CN113774400A - 一种太阳能pem电解池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太阳能PEM电解池装置，包括多结光伏电池、第一PEM电解池、第二PEM电解池、供水管道、氢气导管、出水管道；多结光伏电池、第一PEM电解池、第二PEM电解池之间通过电路串联连接；多结光伏电池与供水管道贴合设置。本发明所提供的太阳能PEM电解池装置，解决了电压不匹配导致的效率局限问题、系统结构臃肿占地过大问题、系统热量难以调控及热量调控成本较高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，尤其涉及一种太阳能PEM电解池装置。
背景技术
在高速发展的时代背景下，人类亟待探索新能源，并本着可持续发展的原则将目标放在了氢气上。氢气的优势有：热值大、运输损耗低、本身无毒无污染、燃烧性能好、轻等，也因此成为了现代科学界探索新能源炙手可热的主题。
目前的工业制氢方法存在效率不高、有害环境、成本昂贵等不足。如工业制氢常用的水煤气法会产出一氧化碳以及温室气体，总体方法依赖于化石燃料，对自然环境造成持续危害；电解水制氢虽然没有有害排放，但如依靠化石能源供电则依然带来环境问题，如依靠可持续能源如太阳能供电，则往往存在着成本高昂、能量转换效率低的问题。
如今工业上常用的PEM(质子交换膜)电解池系统虽然有着高效的电解效率，却存在着最高电压局限性、整体体积臃肿不利于经济化部署、热量调控繁琐等问题。电解池本身的工作电压要求严苛，一般在1.6V以上，牵制着生产效率。而太阳能电池的输出电压往往低于1V，因此需要用大面积的电池板提供电压，降低了能量转化效率。高效率太阳能电池在工作时会产生大量热，因此一般要为其格外接入一个冷却系统才能维持高效率率，导致进一步的能量浪费。上述的种种现有技术的制约都会导致太阳能电解系统整体臃肿、效率不高等问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能PEM电解池装置，旨在解决现有太阳能PEM电解池装置效率不高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种太阳能PEM电解池装置，其中，包括多结光伏电池、第一PEM电解池、第二PEM电解池、供水管道、氢气导管、出水管道；
多结光伏电池、第一PEM电解池、第二PEM电解池之间通过电路串联连接；
第一PEM电解池的阴极与第二PEM电解池的阴极通过氢气导管相接，氢气输出口设置在其中一个PEM电解池的阴极上；
第一PEM电解池的阳极的进水口与供水管道相接，第一PEM电解池的阳极的出水口与第二PEM电解池的阳极的进水口相接，第二PEM电解池的阳极的出水口处与出水管道连接，出水管道上设置有氧气输出口；
多结光伏电池与供水管道贴合设置，供水管道为多结光伏电池提供热交换。
所述的太阳能PEM电解池装置，其中，所述多结光伏电池应至少包含三结；当所述多结光伏电池为三结光伏电池时，三结光伏电池从上到下的材料结构可为InGaP/GaAs/GaInNAsSb、InGaP/GaAs/InGaAs、InGaP/GaAs/Ge或其它可行的材料组合。
所述的太阳能PEM电解池装置，其中，所述多结光伏电池的上方设置有聚光器。
所述的太阳能PEM电解池装置，其中，所述太阳能PEM电解池装置还包括循环水管道；所述循环水管道的一端与所述出水管道相接，另一端与所述供水管道相接；多结光伏电池与循环水管道贴合设置，循环水管道为多结光伏电池提供热交换。
所述的太阳能PEM电解池装置，其中，循环水管道、供水管道以及循环水管道与供水管道的交汇处均与多结光伏电池贴合设置。
所述的太阳能PEM电解池装置，其中，循环水管道、供水管道上设置有节流阀。
所述的太阳能PEM电解池装置，其中，所述太阳能PEM电解池装置的整体形状为近似箱状。
所述的太阳能PEM电解池装置，其中，第一PEM电解池、第二PEM电解池为纵向层叠放置，第一PEM电解池、第二PEM电解池刚性连接；所述多结光伏电池设置在第一PEM电解池的顶面或侧面。
所述的太阳能PEM电解池装置，其中，所述多结光伏电池、第一PEM电解池、第二PEM电解池之间的电路上设置有一个并联开关。
有益效果：本发明所提供的太阳能PEM电解池装置，有效地将两个PEM电解池以及光伏电池组合在一起，缓解了过量电压带来的能源浪费；装置可达到30％以上的光能-氢气转化效率，远远超出了现有的太阳能产氢方案的效率；整个系统体积变小，易于经济化部署；使用作为电解质的水对光伏电池进行冷却并把热量带入PEM电解池，避免了额外的冷却系统的同时也提高了PEM电解池的效率。
附图说明
图1为本发明太阳能PEM电解池装置的横截面结构示意图。
图2为本发明太阳能PEM电解池装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种太阳能PEM电解池装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。
本发明所提供的一种太阳能PEM电解池装置，如图1和图2所示，包括多结光伏电池10、第一PEM电解池11、第二PEM电解池12、供水管道13、氢气导管14、出水管道15；
多结光伏电池10、第一PEM电解池11、第二PEM电解池12之间通过电路16串联连接；
第一PEM电解池11的阴极与第二PEM电解池12的阴极通过氢气导管14相接，氢气输出口设置在其中一个PEM电解池的阴极上；
第一PEM电解池11的阳极的进水口与供水管道13相接，第一PEM电解池11的阳极的出水口与第二PEM电解池12的阳极的进水口相接，第二PEM电解池12的阳极的出水口处与出水管道15连接，出水管道15上设置有氧气输出口；
多结光伏电池10与供水管道13贴合设置，供水管道13为多结光伏电池10提供热交换。
本发明技术方案具有以下优点：
解决了电压不匹配导致的效率局限问题：通过使用多结太阳能电池获得高光能转化效率和高电压，使得电压足够驱动两个串联连接的PEM电解池接入电路16，这样可以使光伏电池的电压被充分利用，光-氢转化效率最大化；
解决了整体系统臃肿引起的组装难、不利于大量部署问题：三结光伏电池的体积非常小，而且通过将供水管道13紧贴着多结光伏电池10，冷水流过可以缓解电池过热，这样供水管道13就可以替代外接的一个冷却系统，简化装置结构；
解决了与整体系统分离的繁杂热量调控问题：本发明方案利用水流达到了双重效果，不仅冷却了光伏电池，并且受过热的水流进入电解池后刚好满足电解池效率虽温度提升的特性；同时用于冷却的水本身就是电解池消耗的电解质，因此本方案的热量调控不需要消耗任何额外的材料或能量。
所述多结光伏电池10可以为InGaP/GaAs/GaInNAsSb、InGaP/GaAs/InGaAs、InGaP/GaAs/Ge或其它可行材料组合的多结光伏电池。进一步地，所述多结光伏电池10的上方设置有聚光器，所述聚光器可以为凸面镜或凹面镜，使得所述多结光伏电池10可以获得高强光，这样确保更高效率的同时也增大了输出电压，并且减少了电池面积的需求。在另一种实施例方案中，所述太阳能PEM电解池装置也可以包括一可自动追踪太阳位置的转台和一可调节角度的机械臂支撑，所述多结光伏电池10设置在机械臂支撑上，使得所述多结光伏电池10可以随太阳移动而移动，这样同样可以最大化接收光能。
进一步地，所述太阳能PEM电解池装置还可以包括循环水管道18；所述循环水管道18的一端与所述出水管道15相接，另一端与所述供水管道13相接；多结光伏电池10与循环水管道18贴合设置，循环水管道18为多结光伏电池10提供热交换。这样，在上一次循环中未完全反应的水通过气水分离器与氧气分离后可以通过循环水管道18回收继续使用，氧气则通过氧气输出口排出。优选地，循环水管道18、供水管道13以及循环水管道18与供水管道13的交汇处均与多结光伏电池10贴合设置，目的是以和水(凉)最大的接触面积来分散走电池板的热量。
进一步地，循环水管道18、供水管道13上设置有三通节流阀19。通过设置节流阀19，可以控制调节这两个水管的水量和流速，负责整体装置温度的调节。
进一步地，所述太阳能PEM电解池装置的整体形状为近似箱状，这样，在空间有限的货运轮船上，采用这样的供能设备以及相应配套的发动机可大大减轻化石燃料及其发动机所带来的占地问题、供能效率问题、重量问题、重污染排放问题与噪音问题。优选地，第一PEM电解池11、第二PEM电解池12为纵向层叠放置，第一PEM电解池11、第二PEM电解池12刚性连接；所述多结光伏电池10设置在第一PEM电解池11的顶面或侧面。
进一步地，所述多结光伏电池10、第一PEM电解池11、第二PEM电解池12之间的电路16上设置有一个并联开关。这样，在光强不足电压偏低的情况下可仅使用一个PEM电解池工作。
综上，本发明所提供的太阳能PEM电解池装置，有效的将两个PEM电解池以及电池板集成在了一起，缓解了电压不匹配带来的能源浪费。所述太阳能PEM电解池装置可达到30％的光能-氢气转化效率，显著超过了传统的太阳能产氢方案。整个系统高度集成、体积变小，易于经济化部署。在取消了外接冷却系统后，在不增加成本的前提下有效调控光伏电池和PEM电解池的温度。同时，还解决以下问题：
(1)解决电压的不匹配问题：供电系统使用多结光伏电池，它产生足够大的电压来驱动两个电解器。一个典型商用三结太阳能电池的最大功率点电压在1000太阳光照下为3.5V。然而电解水所需的热力学最小电压在300K时仅为1.23V，实际工作电压在1.5-1.9V。这意味着盈余热力学最小电压的那部分电能并没有在氢的化学键中储存，而是以热的形式浪费掉。本发明通过在电路16中串联太阳能电池与双发PEM电解池起到分压作用，并且调整太阳能集中度使光伏的最大功率点与电解槽的运行容量良好匹配，大大提升系统效率。
(2)解决整体系统的臃肿问题：目前的PEM电解池+太阳能电池整体系统直观过于笨重，体积大，呈箱形，由于复杂因素主要以分体式结构为主。在本发明中可以以最合理的小体积将太阳能电池与两个PEM电解池合二为一，配套的供水管道13、氢气导管14、电路16、循环水管道18都便捷地贯穿装置。本发明中也没有采用大块面积的电池板来发电，而是用一小块上述的三结太阳能电池配合聚光机构实现足够的电压，这样也就解决了占地问题。
(3)解决热量调节系统的繁杂问题：聚光光伏发电势必产出大量热，然而过热会有损电池板的光能-电能转化效率，因此在前者许多的PEM体统中都会出现专门为了冷却太阳能电池板的温度调节系统。如果额外添加这样一个系统，那么问题二将更加显著，同时也会导致额外的成本和能源浪费。在本发明中，运用水的大比热容，设计导水管道使其紧贴通过太阳能电池板的下方，起到热传递的作用。这是一个双重功效的设计，因为PEM电解池在升温的条件下是更高效的，这样可以把太阳能电池产出的热导入电解池系统，促成了双方的优良反应条件，同时因为用于传热的水本身就是电解池消耗的电解质，此设计无须引入额外的材料和能量消耗，具有成本优势。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种太阳能PEM电解池装置，其特征在于，包括多结光伏电池、第一PEM电解池、第二PEM电解池、供水管道、氢气导管、出水管道；
多结光伏电池、第一PEM电解池、第二PEM电解池之间通过电路串联连接；
第一PEM电解池的阴极与第二PEM电解池的阴极通过氢气导管相接，氢气输出口设置在其中一个PEM电解池的阴极上；
第一PEM电解池的阳极的进水口与供水管道相接，第一PEM电解池的阳极的出水口与第二PEM电解池的阳极的进水口相接，第二PEM电解池的阳极的出水口处与出水管道连接，出水管道上设置有氧气输出口；
多结光伏电池与供水管道贴合设置，供水管道为多结光伏电池提供热交换。
2.根据权利要求1所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，所述多结光伏电池至少包含三结。
3.根据权利要求2所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，所述多结光伏电池为InGaP/GaAs/GaInNAsSb三结光伏电池、InGaP/GaAs/InGaAs三结光伏电池或InGaP/GaAs/Ge三结光伏电池。
4.根据权利要求1所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，所述多结光伏电池的上方设置有聚光器。
5.根据权利要求1所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，所述太阳能PEM电解池装置还包括循环水管道；所述循环水管道的一端与所述出水管道相接，另一端与所述供水管道相接；多结光伏电池与循环水管道贴合设置，循环水管道为多结光伏电池提供热交换。
6.根据权利要求5所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，循环水管道、供水管道以及循环水管道与供水管道的交汇处均与多结光伏电池贴合设置。
7.根据权利要求5所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，循环水管道、供水管道上设置有节流阀。
8.根据权利要求1所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，所述太阳能PEM电解池装置的整体形状为近似箱状。
9.根据权利要求1所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，第一PEM电解池、第二PEM电解池为纵向层叠放置，第一PEM电解池、第二PEM电解池刚性连接；所述多结光伏电池设置在第一PEM电解池的顶面或侧面。
10.根据权利要求1所述的太阳能PEM电解池装置，其特征在于，所述多结光伏电池、第一PEM电解池、第二PEM电解池之间的电路上设置有一个并联开关。
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