CN116752161A - 一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，包括：光伏光热子系统、膜蒸馏子系统、界面蒸发子系统、电解水制氢子系统、储氢子系统、储氧子系统和燃料电池发电子系统；光伏光热子系统的电路输出端与膜蒸馏子系统连接；光伏光热子系统的冷却水输出端与恒温水箱相连；恒温水箱与膜蒸馏子系统连接；膜蒸馏子系统和界面蒸发子系统均通过冷凝水箱与电解水制氢子系统连接；电解水制氢子系统输出端分别与储氢子系统、储氧子系统和燃料电池发电子系统连接，电解水制氢子系统水输出端与冷凝水箱相连；燃料电池发电子系统冷却水输出端与冷凝水箱相连，燃料电池发电子系统电力输出端与蓄电池相连；蓄电池输出端与电解水制氢子系统连接。

Description

一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统
技术领域
本发明属于可再生能源电解水工业制氢技术领域，尤其涉及一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统。
背景技术
目前，光伏-质子交换膜电解水已经初步有文献进行报道，现有技术中有将光伏制氢与燃料电池热电联产系统结合，加入控制器作为智能监控模块，实现了光伏发电、电解水制氢和燃料电池发电工艺的耦合，但系统采用光伏电解槽间接连接的复杂方式，没用充分利用循环水，造成淡水资源浪费。现有技术中有太阳能电解海水制备氢气和氧气的系统包括光伏发电系统、电解水系统、储氢系统和除氧系统，光伏发电为电解槽提供电解电源，电解产生氢气和氧气经加压后在储气罐内储存。但系统仅将光伏电解海水制氢储存工艺耦合，虽然采用直接电解海水的方式，但没用充分进行系统光热及循环水的余热利用。现有技术中有多系统耦合的热电水联供系统，包括太阳能系统、水电解槽系统、燃料电池系统、热泵系统和膜蒸馏系统；系统中太阳能系统和燃料电池系统为用户提供电能和热能；水电解槽系统利用太阳能系统提供的电能制取氢气，提供给燃料电池系统；热泵系统与膜蒸馏系统耦合利用太阳能系统和燃料电池系统的热量制取可饮用淡水。该系统实现了太阳能光伏光热利用、电解水制氢、燃料电池发电、膜蒸馏和热泵工艺耦合，但是系统不能够解决解决质子交换膜电解槽制氢耗水量大的问题。现有技术中有太阳能发电供能的质子交换膜PEM电解水制氢系统，该系统包括光伏发电模块、制氢模块、燃料电池模块和控制模块。系统中太阳能光伏发电通过MPPT控制器和蓄电池充放电为电解槽提供电解电源，电解产生氢气和氧气通过燃料电池模块转化成电能和冷却水。该系统实现了光伏发电、电解水制氢和燃料电池发电工艺的耦合，但是系统不足之处在于没有考虑质子交换膜电解水制氢的水质要求和用水量需求。事实上，光伏电解水制氢系统仍存在问题有待解决。(1)目前系统多采用间接连接的方式，系统复杂，增加了设备的投资费用和设备运行能耗；(2)光伏发电产生的热量未在系统中得到充分利用；(3)质子交换膜电解水制氢耗水量大、电解水质要求高，制取1公斤氢气理论上需要消耗9公斤纯净水，实际上需要将近消耗40公斤纯净水，在沿海和水资源丰富地区可提供充足水源满足上述需求，但在风光资源充足而干旱缺水的地区严重限制了光伏质子交换膜电解水制氢技术大规模发展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，通过太阳能光伏光热技术直接耦合质子交换膜电解水电解槽获得直流电流，利用膜蒸馏和界面蒸发技术提供电解水所需的纯净水源，结合水-热-气-电循环利用解决光伏质子交换膜电解水制氢技术中存在的电解耗能高、运行成本昂贵和水资源短缺等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，包括：光伏光热子系统、膜蒸馏子系统、界面蒸发子系统、电解水制氢子系统、储氢子系统、储氧子系统和燃料电池发电子系统；所述光伏光热子系统的电路输出端与所述膜蒸馏子系统连接；所述光伏光热子系统的冷却水输出端与恒温水箱相连；所述恒温水箱与所述膜蒸馏子系统连接；所述膜蒸馏子系统和所述界面蒸发子系统均通过冷凝水箱与所述电解水制氢子系统连接；所述电解水制氢子系统输出端分别与所述储氢子系统、所述储氧子系统和所述燃料电池发电子系统连接，所述电解水制氢子系统水输出端与所述冷凝水箱相连；所述燃料电池发电子系统冷却水输出端与所述冷凝水箱相连，所述燃料电池发电子系统电力输出端与蓄电池相连；所述蓄电池输出端与所述电解水制氢子系统连接。
可选的，所述光伏光热子系统包括储水箱、第一水泵和PVT集热器，所述储水箱、所述第一水泵和所述PVT集热器依次连接。
可选的，所述膜蒸馏子系统包括恒温水箱、第二水泵、膜蒸馏组件、第三水泵和冷凝水箱，所述膜蒸馏组件连接所述恒温水箱出水管路，将来自所述恒温水箱内苦咸水或海水输送至所述膜蒸馏组件光热疏水膜左侧的热端进料蒸发，未蒸发的苦咸水或海水在所述第二水泵的驱动下返回所述恒温水箱，所述膜蒸馏组件光热疏水膜右侧冷凝端产生冷凝水在第三水泵驱动下输送至所述冷凝水箱。
可选的，所述膜蒸馏组件为直接接触式膜蒸馏装置，其中膜材料为光热膜蒸馏工艺加工而成。
可选的，所述界面蒸发子系统包括界面蒸发装置，所述界面蒸发装置出口管路连接所述冷凝水箱，所述界面蒸发装置将光热蒸发产生水蒸气，输送至所述冷凝水箱中进行冷凝为冷凝水。
可选的，所述电解水制氢子系统包括质子交换膜电解槽，所述质子交换膜电解槽包括阴阳极端板、阴阳极流道、阴阳极多孔传输层和膜电极；所述电解水制氢子系统的工作过程包括：所述冷凝水箱出口管路连接所述质子交换膜电解槽阳极端板入口，向所述质子交换膜电解槽提供电解冷凝水；所述质子交换膜电解槽阳极端板出口连接第一气液分离器入口管路，在所述第一气液分离器内分离出所述质子交换膜电解槽阳极出口排出的冷凝水和氧气混合物；所述第一气液分离器出口管路连接所述冷凝水箱，将分离出的冷凝水再次输送至所述冷凝水箱进行循环利用，所述质子交换膜电解槽阴极氢气出口与第二电磁阀连接。
可选的，所述储氢子系统包括第二电磁阀、第二干燥器、氢气压缩机、储氢罐和第二减压阀，所述质子交换膜电解槽阴极排出的氢气一部分通过所述第二干燥器干燥后在所述氢气压缩机加压后，储存于所述储氢罐内；所述储氢罐和所述第二减压阀入口管路连接，将氢气在所述第二减压阀降压作用下输送至所述燃料电池发电子系统。
可选的，所述储氧子系统包括第一气液分离器、第一电磁阀、第一干燥器、氧气压缩机和储氧罐，所述第一气液分离器、所述第一电磁阀、所述第一干燥器、所述氧气压缩机和所述储氧罐依次连接。
可选的，所述燃料电池发电子系统包括质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜电解槽阳极与所述第一气液分离器连接，所述质子交换膜电解槽阴极与所述第二电磁阀连接，所述第一气液分离器与所述质子交换膜燃料电池阳极连接，所述第二电磁阀与所述质子交换膜燃料电池阴极连接。
本发明技术效果：本发明公开了一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，由光伏光热子系统、膜蒸馏子系统、界面蒸发子系统、电解水制氢子系统、储氢子系统和燃料电池发电子系统组成。光伏光热子系统的电路与电解水制氢子系统连接，为电解水制氢子系统提供电能，光伏光热子系统的冷却水输出端与膜蒸馏子系统连接，为膜蒸馏组件提供水蒸发驱动热源。膜蒸馏子系统和界面蒸发子系统均通过冷凝水箱与电解水制氢子系统连接，为电解水制氢子系统提供电解所需的纯净水源。电解水制氢子系统为燃料电池发电子系统提供气体发电燃料。燃料电池发电子系统为电解水制氢子系统提供电能和电解水源。实现将太阳能可再生能源转化为电能和热能，提供给电解水制氢子系统、膜蒸馏组件子系统和界面蒸发子系统，降低耗电成本，绿色环保；电解水制氢子系统以苦咸水或海水为电解水源，减少淡水资源损耗，降低制氢成本。保证制氢效率，促进电解水制氢的发展。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统图；
图2为本发明实施例二光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统图；
其中，1为PVT集热器；2为恒温水箱；3为储水箱；4为第一水泵；5为膜蒸馏组件；6为第二水泵；7为冷凝水箱；8为第三水泵；9为界面蒸发装置；10为质子交换膜电解槽；11为第一气液分离器；12为第一电磁阀；13为第一干燥器；14为氧气压缩机；15为储氧罐；16为第一减压阀；17为第二电磁阀；18为第二干燥器；19为氢气压缩机；20为储氢罐；21为第二减压阀；22为质子交换膜燃料电池；23为第二气液分离器；24为第四水泵；25为第一DC/DC转换器；26为蓄电池；27为第二DC/DC转换器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本实施例中提供一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，包括：光伏光热子系统、膜蒸馏子系统、界面蒸发子系统、电解水制氢子系统、储氢子系统、储氧子系统和燃料电池发电子系统；所述光伏光热子系统的电路输出端与所述电解槽制氢子系统连接；所述光伏光热子系统的冷却水输出端与恒温水箱相连；所述恒温水箱与所述膜蒸馏子系统连接；所述膜蒸馏子系统和所述界面蒸发子系统均通过冷凝水箱与所述电解水制氢子系统连接；所述电解水制氢子系统输出端分别与所述储氢子系统、所述储氧子系统和所述燃料电池发电子系统连接，所述电解水制氢子系统水输出端与所述冷凝水箱相连；所述燃料电池发电子系统水输出端与所述冷凝水箱相连，所述燃料电池发电子系统电力输出端与所述蓄电池相连；所述蓄电池输出端与所述电解水制氢子系统连接。
光伏光热子系统：由聚光型、光玻璃盖板型PVT集热器将太阳能光伏光热技术结合起来。PVT集热器通过DC/DC转换器与电解槽连接。产生的电能通过DC/DC转换器稳压后输送至电解槽内为水电解提供稳定直流电源，储水箱提供的常温水作为冷却介质在PVT集热器背板管路中吸收PVT集热器产生的热量，在水泵的驱动下PVT集热器流出的冷却水输送至装有苦咸水或海水的恒温水箱内进行换热，维持水箱内苦咸水或海水温度在稳定范围内，为膜蒸馏组件中提供热端进料源。随后，水泵将冷却水输送至储水箱完成循环。
膜蒸馏子系统：膜蒸馏组件为管式膜直接接触式(DCMD)组件、蒸馏膜为电纺丝法和水热技术制备超疏水混合基质纳米纤维聚四氟乙烯疏水膜(PTFE)，膜蒸馏组件疏水膜左侧流动着来自恒温水箱的苦咸水或海水，恒温水箱为膜蒸馏组件提供热端进料源，冷凝端产生的冷凝水由水泵驱动输送至冷凝水箱，作为电解槽的电解水源。
界面蒸发子系统：界面蒸发组件内装有苦咸水或海水，由太阳能光热转化驱动苦咸水或海水在光热材料界面蒸发产生蒸馏水输送至冷凝水箱作为电解水制氢水源。光热材料为Ti3C2Tx-MXenes型Co基聚偏氟乙烯复合光热膜。其中，Ti3C2Tx-MXenes由湿法刻蚀方式制作而成，Co基微纳结构利用电化学还原的方法制备，最终通过复合掺杂制备出Ti3C2Tx-MXenes型Co基聚偏氟乙烯复合光热膜。
电解水制氢子系统：采用质子交换膜电解槽电解水制氢。冷凝水箱提供的冷凝水作为制氢电解水源。通过管路从阳极入口进入质子交换膜槽，在PVT集热器或蓄电池产生的直流电为驱动下，质子交换膜电解槽阳极侧发生氧化反应产生氧气、质子和电子。阴极发生质子发生还原反应产生氢气。阳极出口未参与电化学反应的水携带氧气从阳极出口排出。阴极侧不通水，产生的氢气直接由阴极出口排出。
储氢子系统：阴极产生的氢气在电磁阀调节下，分为两路。一路经干燥器干燥，氢气压缩机加压后在储氢罐内储存。另一路直接连接氢燃料电池阳极气体入口为氢燃料电池提供发电气体燃料。
储氧子系统：阳极出口未参与电化学反应的水携带氧气从阳极出口排出。由气液分离器进行气液分离后、分离出的氧气通过电磁阀调节作用下分为两个支路，一路在干燥器中干燥后输送至氧气压缩机加压，随后在储氧罐内储存。另一支路氢燃料电池阴极气体入口提供发电气体燃料。
燃料电池发电子系统，主要装置为质子交换膜燃料电池。氢气和氧气分别输送至质子交换膜燃料电池阳极气体入口和阴极气体入口，在质子交换膜燃料电池内发生反应产生冷凝水和直流电流。阳极气体出口排出的氢气再次进入质子交换膜燃料电池阳极气体入口循环利用。在氢气不充足的情况下，储氢罐内氢气通过减压阀减压后通过输送至质子交换膜燃料电池阳极侧参与反应。质子交换膜燃料电池阴极侧排出的凝结水和氧气混合物，通过气液分离器分离后，分离出氧气再次进入质子交换膜燃料电池阴极参与循环反应。在氧气不充足的情况下，储氧罐内氧气通过减压阀减压后通过管路输送至质子交换膜燃料电池阴极侧参与反应。分离出的冷凝水由水泵输送至冷凝水箱作为质子交换膜电解槽的电解水源。质子交换膜燃料电池产生的电能经DC/DC稳压后通过线路在蓄电池内进行储存。
实施例一
如图1所示，光伏光热子系统：由储水箱3、第一水泵4和PVT集热器1依次连接组成。由储水箱3内储存来自市政管网的自来水。在第一水泵4的驱动下，水进入PVT集热器1内吸收PVT集热器1光-热转换的热量，实现PVT集热器冷却，提高PVT集热器光电和光热转换效率。流出PVT集热器的水温度维持在40-80℃左右。流出PVT集热器的冷却水在恒温水箱2盘管内与盘管外苦咸水或海水进行换热，保证恒温水箱2内苦咸水或海水温度维持在60℃左右。随后，与恒温水箱2换热后的冷却水输送回储水箱3。PVT集热器1产生的电能通过第一DC/DC转换器25进行稳压后通过电路与蓄电池26和质子交换膜电解槽10连接，提供直流电源。膜蒸馏子系统由恒温水箱2、第二水泵6、膜蒸馏组件5、第三水泵8和冷凝水箱7组成：膜蒸馏组件5为直接接触式膜蒸馏装置，膜材料为光热膜蒸馏工艺加工而成。膜蒸馏组件5连接恒温水箱2出水管路，将来自恒温水箱2内苦咸水或海水输送至膜蒸馏组件5光热疏水膜左侧的热端进料，热端进料苦咸水温度在60℃左右。经过蒸发吸热后从膜蒸馏组件5在第二水泵6的驱动下热端出料返回恒温水箱2。光热疏水膜右侧蒸发生成的冷凝水温度为40℃左右，在第三水泵8驱动下输送至冷凝水箱7。界面蒸发子系统主要由装有常温苦咸水或海水的界面蒸发装置9组成。界面蒸发装置9出口管路连接冷凝水箱7。界面蒸发装置9将太阳能光热蒸发产生水蒸气输送至冷凝水箱7中进行冷凝为冷凝水。电解水制氢子系统：水电解槽为质子交换膜电解槽10。由阴阳极端板、阴阳极流道、阴阳极多孔传输层和膜电极组成。阴极仅排出氢气。冷凝水箱7出口管路连接质子交换膜电解槽10阳极端板入口，向质子交换膜电解槽10提供电解水源。质子交换膜电解槽10阳极端板出口连接第一气液分离器11入口管路，在第一气液分离器11内分离出质子交换膜电解槽10阳极出口排出的冷凝水和氧气混合物。第一气液分离器11出口管路连接冷凝水箱7，将分离出的冷凝水再次输送至冷凝水箱7进行循环利用。质子交换膜电解槽10阴极氢气出口与第二电磁阀17连接。储氢子系统：第二电磁阀17出口支路连接第二干燥器18、氢气压缩机19和储氢罐20。质子交换膜电解槽10阴极排出的氢气一部分通过干燥器18赶在后在氢气压缩机19加压后，在储氢罐内20储存。储氢罐内20和第二减压阀21入口管路连接，将氢气在减压阀21降压作用下输送至质子交换膜燃料电池22。储氧子系统：由第一气液分离器11、第一电磁阀12、第一干燥器13、氧气压缩机14、储氧罐15依次连接组成。由第一气液分离器11分离出的氧气，通过第二电磁阀12与干燥器13连接，在第一干燥器13中干燥氧气中的残留水蒸气，干燥的氧气输送至氧气压缩机14内进行加压提高氧气压力。氧气压缩机14连接储氧罐15入口管路，将加压后的氧气输送至储氧罐内15进行储存。氧气压缩机11管路和第一减压阀16入口管路，储存电解槽产生的氧气，将氧气在第一减压阀16降压作用下输送至质子交换膜燃料电池22。燃料电池发电子系统，主要装置为质子交换膜燃料电池22，质子交换膜电解槽10产生的氧气和氢气通过第一电磁阀12和第二电磁阀17分别直接与质子交换膜燃料电池22阴极入口管路和阳极入口管路相连接，在质子交换膜燃料电池发生电化学反应产高温冷凝水和直流电流。未参与反应的氢气再次进入质子交换膜燃料电池22阳极气体入口循环利用。在氢气不充足的情况下，储氢罐20内氢气通过第二减压阀21减压后通过管路输送至质子交换膜燃料电池阳极侧参与反应。在氧气不充足的情况下，储氧罐内氧气通过第一减压阀16减压后通过管路输送至质子交换膜燃料电池22阴极侧参与反应。质子交换膜燃料电池22阴极侧排出的凝结水和氧气混合物，通过第二气液分离器23分离后，分离出氧气再次进入质子交换膜燃料电池21阴极参与循环反应。分离出的冷凝水由第四水泵24输送至冷凝水箱7内作为质子交换膜电解槽10的电解水源。质子交换膜燃料电池22产生的电能经过通过线路在蓄电池26内进行储存。
第一电磁阀12：包括第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口，所述第一连接端口与质子交换膜电解槽10氧极出口管路连接、第一连接端口与连接第一气液分离器11出口，所述第二连接端口与第一干燥器13入口管路，所述第三连接端口质子交换膜燃料电池22阴极入口管路连接，控制输送至质子交换膜燃料电池和干燥器的氧气流量分配。初始阶段，在储氧罐内氧气量在储氧罐安全承受范围内，所述第三连接端口关闭，所述第一、二路联通，只进行储氧。待达到储氧罐最大安全承受范围。所述第一、三连接端口开启，第二支路关闭，只向质子交换膜燃料电池供氢。
第二电磁阀17：包括第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口，所述第一连接端口与质子交换膜电解槽10阴极出口管路连接、所述第二连接端口与第二干燥器18入口管路连接，所述第三连接端口与质子交换膜燃料电池22阳极入口管路连接。所述三通阀控制控制输送至燃料电池22和第二干燥器18的氧气流量分配。初始阶段，在储氢罐内氢气量在储氢罐的安全承受范围内，所述第三连接端口关闭，所述第一、三路连通，只进行储氢。待达到储氧罐最大安全承受范围。所述第一、三连接端口开启，第二支路关闭，只向燃料电池供氢。
第一减压阀16：连接储氧罐15出口和质子交换膜燃料电池22阴极进口管路，待储氧罐向质子交换膜燃料电池22供氧时，起降低储氧瓶排出氧气压力作用。
第二减压阀21：连接储氢罐20出口和质子交换膜燃料电池22阴极进口管路，待储氢罐向质子交换膜燃料电池22供氢时，起降低储氢瓶排出的氧气压力作用。
储水箱3：储存普通自来水、温度维持在常温。
恒温水箱2：储存苦咸水或海水，内设盘管和温控装置。由PVT集热器1冷却水在恒温水箱2盘管内加热苦咸水，维持恒温水箱2内苦咸水温度在60℃左右。
冷凝水箱7：水源来自四部分，膜蒸馏组件5产生的冷凝水，界面蒸发装置9蒸发产生的冷凝水、质子交换膜电解槽10阳极回水和质子交换膜燃料电池22阴极产生的冷凝水。
PVT集热器1通过导线依次连接第一DC/DC转换器25和蓄电池26，质子交换膜燃料电池22通过导线依次连接第二DC/DC转换器27和蓄电池26。光照强度充足时，PVT集热器1产生的电能通过DC/DC转换器后，一部分电能输送至蓄电池26内进行储存，另一部电能输送至质子交换膜电解槽10内作为水电解的驱动电源。质子交换膜燃料电池22产生的电能经过第二DC/DC转换器27稳压后在蓄电池26内进行充电储存。光照强度不充足时，PVT集热器1无法提供充足电能，蓄电池26连接质子交换膜电解槽10电路，通过放电为质子交换膜电解槽10提供水电解驱动电源。冷凝水箱7作为电解水源。界面装置停止使用。此时，冷凝水箱7内冷凝水由膜蒸馏组件产生的冷凝水、质子交换膜电解槽阳极回水和质子交换膜燃料电池阴极产生的冷凝水共同组成。
当储氢罐20的氢气压力和储氧罐15内的氧气压力未达到最大允许装载压力时，第一电磁阀12、第二电磁阀17第三管路全部关闭，质子交换膜电解槽10产生的氢气和氧气全部进行储存。
当储氢罐20和储氧罐15内的氢气和氧气压力达到储氢罐20和储氧罐15最大允许装载压力时，第一电磁阀12、第二电磁阀17第三管路开启，第二管路全部关闭，不在进行储存氢气和氧气。输送至质子交换膜燃料电池22进行发电，并在蓄电池26内储存。
当质子交换膜电解槽10产生的氢气和氧气量不足与质子交换膜燃料电池22参与反应时，打开第一减压阀16和第二减压阀21，由储氢罐20和储氧罐15内氢气和氧气输送至质子交换膜燃料电池22发电，产生的冷凝水输送至冷凝水箱7进行储存，作为质子交换膜电解水制氢的水源。
实施例二
如图2所示，光伏光热子系统：由储水箱3、第一水泵4和PVT集热器1依次连接组成。与图1系统区别在于供水模式发生改变，储水箱3为维持在常温25℃左右的纯净水。在第一水泵4的驱动下，储水箱3内纯净水进入PVT集热器1内吸收PVT集热器1光热转换的热量后，流出PVT集热器的纯净水温度维持在40-80℃左右。通过管路流入了冷凝水箱7，直接作为质子交换膜电解槽10的电解水源一部分。膜蒸馏子系统由装有苦咸水或海水的恒温水箱2、第二水泵6、膜蒸馏组件5、第三水泵8和冷凝水箱7组成；膜蒸馏组件5连接恒温水箱2出水管路，将来自恒温水箱2内的苦咸水或海水输送至膜蒸馏组件5光热疏水膜左侧的热端进料，热端进料苦咸水或海水温度在60℃左右。经过蒸发吸热后从膜蒸馏组件5在第二水泵6的驱动下热端出料返回恒温水箱2。光热疏水膜右侧蒸发生成的冷凝水温度为40℃左右，在第三水泵8驱动下输送至冷凝水箱7，作为质子交换膜电解槽10的电解水源一部分。界面蒸发子系统：界面蒸发装置9内装有常温苦咸水或海水，由太阳能光热转化驱动苦咸水或海水在光热材料界面蒸发产生蒸馏水输送至冷凝水箱作为电解水制氢水源。电解水制氢子系统：水电解槽为质子交换膜电解槽10。由阴阳极端板、阴阳极流道、阴阳极多孔传输层和膜电极组成。阴极仅排出氢气。冷凝水箱7出口管路连接质子交换膜电解槽10阳极端板入口，向质子交换膜电解槽10提供电解水源。质子交换膜电解槽10阳极端板出口连接第一气液分离器11入口管路，在第一气液分离器11内分离出质子交换膜电解槽10阳极出口排出的水和氧气混合物。第一气液分离器11出口管路连接恒温水箱2，将分离出的冷凝水再次输送至恒温水箱2的盘管内与恒温水箱2内苦咸水进行换热，保证恒温水箱2内苦咸水温度维持在60℃左右。随后，与恒温水箱2换热降温后的水输送回储水箱3作为PVT集热器1冷却水再次循环利用。质子交换膜电解槽10阴极氢气出口与第二电磁阀17进口管路连接。储氢子系统：第二电磁阀17出口支路连接第二干燥器18、氢气压缩机19和储氢罐20。质子交换膜电解槽10阴极排出的氢气一部分通过第二干燥器18赶在后在氢气压缩机19加压后，在储氢罐内20储存。储氢罐内20和第二减压阀21入口管路连接，将氢气在第二减压阀21降压作用下输送至质子交换膜燃料电池22。储氧子系统：由第一气液分离器11、第一电磁阀12、第一干燥器13、氧气压缩机14、储氧罐15依次连接组成。由第一气液分离器11分离出的氧气，通过第一电磁阀12与第一干燥器13连接，在第一干燥器13中干燥氧气中的残留水蒸气，干燥的氧气输送至氧气压缩机14内进行加压提高氧气压力。氧气压缩机14连接储氧罐15入口管路，将加压后的氧气输送至储氧罐15进行储存。氧气压缩机11管路和第一减压阀16入口管路，储存电解槽产生的氧气，将氧气在第一减压阀16降压作用下输送至质子交换膜燃料电池22。燃料电池发电子系统：主要装置为质子交换膜燃料电池22，质子交换膜电解槽10阳极产生的氧气通过第一电磁阀12与质子交换膜燃料电池22阴极入口管路连接，质子交换膜电解槽10阴极产生的氢气通过第二电磁阀17和质子交换膜燃料电池22阳极入口管路连接，在质子交换膜燃料电池发生电化学反应产高温冷凝水和直流电流。未参与反应的氢气再次进入质子交换膜燃料电池22阳极气体入口循环利用。在氢气不充足的情况下，储氢罐20内氢气通过第二减压阀21减压后通过管路输送至质子交换膜燃料电池22阳极侧参与反应。氧气不充足情况下，储氧罐内氧气通过第一减压阀16减压后通过管路输送至质子交换膜燃料电池22阴极侧参与反应。质子交换膜燃料电池22阴极侧排出的冷凝水和氧气混合物，通过第二气液分离器23分离后，分离出氧气再次进入质子交换膜燃料电池22阴极参与循环反应。从通过第二气液分离器23分离出的冷凝水输送至恒温水箱2的盘管内与恒温水箱2内的苦咸水或海水进行换热，保证恒温水箱2内的苦咸水或海水温度维持在60℃左右。质子交换膜燃料电池22产生的电能经过第二DC/DC转换器27稳压后通过线路在蓄电池26内进行储存。
恒温水箱2：储存苦咸水或海水，内设盘管和温控装置。由质子交换膜电解槽10阳极回水和质子交换膜燃料电池22产生的阴极产生的冷凝水组成。储水箱3：储存纯净水、温度维持在常温。由质子交换膜电解槽10阳极回水和质子交换膜燃料电池22产生的阴极产生的冷凝水组成。冷凝水箱7：水源来自三部分，膜蒸馏组件5产生的冷凝水，界面蒸发装置9产生的冷凝水和PVT集热器1的冷却水。
白天光照充足时，PVT集热器1产生的电能由第一DC/DC转换器25稳压后通过导线连接蓄电池26进行充电储存。质子交换膜燃料电池22产生的电能由第二DC/DC转换器27稳压后通过导线连接蓄电池26进行充电储存。当光照不充足PVT集热器1无法提供充足电能时，蓄电池26直接连接质子交换膜电解槽10，通过放电为质子交换膜电解槽10提供水电解驱动电源。冷凝水箱7作为电解水源。界面蒸发装置9停止使用。此时，冷凝水箱7内水主要由膜蒸馏组件5产生的冷凝水提供。储氧罐15的氧气和储氢罐20的氢气压力未达到储氢罐15和储氧罐20最大允许装载压力时，第一电磁阀12、第二电磁阀17第三管路关闭，质子交换膜电解槽10产生的氢气和氧气全部进行储存。当储氢罐20的氢气和储氧罐15的氧气压力达到最大允许装载压力时，第二电磁阀12、第二电磁阀17第三管路开启，第二管路关闭，质子交换膜电解槽10产生的氢气和氧气不再进行储存，输送至质子交换膜燃料电池22发电，质子交换膜燃料电池22产生的电能在蓄电池26内储存，产生的冷凝水输送至恒温水箱2与恒温水箱2中苦咸水或海水换热后，输送至储水箱3作为PVT集热器1的冷却水。当质子交换膜电解槽10产生的氢气和氧气量不足以质子交换膜燃料电池22反应时，打开第一减压阀16和第二减压阀21，将储氢罐20和储氧罐15内氢气和氧气减压后输送至质子交换膜燃料电池22发电，产生的冷凝水输送恒温水箱2，在与恒温水箱2中苦咸水或海水换热后，输送至储水箱3作为PVT集热器1的冷却水。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，包括：光伏光热子系统、膜蒸馏子系统、界面蒸发子系统、电解水制氢子系统、储氢子系统、储氧子系统和燃料电池发电子系统；所述光伏光热子系统的电路输出端与所述膜蒸馏子系统连接；所述光伏光热子系统的冷却水输出端与恒温水箱相连；所述恒温水箱与所述膜蒸馏子系统连接；所述膜蒸馏子系统和所述界面蒸发子系统均通过冷凝水箱与所述电解水制氢子系统连接；所述电解水制氢子系统输出端分别与所述储氢子系统、所述储氧子系统和所述燃料电池发电子系统连接，所述电解水制氢子系统水输出端与所述冷凝水箱相连；所述燃料电池发电子系统冷却水输出端与所述冷凝水箱相连，所述燃料电池发电子系统电力输出端与蓄电池相连；所述蓄电池输出端与所述电解水制氢子系统连接。
2.如权利要求1所述的一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，所述光伏光热子系统包括储水箱(3)、第一水泵(4)和PVT集热器(1)，所述储水箱(3)、所述第一水泵(4)和所述PVT集热器(1)依次连接。
3.如权利要求1所述的一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，所述膜蒸馏子系统包括恒温水箱(2)、第二水泵(6)、膜蒸馏组件(5)、第三水泵(8)和冷凝水箱(7)，所述膜蒸馏组件(5)连接所述恒温水箱(2)出水管路，将来自所述恒温水箱(2)内苦咸水或海水输送至所述膜蒸馏组件(5)光热疏水膜左侧的热端进料蒸发，未蒸发的苦咸水或海水在所述第二水泵(6)的驱动下返回所述恒温水箱(2)，所述膜蒸馏组件(5)光热疏水膜右侧冷凝端产生冷凝水在第三水泵(8)驱动下输送至所述冷凝水箱(7)。
4.如权利要求3所述的一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件(5)为直接接触式膜蒸馏装置，其中膜材料为光热膜蒸馏工艺加工而成。
5.如权利要求3所述的一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，所述界面蒸发子系统包括界面蒸发装置(9)，所述界面蒸发装置(9)出口管路连接所述冷凝水箱(7)，所述界面蒸发装置(9)将光热蒸发产生水蒸气，输送至所述冷凝水箱(7)中进行冷凝为冷凝水。
6.如权利要求5所述的一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，所述电解水制氢子系统包括质子交换膜电解槽(10)，所述质子交换膜电解槽(10)包括阴阳极端板、阴阳极流道、阴阳极多孔传输层和膜电极；所述电解水制氢子系统的工作过程包括：所述冷凝水箱(7)出口管路连接所述质子交换膜电解槽(10)阳极端板入口，向所述质子交换膜电解槽(10)提供电解冷凝水；所述质子交换膜电解槽(10)阳极端板出口连接第一气液分离器(11)入口管路，在所述第一气液分离器(11)内分离出所述质子交换膜电解槽(10)阳极出口排出的冷凝水和氧气混合物；所述第一气液分离器(11)出口管路连接所述冷凝水箱(7)，将分离出的冷凝水再次输送至所述冷凝水箱(7)进行循环利用，所述质子交换膜电解槽(10)阴极氢气出口与第二电磁阀(17)连接。
7.如权利要求6所述的一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，所述储氢子系统包括第二电磁阀(17)、第二干燥器(18)、氢气压缩机(19)、储氢罐(20)和第二减压阀(21)，所述质子交换膜电解槽(10)阴极排出的氢气一部分通过所述第二干燥器(18)干燥后在所述氢气压缩机(19)加压后，储存于所述储氢罐(20)内；所述储氢罐(20)和所述第二减压阀(21)入口管路连接，将氢气在所述第二减压阀(21)降压作用下输送至所述燃料电池发电子系统。
8.如权利要求7所述的一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，所述储氧子系统包括第一气液分离器(11)、第一电磁阀(12)、第一干燥器(13)、氧气压缩机(14)和储氧罐(15)，所述第一气液分离器(11)、所述第一电磁阀(12)、所述第一干燥器(13)、所述氧气压缩机(14)和所述储氧罐(15)依次连接。
9.如权利要求8所述的一种光伏光热耦合膜蒸馏的电解水制氢系统，其特征在于，所述燃料电池发电子系统包括质子交换膜燃料电池(22)，所述质子交换膜电解槽(10)阳极与所述第一气液分离器(11)连接，所述质子交换膜电解槽(10)阴极与所述第二电磁阀(17)连接，所述第一气液分离器(11)与所述质子交换膜燃料电池(22)阳极连接，所述第二电磁阀(17)与所述质子交换膜燃料电池(22)阴极连接。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Yang Xiaohong

Inventor after: Zeng Qinghui

Inventor after: Xu Hongliang

Inventor after: Liu Zhitong

Inventor after: Lv Songli

Inventor before: Zeng Qinghui

Inventor before: Yang Xiaohong

Inventor before: Xu Hongliang

Inventor before: Liu Zhitong

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