括置于水电解制氢系统2相对两端的第一端极板和第二端极板。
如图1所示，第一端极板，设置于水电解制氢系统的一端，且连接太阳能系统2电源的负极；第二端极板，与第一端极板相对的设置于水电解制氢系统的另一端，且与多路开关最后端口连接；N个双极板，N个双极板等间隔分布于第一端极板和第二端极板之间。即在本具体实施方式的水电解制氢系统中总共有N+2个极板，由这N+2个极板共构成N+1个小室，且这N+1个小室是相互串联。本具体实施方式为了适应波动的电源电压，所采取方式是根据电源电压控制不同数量的电解小室接入电解回路。
具体来说，本具体实施方式中，第1×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关4第一端口连接，第2×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关4第二端口连接，以此类推，第(M-1)×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关4第(M-1)端口连接；其中，N与M均为正整数。
在本具体实施方式中，多路开关4输出端的M个端口与水电解制氢系统2的N+1个极板一一对应连接。控制器3，用于检测太阳能系统电源，并根据电源输出功率控制多路开关4中的输入端与输出端中对应的端口导通。这样，通过控制器3控制多路开关4中的输入端与输出端中对应的端口导通，就能够实现将不同数量的电解小室接入电解回路，以完成针对不同电源电压使得全部或部分电解小室参与电解制氢的过程。优选的，当1×(N+2)÷M，2×(N+2)÷M，…,(M-1)×(N+2)÷M的计算结果为非整数时，以对其计算结果向上取整后得到的值作为与多路开关4连接的双极板。
采用本具体实施方式提供的太阳能电解水制氢系统进行电解水制氢的过程中，电流从太阳能系统1电源的正极流出后，首先经过多路开关4，从水电解制氢系统2某一双极板上的触点或第二端极板流入，然后其中的部分或全部电解小室，之后经第一端极板后流回太阳能系统1电源的负极形成回路。其中，多路开关4中的输入端与输出端中的第一端口导通时表明参与反应的电解小室数量最少，相应的，多路开关4中的输入端与输出端中的第M端口导通时表明水电解制氢系统2中全部的电解小室均参与反应(即参与反应的电解小室数量最大)。参与反应的电解小室数量越少，则表明电源输入相比电解槽最大可接受输入功率越小。一般情况下，电源输入功率均小于电解槽可接收额定功率。
太阳能系统1的第二输出端经过整流变频设备连接至外电网，其目的为：通过与外电网的通讯，在外电网需要时可将太阳能系统产生的电能回馈至外电网。
电解用水供给系统5用于将水供应至水电解制氢系统中，同时提供电解用水的补水接口。
气/液分离干燥提纯系统6，用于将水电解反应所制备的氢气与氧气进行与碱液的分离操作，同时该系统对分离后的氢气与氧气进行干燥提纯处理。
碱液循环系统7，用于对碱液的循环处理，同时提供补碱接口用于碱液的补充。
储氢罐8，为水电解制氢系统2提供氢气的储存空间，所储存的氢气可通过运氢火车运送至需要氢气的化工场，或者直接供应于氢燃料设备如氢燃料电池系统以供使用。
本具体实施方式提供的太阳能电解水制氢系统，通过对太阳能系统1电源功率的检测结果而选择性的接入部分水电解制氢系统2进入电路回路，在不过多增加生产成本的情况下，有效实现水电解制氢系统2对太阳能系统1波动输入的适应性，提高太阳能利用效率，有效缓解太阳能无法高效利用的问题。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种太阳能电解水制氢系统，其特征在于：包括太阳能系统、水电解制氢系统、电解用水供给系统、气/液分离干燥提纯系统、碱液循环系统和储氢罐；太阳能系统采用太阳能板阵列，其电能第一输出端连接水电解制氢系统，水电解制氢系统由电解用水供给系统供水；水电解制氢系统将制好的氢气与氧输入气/液分离干燥提纯系统进行分离、干燥和提纯，气/液分离干燥提纯系统将分离、干燥和提纯后的氢气输入储氢罐中，气/液分离干燥提纯系统中的碱液反应后经碱液循环系统处理后回流至水电解制氢系统中；水电解制氢系统包括控制器、多路开关和电解槽，多路开关的控制端与控制器连接，多路开关的输入端与太阳能系统的正极连接，多路开关的输出端具有M个端口，电解槽包括N+1个依次串联的电解小室，电解槽的一端与太阳能系统的负极连接，控制器用于检测太阳能系统电源的输出功率，并根据太阳能系统电源的输出功率控制多路开关的M个输出端中相应的端口与电解槽的N+1个电解小室中相应的电解小室的触点连通形成电解回路。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电解水制氢系统，其特征在于：电解槽包括分置于两端的第一端单极板、第二端单极板和设于两者之间的N个双极板，第一端单极板、N个双极板和第二端单极板依次串联，每相邻两个极板之间构成一个电解小室，且每一电解小室内部由隔膜分隔成阳极与阴极，第一端单极板连接太阳能系统的负极，N个双极板和第二端单极板的触点分别与多路开关的第一端口至第M个端口一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能电解水制氢系统，其特征在于：电流从太阳能系统电源的正极流出后，首先经过多路开关，然后从电解槽的某一双极板上的触点或第二端单极板流入，电解槽中的部分或全部电解小室接通电源的正极，之后经第一端单极板后流回太阳能系统电源的负极形成回路。
4.根据权利要求2所述的一种太阳能电解水制氢系统，其特征在于：N个双极板等间距分布于第一端单极板和第二端单极板之间。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能电解水制氢系统，其特征在于：N与M均为正整数，第1×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第一端口连接，第2×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第二端口连接，第(M-1)×(N+2)÷M个双极板通过触点与多路开关的第(M-1)端口连接。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能电解水制氢系统，其特征在于：太阳能系统的电能第二输出端通过整流装置连接至外电网。
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