CN114318385B - 一体式光电化学制氢模组和光电化学制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式光电化学制氢模组和光电化学制氢系统。所述模组包括太阳能电池板及第一、第二封装板，第一封装板经第一封装框架与太阳能电池板第一面密封配合形成第一气体发生空间，第二封装板经第二封装框架与太阳能电池板第二面密封配合形成第二气体发生空间；太阳能电池板的第一、第二电极分别暴露于第一、第二气体发生空间内；第一、第二气体发生空间用于容置电解液，太阳能电池板上分布有多个覆盖有离子交换膜的通孔；并且封装板和/或封装框架上设有电解液通道和第一气或第二气体通道。本发明所提供的一体式光电化学制氢模组集成度高、制氢纯度及安全性高，占地面积小，制氢效率高。

Description

一体式光电化学制氢模组和光电化学制氢系统

技术领域

本发明涉及电化学制氢技术领域，尤其涉及一种一体式光电化学制氢模组和光电化学制氢系统。

背景技术

目前光电化学制氢主要有两种形式，第一种是半导体颗粒的光催化制氢(photocatalytic, PC)，悬浮在电解液中的半导体颗粒，受太阳光照射时激发出电子和空穴，用于驱动水的还原和氧化反应，该种形式简单但系统集成度低、析氢效率低，且生产的氧气、氢气混合，分离难度大，且存在爆炸隐患；第二种是光伏-电解系统，该系统由光伏电站(或太阳能电池组件)和电解槽两部分组成，两部分相互独立，光伏电站负责将太阳能转化为电能，电解槽负责电解水制氢。光伏电站和电解槽非常成熟，该种制氢方式目前处于小规模示范阶段。

但是光伏-电解系统是分体式系统，占地面积大(即光伏电站需要大面积土地安装太阳能组件，电解槽制氢站也需要大面积厂房安放制氢设备)，安装成本高。另外，在该系统中，光伏电站生产的直流电，需要降压或升压为与电解槽相匹配的电压电流，通过线缆传输到电解槽。直流电的电压、电流转换以及传输均会造成能量损失，降低整个系统效率。这两个因素导致光伏-电解系统制氢的成本较高，不具备大规模推广的经济性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种一体式光电化学制氢模组和光电化学制氢系统，解决现有技术中半导体颗粒的光催化制氢氢气氧气混合难以分离，和光伏-电解系统占地面积大、能量损失大导致的经济性差的问题。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一体式光电化学制氢模组，包括：

光电化学制氢模块，包括太阳能电池板、第一气体发生空间和第二气体发生空间，所述太阳能电池板将第一气体发生空间与第二气体发生空间分隔，所述太阳能电池板具有沿厚度方向相背对的第一面和第二面，设置于所述第一面上的第一电极暴露于第一气体发生空间内，设置于所述第二面上的第二电极暴露于第二气体发生空间内，所述第一电极和第二电极分别与所述太阳能电池板的两极电连接；所述第一气体发生空间和第二气体发生空间用于容置电解液，所述太阳能电池板上分布有一个以上的通孔，所述通孔沿厚度方向贯穿太阳能电池板，并且所述通孔上覆盖有离子交换膜；

以及封装结构，用于封装所述光电化学制氢模块，所述封装结构包括第一封装板和第二封装板，所述第一封装板覆盖于所述光电化学制氢模块的受光面上，所述第二封装板覆盖于所述光电化学制氢模块的背光面上，所述第一封装板经第一封装框架与太阳能电池板第一面密封配合形成所述第一气体发生空间，所述第二封装板经第二封装框架与太阳能电池板第二面密封配合形成所述第二气体发生空间，并且所述第一封装板和/或第一封装框架上设有与第一气体发生空间连通的电解液通道和第一气体通道，所述第二封装板和/或第二封装框架上设有与第二气体发生空间连通的电解液通道和第二气体通道。

第二方面，本发明还提供一种光电化学制氢系统，包括上述一体式光电化学制氢模组，以及：用于维持所述一体式光电化学制氢模组内电解液液位的电解液供给装置，和用于存储所述一体式光电化学制氢模组所产生的第一气体或第二气体的气体存储装置。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明所提供的一体式光电化学制氢模组具有较高的集成度，经光照即可直接产生氢气和氧气，并实现氧气和氢气的物理分离，在保证氢气高纯度的同时，避免氧气、氢气混合带来的安全隐患；该一体化光电化学制氢模组以及光电化学制氢系统结构紧凑，占地面积小，无需电力转换，析氢效率高，具有较大的降本优势。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例提供的一体式光电化学制氢模组结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例提供的一体式光电化学制氢模组的部分结构示意图；

图3是本发明一典型实施案例提供的一体式光电化学制氢模组的使用状态参考图；

图4是本发明一典型实施案例提供的一体式光电化学制氢模组的部分结构示意图；

图5是本发明一典型实施案例提供的光电化学制氢模块的部分结构示意图；

图6是本发明一典型实施案例提供的一体式光电化学制氢模组结构示意图；

图7是本发明一典型实施案例提供的一体式光电化学制氢模组的部分结构示意图；

图8是本发明一典型实施案例提供的光电化学制氢系统的结构示意图；

图9是本发明一典型实施案例提供的一体式光电化学制氢模组和光电化学制氢系统的使用状态的部分结构参考图；

图10是本发明一典型实施案例提供的一体式光电化学制氢模组的使用状态参考图。

附图标记说明：10、一体式光电化学制氢模组；

100、太阳能电池板；101、第一气体发生空间；102、第二气体发生空间；103、第一电极；104、第二电极；105、通孔；106、离子交换膜；107、第一封装板；108、第二封装板； 109、第一封装框架；110、第二封装框架；111、第一气体通道；112、第二气体通道；113、电解液通道；114、第一外框；115、第二外框；116、密封垫；117、突出部；118、连接孔； 119、连接件；

20、电解液供给装置；

201、电解液供给槽；202、蠕动泵；203、液位传感器；

30、气体存储装置；

301、氢气脱水装置；302、储氢罐。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参见图1-图7，本发明实施例提供的一种一体式光电化学制氢模组10，包括：

光电化学制氢模块，包括太阳能电池板100、第一气体发生空间101和第二气体发生空间 102，所述太阳能电池板100将第一气体发生空间101与第二气体发生空间102分隔，所述太阳能电池板100具有沿厚度方向相背对的第一面和第二面，设置于所述第一面上的第一电极103 暴露于第一气体发生空间101内，设置于所述第二面上的第二电极104暴露于第二气体发生空间102内，所述第一电极103和第二电极104分别与所述太阳能电池板100的两极电连接；所述第一气体发生空间101和第二气体发生空间102用于容置电解液，所述太阳能电池板100上分布有一个以上的通孔105，所述通孔105沿厚度方向贯穿太阳能电池板100，并且所述通孔 105上覆盖有离子交换膜106；以及封装结构，用于封装所述光电化学制氢模块，所述封装结构包括第一封装板107和第二封装板108，所述第一封装板107覆盖于所述光电化学制氢模块的受光面上，所述第二封装板108覆盖于所述光电化学制氢模块的背光面上，所述第一封装板 107经第一封装框架109与太阳能电池板100第一面密封配合形成所述第一气体发生空间101，所述第二封装板108经第二封装框架110与太阳能电池板100第二面密封配合形成所述第二气体发生空间102，并且所述第一封装板107和/或第一封装框架109上设有与第一气体发生空间 101连通的电解液通道113和第一气体通道111，所述第二封装板108和/或第二封装框架110 上设有与第二气体发生空间102连通的电解液通道113和第二气体通道112。

在上述技术方案中，所述太阳能电池板100在光照下，产生能够驱动第一电极103和第二电极104对电解液进行电解的电压，其中，电解液优选为KOH水溶液，其浓度为0.1M，电解液也可以是其他溶液，例如NaOH溶液等等能够电解产生氢气氧气的溶液；电解液中的阴离子透过所述离子交换膜106并通过所述通孔105在所述第一气体发生空间101和第二气体发生空间102之间进行运动，以构成电解回路，其中，第一电极103例如可以是析氢电极，第二电极 104例如是析氧电极，此时，第一气体发生空间101内产生氢气，并通过第一气体通道111排出所述一体式光电化学制氢模组10，第二气体发生空间102内产生氧气，并通过第二气体通道 112排出所述一体式光电化学制氢模组10，在这一过程中，氢气和氧气被物理隔离，无气体混合现象，保证了气体的纯度的同时，确保了电解制氢的安全性。

在一些典型的应用案例中，所述光电化学制氢模块如图5所示，由三结非晶硅柔性太阳能电池板100、负载析氢、析氧催化剂的镍网(分别作为第一电极103和第二电极104)、阴离子交换膜106等材料有机结合构成，所述第一电极103和第二电极104分别相对设置在所述太阳能电池板100的两侧个相背的表面，且所述第一电极103、第二电极104分别与所述太阳能电池板100的两个引出电极电连接，所述阴离子交换膜106设置在太阳能电池板100朝向第一电极103或第二电极104的一面，且所述阴离子交换膜106至少覆盖位于所述太阳能电池板100 上的多个通孔105。

在一些典型的应用案例中，所述第一封装板107为透光材质，优选为亚克力材质，亚克力材质透光性好，质量较轻，耐压较好，可保证一体式光电化学制氢模组10中的太阳能电池吸收到充足的太阳光，以提高制氢效率。

在一些实施方案中，所述第一电极103或第二电极104包括金属网，所述金属网表面或网孔内负载有电解催化剂。

在一些实施方案中，所述金属网包括镍网，所述电解催化剂包括电解析氢催化剂或电解析氧催化剂。

在上述实施方案中，可以是第一电极103负载析氢催化剂，第二电极104负载析氧催化剂，所述电解催化剂例如是钙钛矿类电解催化剂，也可以是贵金属类电解催化剂等等。

在一些实施方案中，所述一体式光电化学制氢模组10还包括第一外框114和第二外框 115，所述第一外框114设置于所述第一封装板107背向所述第一气体发生空间101的一面，所述第二外框115设置于所述第二封装板108背向所述第一气体发生空间101的一面；所述第一外框114和第二外框115提供预紧力用于固定所述第一封装板107、第一封装框架109、太阳能电池板100、第二封装框架110以及第二封装板108的相对位置，并密封所述第一气体发生空间101和第二气体发生空间102；所述第一外框114、第一封装板107、第一封装框架109、太阳能电池板100、第二封装框架110、第二封装板108和第二外框115之间均设置有密封垫 116。

在上述实施方案中，利用外框施加预紧力以固定所述一体式光电化学制氢模组10各个组件的相对位置并密封所述第一气体发生空间101和第二气体发生空间102，相比于其他固定方式，例如胶接、卡接等，该固定方式能够方便对所述一体式光电化学制氢模组10进行检修和维护等作业。

在一些实施方案中，所述密封垫116的材质包括三元乙丙橡胶、氟橡胶、丁基橡胶、聚丙烯橡胶以及硅橡胶中的一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些典型的应用案例中，优选使用EPDM(三元乙丙橡胶)作为各层组件间的密封垫 116的材料，起到密封作用，EPDM具有隔水防潮、可塑性能佳、韧性强等优点，亦具有很好的抗化学腐蚀的性能。其厚度优选为0.1-0.2mm，在作为第一外框114和第二外框115的铝框锚固后在各层组件中间精密压实，起到密封的作用。EPDM密封垫116的大小尺寸优选为和铝框主体尺寸相当，宽度20-30mm。

在一些实施方案中，所述第一外框114和第二外框115均设置伸出所述一体式光电化学制氢模组10侧面的突出部117，所述突出部117设置有连接孔118，并设置连接件119通过所述连接孔118施加所述预紧力。

在一些实施方案中，所述连接件119包括螺栓。

在一些实施方案中，多个所述一体式光电化学制氢模组10可选择地沿预设方向平面顺次排布，沿所述预设方向分布于所述一体式光电化学制氢模组10两端的所述突出部117沿所述预设方向错位，以使沿所述预设方向排布的上一所述一体式光电化学制氢模组10的突出部117能够抵触沿所述预设方向排布的下一所述一体式光电化学制氢模组10的第一外框114或第二外框 115。

在一些典型的应用案例中，所述第一外框114和第二外框115例如可以是铝框，厚度为10- 20mm，其主体宽度为20-30mm，四边突出部117，该突出部117为梯形，通过梯形的底边与所述第一外框114或第二外框115相连接，该区域钻锚固孔作为连接孔118，孔径例如是M6，第一外框114上的连接孔118可以设置为无丝牙的孔，第二外框115上的连接孔118可以设置为带有螺纹的孔，便于使用M6的平头螺柱锚固第一外框114和第二外框115。此外，第一外框 114和第二外框115的四周梯形的突出部117，沿第一外框114和第二外框115的厚度方向重叠，所述一体式光电化学制氢模组10的左右突出部117可以错开20-30mm，如图2所示，左边的突出部117对应右边相邻两个突出部117的中线位置，在其他应用案例中，左右突出部117 错开的间距可以为其他长度。如图3所示，通过该设计，多个一体化光电化学制氢模组在水平方向排列时，左右突出部117可错开，上一一体化光电化学制氢模的右侧突出部117可以抵触下一一体化光电化学制氢模左侧的的第一外框114或第二外框115，可减少安放空间，减少一体化光电化学制氢模组的占地面积。

在一些实施方案中，所述第一封装框架109和第二封装框架110的材质包括高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物以及聚偏氟乙烯中的一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些实施方案中，所述第一气体通道111设置于所述第一封装框架109中，所述第二气体通道112设置于所述第二封装框架110中，且所述第一气体通道111与第二气体通道112在垂直于所述太阳能电池板100的方向上错位。

在一些实施方案中，所述电解液通道113设置于所述第一封装框架109和第二封装框架 110中，且所述第一封装框架109和第二封装框架110中的多个电解液通道113在垂直于所述太阳能电池板100的方向上错位。

在一些典型的应用案例中，如图4所示，所述第一封装框架109和第二封装框架110的材质优选为HDPE(高密度聚乙烯)，其使用温度可达100℃；其化学稳定性好，在室温条件下，不溶于任何有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类的腐蚀；对水蒸气和空气的渗透性小，吸水性低，氢气不易逃逸。该HDPE的第一封装框架109或第二封装框架110宽度优选为20-30mm，厚度优选为10-15mm。在第一封装框架109或第二封装框架110侧边部，其中一边钻2个直径 1/8inch的螺牙孔，作为用于输出氢气的第一气体通道111或输出氧气的第二气体通道112，与该边相邻的另一边钻1个直径1/8inch的螺牙孔，作为用于泵入电解液的电解液通道113。此外，的第一封装框架109或第二封装框架110相对应的各个螺牙孔位置均在所述第一封装框架 109或第二封装框架110的厚度方向上相对错开10-20mm，以利于模组锚固组装后安装管路接头，该错开的距离也可以是其他距离，能够方便进行管路接头的安装即可。

在一些典型的应用案例中，如图6所示，通过连接件119将第一外框114和第二外框115 固定为一个整体；处于第一外框114和第二外框115之间的密封垫116、第一封装板107、第二封装板108、第一封装框架109、第二封装框架110、太阳能电池板100被按照如图1所示的结构被压紧在第一外框114和第二外框115之间。模组锚固件可以是平头螺杆，其尺寸为M6，和第一外框114和/或第二外框115的螺纹相匹配。

如图7所示，上述应用案例中，一体式光电化学制氢模组10组装锚固后，太阳能电池板 100将该模组分开2个互相隔离的第一气体发生空间101和第二气体发生空间102，形成析氢槽和析氧槽，两槽物理性隔离，仅通过太阳能电池板100上的离子交换膜106实现离子交换，电解产生的氧气和氢气自然分离。

参见图8，本发明实施例还提供一种光电化学制氢系统，包括上述任一实施方案中的一体式光电化学制氢模组10，以及：用于维持所述一体式光电化学制氢模组10内电解液液位的电解液供给装置20，和用于存储所述一体式光电化学制氢模组10所产生的第一气体或第二气体的气体存储装置30。

继续参见图8，在一些实施方案中，所述电解液供给装置20包括电解液供给槽201、蠕动泵202以及液位传感器203；所述液位传感器203固设于所述一体式光电化学制氢模组10的选定位置，用于感应所述一体式光电化学制氢模组10内的液位高度；所述蠕动泵202电连接所述液位传感器203，并通过管路分别连通所述电解液供给槽201和一体式光电化学制氢模组10的第一补液通道和/或第二补液通道，以在所述液位高度低于预设值时抽取所述电解液供给槽201 中存储的电解液泵入所述一体式光电化学制氢模组10。

继续参见图8，在一些实施方案中，所述气体存储装置30包括氢气脱水装置301和储氢罐 302，所述一体式光电化学制氢模组10产生的氢气经过所述氢气脱水装置301脱水后存储于所述储氢罐302。

在一些实施方案中，所述储氢罐302包括金属氢化物储氢罐302。

在一些典型的应用案例中，电解液供给槽201为抗酸碱性材质，可为HDPE；其内为KOH 电解液，浓度为0.1M，可以通过蠕动泵202输送到模组内部的第一气体发生空间101与第二气体发生空间102。同时使用液位传感器203实时监控第一气体发生空间101与第二气体发生空间102电解液容量；液位传感器203控制着液体蠕动泵202，可实现自动添加电解液。

模组解析的氢气，会随着析氢槽内部的压力增大而慢慢输送到储氢罐302。可以使用氢气脱水装置301，去除析氢过程中产生的水蒸气；此外使用金属氢化物储气罐存储脱水后的氢气，储气罐上有压力安全装置，可自我安全储气。

本发明实施例提供的一体式光电化学制氢模组10以及光电化学制氢系统的使用状态下的部分结构如图9-图10所示，该一体式光电化学制氢模组10以及光电化学制氢系统具有较高的安全性以及制氢纯度，同时具有占地面积小、制氢成本低等优势。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种一体式光电化学制氢模组，其特征在于，包括：

光电化学制氢模块，包括太阳能电池板、第一气体发生空间和第二气体发生空间，所述太阳能电池板将第一气体发生空间与第二气体发生空间分隔，所述太阳能电池板具有沿厚度方向相背对的第一面和第二面，设置于所述第一面上的第一电极暴露于第一气体发生空间内，设置于所述第二面上的第二电极暴露于第二气体发生空间内，所述第一电极和第二电极分别与所述太阳能电池板的两极电连接；所述第一气体发生空间和第二气体发生空间用于容置电解液，所述太阳能电池板上分布有一个以上的通孔，所述通孔沿厚度方向贯穿太阳能电池板，并且所述通孔上覆盖有离子交换膜；以及

封装结构，用于封装所述光电化学制氢模块，所述封装结构包括第一封装板和第二封装板，所述第一封装板为透光材质，且覆盖于所述光电化学制氢模块的受光面上，所述第二封装板覆盖于所述光电化学制氢模块的背光面上，所述第一封装板经第一封装框架与太阳能电池板第一面密封配合形成所述第一气体发生空间，所述第二封装板经第二封装框架与太阳能电池板第二面密封配合形成所述第二气体发生空间，并且所述第一封装板和/或第一封装框架上设有与第一气体发生空间连通的电解液通道和第一气体通道，所述第二封装板和/或第二封装框架上设有与第二气体发生空间连通的电解液通道和第二气体通道。

2.根据权利要求1所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，所述第一电极或第二电极包括金属网，所述金属网表面或网孔内负载有电解催化剂。

3.根据权利要求2所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，所述金属网包括镍网，所述电解催化剂包括电解析氢催化剂或电解析氧催化剂。

4.根据权利要求1所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，还包括第一外框和第二外框，所述第一外框设置于所述第一封装板背向所述第一气体发生空间的一面，所述第二外框设置于所述第二封装板背向所述第一气体发生空间的一面；

所述第一外框和第二外框提供预紧力用于固定所述第一封装板、第一封装框架、太阳能电池板、第二封装框架以及第二封装板的相对位置，并密封所述第一气体发生空间和第二气体发生空间；

所述第一外框、第一封装板、第一封装框架、太阳能电池板、第二封装框架、第二封装板和第二外框之间均设置有密封垫。

5.根据权利要求4所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，所述密封垫的材质包括三元乙丙橡胶、氟橡胶、丁基橡胶、聚丙烯橡胶以及硅橡胶中的一种或两种以上的组合。

6.根据权利要求4所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，所述第一外框和第二外框均设置伸出所述一体式光电化学制氢模组侧面的突出部，所述突出部设置有连接孔，并设置连接件通过所述连接孔施加所述预紧力。

7.根据权利要求6所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，所述连接件包括螺栓。

8.根据权利要求6所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，多个所述一体式光电化学制氢模组可选择地沿预设方向平面顺次排布，沿所述预设方向分布于所述一体式光电化学制氢模组两端的所述突出部沿所述预设方向错位，以使沿所述预设方向排布的上一所述一体式光电化学制氢模组的突出部能够抵触沿所述预设方向排布的下一所述一体式光电化学制氢模组的第一外框或第二外框。

9.根据权利要求1所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，所述第一封装框架和第二封装框架的材质包括高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物以及聚偏氟乙烯中的一种或两种以上的组合。

10.根据权利要求1所述的一体式光电化学制氢模组，其特征在于，所述第一气体通道设置于所述第一封装框架中，所述第二气体通道设置于所述第二封装框架中，且所述第一气体通道与第二气体通道在垂直于所述太阳能电池板的方向上错位；

所述电解液通道设置于所述第一封装框架和第二封装框架中，且所述第一封装框架和第二封装框架中的多个电解液通道在垂直于所述太阳能电池板的方向上错位。

11.一种光电化学制氢系统，其特征在于，包括权利要求1-10中任一项所述的一体式光电化学制氢模组，以及：

用于维持所述一体式光电化学制氢模组内电解液液位的电解液供给装置，和用于存储所述一体式光电化学制氢模组所产生的第一气体或第二气体的气体存储装置。

12.根据权利要求11所述的光电化学制氢系统，其特征在于，所述电解液供给装置包括电解液供给槽、蠕动泵以及液位传感器；

所述液位传感器固设于所述一体式光电化学制氢模组的选定位置，用于感应所述一体式光电化学制氢模组内的液位高度；

所述蠕动泵电连接所述液位传感器，并通过管路分别连通所述电解液供给槽和一体式光电化学制氢模组的第一补液通道和/或第二补液通道，以在所述液位高度低于预设值时抽取所述电解液供给槽中存储的电解液泵入所述一体式光电化学制氢模组；

所述气体存储装置包括氢气脱水装置和储氢罐，所述一体式光电化学制氢模组产生的氢气经过所述氢气脱水装置脱水后存储于所述储氢罐。

13.根据权利要求12所述的光电化学制氢系统，其特征在于，所述储氢罐包括金属氢化物储氢罐。