CN116479439A - 一种耦合的光伏电解水原时制氢系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合的光伏电解水原时制氢系统及其使用方法，包括从上向下依次设置的空气集水子系统、制氢子系统及光伏发电子系统；其中，所述制氢子系统位于空气集水子系统下方，空气集水子系统与制氢子系统相连通，制氢子系统与发电子系统，利用空气集水子系统集得的水流入制氢子系统内，在光伏发电子系统提供的电能作用下，在制氢子系统中进行电解水制氢反应。本发明实现将大气集水技术与能量收集/转换技术相耦合以集水储能的双重目标。该系统提高了制氢效率、能源转化和利用效率，具有环保、节能、可持续性等优点，是一种理想的氢能源获取方式，并且应用十分广泛。

Description

一种耦合的光伏电解水原时制氢系统及其使用方法

技术领域

本发明属于集水制氢技术领域，具体涉及一种耦合的光伏电解水原时制氢系统及其使用方法。

背景技术

氢作为能量载体具有能量密度高、洁净无污染的特点，在如今能源匮乏、污染严重的情况下，可有效解决全球环境和能源问题。氢能燃烧性能好，能量高，可应用于生活的方方面面，比如应用在燃料电池中，氢的化学能可以高效率地转换为有用的电功，用生态环保无污染的方式实现了能源的转化。因此氢的制备问题自然备受关注，但我国生产氢能的技术正处于瓶颈期，同时制氢效率较低，难以实现产业化。

目前有关此类的研究较少，尤其是将空气的水分转化为化学能的研究比较少。从大气水中产生能量的工作原理是基于吸湿材料和发电设备之间的协同作用。因此空气水分解框架由吸湿材料和消化水两部分组成，保证了湿能转换的实现。吸附材料从空气中捕获水分，并将水送入消化器。水分解作为一种辅助技术来消耗或利用水来发电/燃料生产。在电化学分解水体系中，吸收剂(特别是凝胶形式的吸收剂通常作为电解液)被两个电极夹在中间。吸湿电解质的离子导电性在吸湿后得到增强。通过扩散和直接接触，捕获的水分子与活性电极材料相互作用，使化学反应达到分解目的。这种新型HDF将光电催化与新兴的吸湿水凝胶结合在一起。其中金属基水凝胶具有超高的吸水率，保证了水-氢的持续转化如前所述，水凝胶被两个电极夹在中间，充当有效的电解质。将催化剂同空气集水材料耦合，实现了将原时资源产能的愿景，即人工光催化系统的质量和能量输入只有大气中的水和太阳能，而这两种能源都是天然的，而且无处不在。但是这类体系的能量转化效率都较低(～1％)。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种耦合的光伏电解水原时制氢系统及其使用方法，该系统提高了制氢效率、能源转化和利用效率，具有环保、节能、可持续性等优点，实现在特定环境中集水产能、从集水到产能的一体化、改善我国氢能生产技术处于瓶颈期这一现状等技术问题；该使用方法能够实现原时自驱动制氢，实现将大气集水技术与能量收集/转换技术相耦合以集水储能的双重目标。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，包括从上向下依次设置的空气集水子系统、制氢子系统及光伏发电子系统；

其中，所述制氢子系统位于空气集水子系统下方，空气集水子系统与制氢子系统相连通，制氢子系统与发电子系统，利用空气集水子系统集得的水流入制氢子系统内，在光伏发电子系统提供的电能作用下，在制氢子系统中进行电解水制氢反应。

进一步的，空气集水子系统包括集水箱，集水箱顶部设置有冷凝板，冷凝板通过冷凝板支架与集水箱外壁相连，集水箱内底部设置有吸水材料，吸水材料上开设有通孔，吸水材料上设置有集水槽隔板和集水槽中央隔板，集水槽隔板与集水槽内壁平行设置，并且集水槽中央隔板设置在集水槽隔板与集水槽内壁之间，集水槽隔板和集水槽中央隔板垂直设置，集水槽中央隔板将集水槽隔板与集水槽内壁之间的空间分割为两个空腔，每个空腔底部设置有集水槽出水管，集水槽出水管与制氢子系统相连。

进一步的，制氢子系统包括电解槽，电解槽包括底板以及设置在底板上的电解槽外壁，电解槽外壁顶部设置有电解槽上盖板，电解槽上盖板上开设有电解槽进水口，电解槽进水口与集水槽出水管相连；

电解槽外壁顶部设置有电解槽上盖板支撑板，电解槽上盖板设置在电解槽上盖板支撑板上。

进一步的，电解槽的底板上设置有用于放置电极片的正负电极接口，电解槽的两端的电解槽外壁上均开设有电解槽出气口和电解槽打针孔；光伏发电子系统包括太阳能板，太阳能板与电极片相连。

进一步的，集水槽出水管下方设置有开关。

进一步的，集水箱底部设置有支架，支架包括左右支架、前支架以及后支架，前支架以及后支架平行设置，左右支架与前支架相连，并且左右支架与前支架垂直设置；前支架下方开设有用于调节开关的长方形口。

进一步的，左右支架上均开设有一个方形槽，方形槽大小与电解槽外壁的左右两端面大小相等。

进一步的，集水槽内设置有压力传感器，并且压力传感器与数控开关相连，数控开关与开关相连。

进一步的，集水箱顶部设置有冷凝板支架，冷凝板设置在冷凝板支架上；冷凝板倾斜设置；集水箱内底部设置有吸水材料支架，吸水材料设置在吸水材料支架上；集水槽隔板位于吸水材料的通孔的一侧。

一种基于如上所述的耦合的光伏电解水原时制氢系统的使用方法，包括以下步骤：

1)将吸水材料设置于吸水材料支架上，吸水材料所吸的水在阳光热能作用下蒸发并碰触到冷凝板上，冷凝成水珠沿集水箱外壁均匀流入集水槽并被集水槽隔板均匀隔开；

2)通入氩气吹扫电解槽，排出空气；

3)打开开关，使集水箱集得的水进入到电解槽内，并落到正负电极接口处与光伏发电子系统相连的电极片上，发生电解水制氢反应，实现光伏电解水原时制氢。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过将空气集水子系统、制氢子系统与光伏发电子系统有效耦合起来，实现将大气集水技术与能量收集/转换技术相耦合以集水储能的双重目标。该系统提高了制氢效率、能源转化和利用效率，具有环保、节能、可持续性等优点，是一种理想的氢能源获取方式。系统应用十分广泛，可运用在沙漠等极端干燥环境，也可运用于海边等潮湿环境，实现了能源的高效利用。

附图说明

图1为本发明的基于空气集水-制氢板块耦合的光伏电解水原时制氢系统的结构示意图；

图2为空气集水子系统的侧视图及剖视图；其中，(a)为空气集水子系统的侧视图；(b)为沿图(a)中D-D线的剖视图；

图3为空气集水子系统的正视图；

图4为空气集水子系统的侧视图。

图5为电解槽的俯视图和剖视图；其中，(a)为俯视图，(b)为沿图(a)中A-A方向的剖面图；

图6为电解槽盖板示意图。其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图7为本发明的系统的整体布局平面示意图。

图8为本发明的光伏电解水原时制氢系统的立体图。

图中，1-空气集水子系统；2-给制氢子系统；3-光伏发电子系统；101-冷凝板支架；102-冷凝板；103-后支架；104-吸水材料支架；105-集水箱外壁；106-集水槽隔板；107-集水槽中央隔板；108-集水槽出水管；109-左右支架；110-前支架；111-开关；201-电解槽进水口；202-电解槽上盖板；203-电解槽出气口；204-电解槽打针孔；205-正负电极接口；206-上盖板支撑板；207-电解槽外壁。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1-图8所示，一种基于空气集水-制氢板块耦合的光伏电解水原时制氢系统，包括从上向下依次设置的空气集水子系统1、制氢子系统2及光伏发电子系统3。其中，所述制氢子系统2位于空气集水子系统1下方，空气集水子系统1与制氢子系统2可通过软管或数控设备连接，实现集水制氢一体化。利用空气集水子系统1集得的水的自驱动定向流入制氢子系统2内，光伏发电子系统3利用太阳能给制氢子系统2提供电能，在制氢子系统2中进行电解水制氢反应。

参见图1、图2、图3和图4，所述空气集水子系统1包括集水箱，集水箱顶部设置有冷凝板支架101，冷凝板支架101上设置有冷凝板102，具体的，冷凝板102通过冷凝板支架101与集水箱外壁105相连，冷凝板支架101和冷凝板102倾斜设置，冷凝板102上冷凝的水，沿着集水箱外壁105流下来。集水箱内底部设置有吸水材料支架104，吸水材料支架104可根据吸水材料的形状大小而改变。吸水材料支架104上设置有吸水材料，吸水材料中部开设有圆形孔，吸水材料上设置有集水槽隔板106和集水槽中央隔板107，集水槽隔板106与集水槽内壁平行设置，并且集水槽中央隔板107设置在集水槽隔板106与集水槽内壁之间，并且集水槽隔板106和集水槽中央隔板107垂直设置，集水槽中央隔板107将集水槽隔板106与集水槽内壁之间的空间分割为两个空腔，每个空腔底部设置有集水槽出水管108，集水槽出水管108下方设置有用于控制水流大小的控制开关111。

吸水材料用于吸收下方流通空气中的水蒸气，吸水材料中部开设的圆形孔的目的为扩大吸水材料与空气接触面积，提高集水率。吸水材料吸收的水在光照下蒸发上升，在冷凝板102上冷凝并流入集水槽中，并因集水槽中央隔板107，使得集得的水可分别经集水槽出水管108进入制氢子系统2中的正负电极。

所述冷凝板102采用铝制吹胀式蒸发板，位于冷凝板支架101之上，且与水平面成一定度数倾斜放置，以便于凝结的水能顺利流入集水槽。

参见图8，集水箱底部设置有支架，并由支架支撑，支架包括左右支架109、前支架110以及后支架103，前支架110以及后支架103平行设置，左右支架109与前支架110相连，并与前支架110垂直设置。

前支架110下方开有长方形口，方便调节出水口处的开关111，开关111可以是手动简易开关控制水流大小或反应进行时间，也可由数控开关控制。

集水槽内适当位置设置有压力传感器，并且压力传感器与数控开关相连，数控开关与开关111。数控开关与开关111位于输水管道上，当水量达到一定量时，数控开关与开关111即可自动控制开关打开，水流入电解槽，在电极和太阳能板联合作用下达到原时制氢。

参见图5，制氢子系统2包括电解槽，电解槽为长方体状，电解槽包括底板以及设置在底板上的电解槽外壁207，电解槽外壁207顶部设置有电解槽上盖板支撑板206，电解槽上盖板支撑板206上设置有电解槽上盖板202，电解槽上盖板202上开设有两个孔，两个孔对称设置，作为电解槽进水口201。

电解槽进水口201与集水槽出水管108大小形状相同，且在竖直方向对齐，即位于同一直线上，电解槽进水口201与集水槽出水管108相连通，开关111设置在电解槽进水口201与集水槽出水管108之间。电解槽中间安装质子交换膜将电解槽分为左右两个空腔，用以将与电解槽内电极相连的电线带到装置外与光伏发电子系统3相连。光伏发电子系统3给电极供电，水在正负极上发生电解反应生成氢气。

电解槽的底板上设置有两个大小相等的圆形正负电极接口205，一个正负电极接口208上固定有性能优良的正电极片，另一个正负电极接口208上固定有性能优良的负电极片，所述正负电极接口205即为正负电极板所处位置，通过正负电极接口205使得正负电极板得以接电。

电解槽的两端的电解槽外壁207上均开设有电解槽出气口203和电解槽打针孔204，电解槽出气口203位于电解槽打针孔204上方。

所述集水槽出水管108、电解槽进水口201以及电解槽出气口203均与一个与其尺寸相匹配的短气体管道固定相连(固定方式可为焊接或胶粘等)，电解槽打针孔204通过热熔胶连接一个与其尺寸相配的橡胶软管(短气体管道与橡胶软管均连接在装置外侧)。

左右支架109上均开设有一个方形槽，方形槽大小与电解槽外壁207的左右两端面大小相等，电解槽通过方形槽能够进入到集水箱下方。

所述空气集水子系统1与制氢子系统2中所包含的全部部件，除冷凝板102外，其他部件的材质均为亚克力板。

所述吸水材料可选用由木质纤维合成材料，在光照下具有极强的吸水性能，在沙漠环境下表现性能良好，使得本装置在沙漠等湿度低的环境下工作良好。

所述光伏发电子系统3包括太阳能板、阳极通电线和阴极通电线，所述阳极通电线和阴极通电线将太阳能板与正负电极接口205连接，太阳能板将光能转化为电能，通过阳极通电线供给制氢子系统2使用。

光伏发电子系统3包括太阳能板，太阳能板与电极片相连。自定义时间段，通过电解槽打针孔204进行气体取样，然后通过气相色谱仪进行分析检测。

所述太阳能板的规格为9V、3W。

一种基于空气集水-制氢板块耦合的光伏电解水原时制氢系统的使用方法，具体包括以下步骤：

1)将选中的吸水材料设置于吸水材料支架104上，吸水材料所吸的水在阳光热能作用下蒸发并碰触到冷凝板102上，冷凝成水珠沿集水箱外壁105均匀流入集水槽被集水槽隔板106均匀隔开。

2)同时，在正式制氢前，在正负电极接口205上固定放入性能优良的电极片，并做密封处理，外连太阳能板，利用阳光给太阳能板充电以电解制得水。

3)在电解槽出气口203通入惰性气体(氩气)吹扫5-10分钟以排出空气，吹气完毕后关闭电解槽出气口203的阀门，并进行密封处理后，检查密闭性；将电解槽打针孔204封闭，保持电解槽的气密性。

安装集水槽出水管108和电解槽进水口201之间输水软管上的开关111。

4)控制集水槽出水管108和电解槽进水口201之间输水软管上的开关111，使集得的水由电解槽进水口201进入到电解槽内，并落到正负电极接口上的电极片上发生电解水制氢反应，分别在电解槽两侧产生氢气和氧气。关闭集水槽出水管108和电解槽进水口201之间输水软管上的开关111，打开太阳能板电源开关。

5)自定义打针时间，在电解槽打针孔204打针，通过色谱分析检测抽样检测氢气的产生情况，在达到一定量后打开电解槽出气口203的阀门，于电解槽出气口203收集到外接的集气装置内，以供后续使用。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，包括从上向下依次设置的空气集水子系统(1)、制氢子系统(2)及光伏发电子系统(3)；

其中，所述制氢子系统(2)位于空气集水子系统(1)下方，空气集水子系统(1)与制氢子系统(2)相连通，制氢子系统(2)与发电子系统(3)，利用空气集水子系统(1)集得的水流入制氢子系统(2)内，在光伏发电子系统(3)提供的电能作用下，在制氢子系统(2)中进行电解水制氢反应。

2.根据权利要求1所述的一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，空气集水子系统(1)包括集水箱，集水箱顶部设置有冷凝板(102)，冷凝板(102)通过冷凝板支架(101)与集水箱外壁(105)相连，集水箱内底部设置有吸水材料，吸水材料上开设有通孔，吸水材料上设置有集水槽隔板(106)和集水槽中央隔板(107)，集水槽隔板(106)与集水槽内壁平行设置，并且集水槽中央隔板(107)设置在集水槽隔板(106)与集水槽内壁之间，集水槽隔板(106)和集水槽中央隔板(107)垂直设置，集水槽中央隔板(107)将集水槽隔板(106)与集水槽内壁之间的空间分割为两个空腔，每个空腔底部设置有集水槽出水管(108)，集水槽出水管(108)与制氢子系统(2)相连。

3.根据权利要求2所述的一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，制氢子系统(2)包括电解槽，电解槽包括底板以及设置在底板上的电解槽外壁(207)，电解槽外壁(207)顶部设置有电解槽上盖板(202)，电解槽上盖板(202)上开设有电解槽进水口(201)，电解槽进水口(201)与集水槽出水管(108)相连；

电解槽外壁(207)顶部设置有电解槽上盖板支撑板(206)，电解槽上盖板(202)设置在电解槽上盖板支撑板(206)上。

4.根据权利要求3所述的一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，电解槽的底板上设置有用于放置电极片的正负电极接口(205)，电解槽的两端的电解槽外壁(207)上均开设有电解槽出气口(203)和电解槽打针孔(204)；光伏发电子系统(3)包括太阳能板，太阳能板与电极片相连。

5.根据权利要求2所述的一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，集水槽出水管(108)下方设置有开关(111)。

6.根据权利要求5所述的一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，集水箱底部设置有支架，支架包括左右支架(109)、前支架(110)以及后支架(103)，前支架(110)以及后支架(103)平行设置，左右支架(109)与前支架(110)相连，并且左右支架(109)与前支架(110)垂直设置；前支架(110)下方开设有用于调节开关(111)的长方形口。

7.根据权利要求5所述的一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，左右支架(109)上均开设有一个方形槽，方形槽大小与电解槽外壁(207)的左右两端面大小相等。

8.根据权利要求5所述的一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，集水槽内设置有压力传感器，并且压力传感器与数控开关相连，数控开关与开关(111)相连。

9.根据权利要求2所述的一种耦合的光伏电解水原时制氢系统，其特征在于，集水箱顶部设置有冷凝板支架(101)，冷凝板(102)设置在冷凝板支架(101)上；冷凝板(102)倾斜设置；集水箱内底部设置有吸水材料支架(104)，吸水材料设置在吸水材料支架(104)上；集水槽隔板(106)位于吸水材料的通孔的一侧。

10.一种基于权利要求4所述的耦合的光伏电解水原时制氢系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将吸水材料设置于吸水材料支架(104)上，吸水材料所吸的水在阳光热能作用下蒸发并碰触到冷凝板(102)上，冷凝成水珠沿集水箱外壁(105)均匀流入集水槽并被集水槽隔板(106)均匀隔开；

2)通入氩气吹扫电解槽，排出空气；

3)打开开关(111)，使集水箱集得的水进入到电解槽内，并落到正负电极接口处与光伏发电子系统(3)相连的电极片上，发生电解水制氢反应，实现光伏电解水原时制氢。