CN111682241B - 一种太阳能光伏电解水制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏电解水制氢装置，包括太阳光伏电池模块(1)、稳压控制模块(2)、水解池模块(3)、供水/集气模块(4)，稳压控制模块(2)连接太阳光伏电池模块(1)，太阳光伏电池模块(1)提供可再生电能，通过稳压控制模块(2)稳定输出电压，为水解池模块(3)供电，供水/集气模块(4)与水解池模块(3)相连。本发明采用双柱型压控式供水/集气一体化模块与水解池模块直接连接，能实现智能化压力控制注水和集气功能，装置结构设计简单、合理巧妙，工艺成本低廉，可规模化拓展，降低工业制氢成本。

Description

一种太阳能光伏电解水制氢装置
技术领域
本发明属于太阳能制氢燃料电池技术领域，具体涉及一种太阳能光伏电解水制氢装置。
背景技术
随着人类社会经济的发展，化石能源使用引起的能源和环境危机日益严峻，发展和利用绿色、可再生能源是人类社会可持续发展的重要战略，其中，清洁、丰富的太阳能是人类最为重要的可再生能源，人们通过光热、光伏、光催化等技术不断开拓着太阳能的转化利用。由于热能和电能在存储和移动方面的局限，基于光/电催化水解技术将太阳能转化为高能密度氢气，以便于能量的储存、运输或重整转换，成为转化和利用太阳能的关键路径之一，被赋予众望。
太阳能分解水制氢技术主要基于半导体光电催化和光催化系统，由于太阳能到氢气转化效率偏低，仍然处于产业化前期的实验室研究阶段。当前，设计低成本、高效能、稳定可靠、可产业化的太阳能分解水制氢装置具有很大的社会效益和经济效益。
设计光伏发电与电解水功能模块集成，实现太阳能光伏电解水制氢是太阳能到氢气转化的有效途径，具有产业化前景，目前该方案面临的挑战主要包括两个方面：(1)太阳能光伏电池不能连续稳定地为电解池供电，电压波动性制约着电解槽工作效能及稳定性；(2)电解池需要供水同时分离氢气和氧气，需要科学且经济的装置结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种供给电压稳定、结构巧妙合理的太阳能光伏电解水制氢装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种太阳能光伏电解水制氢装置，包括太阳光伏电池模块、稳压控制模块、水解池模块、供水/集气模块，所述稳压控制模块连接太阳光伏电池模块，所述太阳光伏电池模块提供可再生电能，通过稳压控制模块稳定输出电压，为水解池模块供电，所述的供水/集气模块与水解池模块相连。
进一步地，所述水解池模块包括中空封闭槽，所述封闭槽中间固定有封闭槽隔膜，所述封闭槽隔膜两侧固定有催化电极，所述催化电极包括位于所述封闭槽隔膜两侧的产氢电极和产氧电极，所述封闭槽顶部连接有两个出气管、底部连接有两个注水管。
进一步地，所述封闭槽为树脂材料制成的中空长方体封闭槽。
进一步地，所述封闭槽隔膜为聚四氟乙烯质子交换膜。
进一步地，所述催化电极为碳纸电极，分别涂布有产氢、产氧催化剂。
进一步地，所述产氢催化剂为铂碳，所述产氧催化剂为氧化铱。
进一步地，所述的供水/集气模块包括两个独立的圆柱形容器，每个所述圆柱形容器上端开口、下端封闭，其内中上部固定有树胶隔膜，所述树胶隔膜具有一开孔，一小水管穿过所述开孔设置并且所述小水管下端延伸至圆柱形容器底部，所述圆柱形容器位于树胶隔膜以下的部分分别开孔连接所述出气管和注水管，所述出气管位于所述注水管的上方。
进一步地，所述树胶隔膜能够阻隔水和气体渗透。
进一步地，两个出气管、和两个注水管分别水平设置。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明采用三端集成稳压器结合软启动电路和滤波电路，输出电压稳定可调，有效解决太阳能光伏电池供给电压不稳定的问题；
(2)本发明采用双柱型压控式供水/集气一体化模块，并与水解池模块直接连接，能实现智能化压力控制注水和集气功能，装置结构设计简单、合理巧妙，工艺成本低廉，可规模化拓展，降低工业制氢成本。
附图说明
图1是本发明太阳能光伏电解水制氢装置组成框图。
图2是本发明稳压控制模块电路示意图。
图3是本发明稳压控制模块电路原理图。
图4是本发明水解池模块和供水/集气模块结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
结合图1，一种太阳能光伏电解水制氢装置，包括太阳光伏电池模块1、稳压控制模块2、水解池模块3、供水/集气模块4，所述稳压控制模块2的输入端连接太阳光伏电池模块1，输出端与水解池模块3链接，所述太阳光伏电池模块1提供可再生电能，通过稳压控制模块2稳定输出电压，为水解池模块3供电驱动全水解反应，所述的供水/集气模块4与水解池模块3相连，供水/集气模块4给水解池模块3自动供水，水解池模块3生成的氢气和氧气自动转入供水/集气模块4。
结合图2-3，进一步地，所述稳压控制模块2包括集成稳压器2-1、滤波电路2-2和软启动电路2-3，由于太阳能电池接收到的光强不是稳定的，因此产生的电压是波动的，这样会影响电路的工作性能。可利用电容的“通交流，隔直流”的特性，在滤波电路中并入两个并联电容(输入端C1以及输出端C3)作为电容滤波器，滤去其中的波动电流成分。在通电瞬间C3上的电压不能突变，T(NPN三极管)被R1偏置而饱和导通，这样就使R2短路，相当于LM317的调整端接地。电源输出为1.25V，随着C3充电时间加长，输出电压逐渐上升，数秒后达到额定输出电压。D1、D2两个二极管的作用是为了保护LM317防止损坏。
各元器件参数：C1：2200uF的极性电容，C2：0.1uF的104电容，C3：470uF的极性电容，R1：2KΩ的滑动电阻，R2：220Ω定值电阻，R3：10KΩ定值电阻，T：NPN三极管，D1、D2为二极管，LM317为三端可调稳压集成芯片。
结合图4，进一步地，所述水解池模块3包括树脂材料制成的中空长方体封闭槽3-1，所述封闭槽3-1中间固定有封闭槽隔膜3-2，所述封闭槽隔膜3-2两侧固定有催化电极3-3，所述催化电极3-3包括位于所述封闭槽隔膜3-2两侧的产氢电极和产氧电极，所述封闭槽3-1顶部连接有两个出气管3-4、底部连接有两个注水管3-5。
进一步地，所述封闭槽隔膜3-2为聚四氟乙烯质子交换膜，所述催化电极3-3为同尺寸碳纸电极，分别涂布有铂碳和氧化铱作为产氢、产氧催化剂。
进一步地，所述的供水/集气模块4包括两个独立的圆柱形容器4-1，每个所述圆柱形容器4-1上端开口、下端封闭，其内中上部固定有树胶隔膜4-2，所述树胶隔膜4-2具有一开孔，一小水管4-3穿过所述开孔设置并且所述小水管4-3下端延伸至圆柱形容器4-1底部，所述圆柱形容器4-1位于树胶隔膜4-2以下的部分分别开孔连接所述出气管3-4和注水管3-5，所述出气管3-4位于所述注水管3-5的上方，下部两个注水管3-5为电解池注水，上部两个出气管3-4输出电解池产生的氢气和氧气。
进一步地，所述树胶隔膜4-2能够阻隔水和气体渗透。从圆柱形容器4-1顶端开口处直接注水，通过树胶隔膜4-2中心小水管4-3引入圆柱形容器4-1底部，再经过下部孔连接的注水管3-5为电解池供水；电解池两电极产生的氧气和氢气分别通过上部出气管3-4进入圆柱形容器4-1下部液面以上区域，根据集气区的体积能够准定量地评估气体的转化量，圆柱形容器4-1结构设计能够控制最大收集气量和气压，以便于后端氢气的集中存储。
进一步地，两个出气管3-4、和两个注水管3-5分别水平设置，水解池的上下孔位与注水/集气模块4的上下孔位保持等高。
使用时，从双柱式供水/集气模块4的圆柱形容器顶端开口处直接注水，通过树胶隔膜中心水管引入圆柱形容器底部，再经过下部孔连接的注水管为电解池供水；水解池两电极产生的氧气和氢气分别通过上部输气管进入树胶隔膜下部液面以上区域，根据集气区的体积能够准定量地评估气体的转化量，圆柱形容器结构设计能够控制最大收集气量和气压，以便于后端氢气的集中存储。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种太阳能光伏电解水制氢装置，其特征在于，包括太阳光伏电池模块(1)、稳压控制模块(2)、水解池模块(3)、供水/集气模块(4)，所述稳压控制模块(2)连接太阳光伏电池模块(1)，所述太阳光伏电池模块(1)提供可再生电能，通过稳压控制模块(2)稳定输出电压，为水解池模块(3)供电，所述的供水/集气模块(4)与水解池模块(3)相连；
所述水解池模块(3)包括中空封闭槽(3-1)，所述封闭槽(3-1)中间固定有封闭槽隔膜(3-2)，所述封闭槽隔膜(3-2)两侧固定有催化电极(3-3)，所述催化电极(3-3)包括位于所述封闭槽隔膜(3-2)两侧的产氢电极和产氧电极，所述封闭槽(3-1)顶部连接有两个出气管(3-4)、底部连接有两个注水管(3-5)；
所述的供水/集气模块(4)包括两个独立的圆柱形容器(4-1)，每个所述圆柱形容器(4-1)上端开口、下端封闭，其内中上部固定有树胶隔膜(4-2)，所述树胶隔膜(4-2)具有一开孔，一小水管(4-3)穿过所述开孔设置并且所述小水管(4-3)下端延伸至圆柱形容器(4-1)底部，所述圆柱形容器(4-1)位于树胶隔膜(4-2)以下的部分分别开孔连接所述出气管(3-4)和注水管(3-5)，所述出气管(3-4)位于所述注水管(3-5)的上方。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述封闭槽(3-1)为树脂材料制成的中空长方体封闭槽(3-1)。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述封闭槽隔膜(3-2)为聚四氟乙烯质子交换膜。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述催化电极(3-3)为碳纸电极，分别涂布有产氢、产氧催化剂。
5.根据权利要求4所述的太阳能光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述产氢催化剂为铂碳，所述产氧催化剂为氧化铱。
6.根据权利要求1所述的太阳能光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述树胶隔膜(4-2)能够阻隔水和气体渗透。
7.根据权利要求1所述的太阳能光伏电解水制氢装置，其特征在于，两个出气管(3-4)、和两个注水管(3-5)分别水平设置。
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