CN120330730A - 一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，太阳能集热装置分别与阳极气体反应层和阴极气体反应层电连接；第一水汽分离装置的输入口与阳极气体反应层的出水口管道连接，第二水汽分离装置的输入口与阴极气体反应层的出水口管道连接，第一水汽分离装置和第二水汽分离装置的出水口与太阳能集热装置的入水口连接；每一U型流道内设置有多个凹槽，相邻U型流道之间设置有多个第一空心肋脊和每一U型流道内设置多个第二空心肋脊。本发明改变了电解水的分布和流动状态，实现了电解水和反应气体在流道内的均匀分布，提高了电解反应的效率和稳定性。

Description

一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统

技术领域：

本发明涉及工业制氢技术领域，尤其涉及一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统。

背景技术：

随着全球对环境保护和可持续能源发展的日益重视，氢能作为一种极具潜力的清洁能源载体，其开发与利用成为研究热点。质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)电解槽以其独特优势，在可再生能源制氢领域占据重要地位，被广泛认为是实现大规模绿氢生产的关键技术之一。

目前，传统的质子交换膜(PEM)电解槽内部以膜电极组件(MEA)为核心，该组件呈“三明治”结构，由质子交换膜(如全氟磺酸膜，传导质子并隔离气体)、两侧的催化剂层(阳极负载铱基催化剂催化水分解产氧，阴极负载铂基催化剂催化质子还原产氢)及外围的气体扩散层(多孔碳材料，导电并均匀分配流体)组成；MEA两侧贴合双极板，其表面流道用于导入纯水(阳极)和导出氢气、氧气，同时兼具导电、集流及机械支撑功能。因其内部结构复杂，流道内液态水的流动较为平稳，导致流道内某区域的液态水停留时间过长，而另一区域则得不到充分的水供应，这种不均匀的分布会影响电解反应的效率和稳定性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，实现了电解水和反应气体在流道内的均匀分布，提高了电解反应的效率和稳定性。

本发明由如下技术方案实施：

一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，包括：

太阳能集热装置、PEM电解槽、第一水汽分离装置和第二水汽分离装置；

PEM电解槽包括阳极流道、阳极气体反应层、质子交换膜、阴极气体反应层和阴极流道；太阳能集热装置分别与阳极流道和阴极流道电连接；太阳能集热装置的出水口与阳极流道的入水口管道连接；第一水汽分离装置的输入口与阳极流道的出水口管道连接，第二水汽分离装置的输入口与阴极流道的出水口管道连接，第一水汽分离装置与氧气用户管道连接；第二水汽分离装置的出气口与氢气用户管道连接，第一水汽分离装置和第二水汽分离装置的出水口与太阳能集热装置的入水口连接；太阳能集热装置分别与氧气用户和氢气电连接；

阳极气体反应层位于阳极流道的一侧，质子交换膜位于阳极气体反应层远离阳极流道的一侧，阴极气体反应层位于质子交换膜远离质子交换膜的一侧，阴极流道位于阴极气体反应层远离质子交换膜的一侧；所述阳极流道与所述阴极流道正对应；阳极流道和阴极流道均包括多个U型流道，多个U型流道沿着第二方向依次排列；相邻U型流道连接，每一U型流道内设置有多个凹槽，相邻U型流道之间设置有多个第一空心肋脊和每一U型流道内有设置多个第二空心肋脊，第一空心肋脊与相邻两个U型流道连通；第二空心肋脊分别与U型流道的两个子流道连通；凹槽用于改变液态水流动状态，第一空心肋脊和第二空心肋脊用于传输电解水；

其中，第一方向为阳极流道指向阴极流道的方向，第二方向为与第一方向垂直的方向。

进一步的，每一U型流道包括第一子流道、第二子流道和第三子流道；第一子流道和第三子流道分别与第二子流道连接；第一子流道内和第三子流道内沿着第三方向分别设置有多个凹槽，第一子流道和第三子流道之间沿着第三方向设置有多个第二空心肋脊；第二空心肋脊的第一端与第一子流道连通，第二空心肋脊的第二端与第三子流道连通；

凹槽沿着第二方向的尺寸与第一子流道沿着第二方向的尺寸相等；凹槽沿着第三方向的尺寸大于0，且小于1mm，凹槽的深度大于0，且小于1mm；

第一空心肋脊沿着第二方向的尺寸与相邻两个U型流道沿着第二方向的距离相等；第二空心肋脊沿着第二方向的尺寸与第一子流道和第三子流道之间沿着第二方向的距离相等；第一空心肋脊和第二空心肋脊沿着第三方向的尺寸大于0，且小于或等于1.5mm，第一空心肋脊和第二空心肋脊的高度均为大于0，且小于或等于1.5mm。

进一步的，第一子流道内和第三子流道内凹槽的数量大于或等于1，且小于或等于3；第一空心肋脊和第二空心肋脊的数量均大于或等于1，且小于或等于3。

进一步的，凹槽的形状包括圆柱形、椭圆形、半圆形和三角形中的一种；第一空心肋脊和第二空心肋脊的形状均包括圆柱形、椭圆形、半圆形、三角形和波浪形中的一种。

进一步的，太阳能集热装置包括功率跟踪控制器、转动支架、光伏集热器、蓄电池和储水罐；

光伏集热器位于转动支架上，功率跟踪控制器分别与光伏集热器、蓄电池和转动支架电连接，蓄电池的正极与阳极流道电连接，蓄电池的负极与阴极流道电连接；储水罐的出水口与光伏集热器的入水口管道连接，储水罐的入水口与第一水汽分离装置和第二水汽分离装置的出水口管道连接；

光伏集热器用于将太阳能转换为电能，蓄电池用于存储光伏集热器传输的电能，且用于向PEM电解槽提供电能；功率跟踪控制器用于采集光伏集热器的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的电压和电流，且根据采集的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的电压和电流计算出的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的发电功率，功率跟踪控制器还用于对计算出的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的发电功率中相邻两个时刻的功率进行比较确定光伏集热器的最大发电功率，且根据光伏集热器的最大发电功率和预设发电功率阈值范围控制光伏集热器输出最大发电功率；

其中，预设发电功率阈值范围300W-345W,n为1、2、3……。

功率跟踪控制器用于在k_n+1时刻的发电功率大于或等于k_n时刻的发电功率时，继续比较k_n+2时刻的发电功率和k_n+1时刻的发电功率；功率跟踪控制器用于在k_n+1时刻的发电功率小于或等于k_n时刻的发电功率时确定光伏集热器的最大发电功率，且功率跟踪控制器还用于根据光伏集热器的发电功率和预设功率范围控制光伏集热器输出最大发电功率。

进一步的，功率跟踪控制器用于在光伏集热器的最大发电功率处于预设发电功率阈值范围内，控制光伏集热器输出最大发电功率；功率跟踪控制器用于在光伏集热器的最大功率处于预设发电功率阈值范围外，控制转动支架沿着第四方向运动预设间距；

其中，第四方向为与太阳移动方向相互平行的方向，预设间距大于或等于0.5m，且小于或等于1.2m。

进一步的，第一水汽分离装置包括水氧分离器和储氧罐；第二水汽分离装置包括水氢分离器和储氢罐；

水氧分离器的输入口与阳极流道的出水口连接，水氧分离器的出水口与储水罐的入水口连接；水氧分离器的出气口与储氧罐的输入口连接，储氧罐的输出口与氧气用户连接；水氢分离器的输入口与阴极流道的出水口连接，水氢分离器的出水口与储氢罐的入水口连接，水氢分离器的出水口与储氢罐的输入口连接，储氢罐的输出口与氢气用户连接。

进一步，阳极气体反应层包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层，阴极气体反应层包括阴极气体扩散层和阴极催化剂层；

阳极催化剂层位于质子交换膜靠近阳极流道的一侧，阳极气体扩散层位于阳极催化剂层靠近阳极流道的一侧；阴极催化剂层位于质子交换膜靠近阴极流道的一侧，阴极气体扩散层位于阴极催化剂层靠近阴极流道的一侧。

进一步的，该基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统还包括：第一截止阀、第二截止阀和抽水泵；第一截止阀位于光伏集热器与储水罐之间，第二截止阀位于储氧罐和储水罐之间，抽水泵位于处于储水罐和第一截止阀之间。

本发明的优点：

在本发明实施例中，阳极流道和阴极流道均包括多个U型流道，多个U型流道沿着第二方向依次排列，使增长电解水在阳极流道和阴极流道的路径，有利于流体与电极表面充分接触，在每一U型流道内设置有多个凹槽，打破了没有凹槽时电解水平稳的流动状态，电解水经过凹槽处产生漩涡和紊流等扰动现象,提高了电解水的速度，减少了电解水通过阳极流道的时间，同时在相邻U型流道之间设置有多个第一空心肋脊和每一U型流道内设置多个第二空心肋脊，使电解水能够通过第一空心肋脊流向相邻的U型流道，通过第二空心肋脊使电解水在每一U型流道内的两个子流道之间传输，改变了电解水的分布，有助于减少流道内的死区，改变了电解水的分布和流动状态，有助于减少流道内的死区，避免了阳极流道和阴极流道之间电解水不均匀对电解反应的效率和稳定性的影响。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统的结构示意图；

图2是图1中电解槽的结构示意图；

图3是图1中电解槽的正视图。

具体实施方式：

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，显然，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例提供的一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统的结构示意图，图2是图1中电解槽的结构示意图；参见图1和图2，该基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统包括：太阳能集热装置1、PEM电解槽2、第一水汽分离装置3和第二水汽分离装置4；PEM电解槽2包括阳极流道20、阳极气体反应层23、质子交换膜24、阴极气体反应层25和阴极流道26；太阳能集热装置1分别与阳极流道20和阴极流道26电连接；太阳能集热装置1的出水口与阳极流道的入水口27管道连接，第一水汽分离装置3的输入口与阳极流道的出水口28管道连接，第二水汽分离装置4的输入口与阴极流道26的出水口29管道连接，第一水汽分离装置3与氧气用户5管道连接，第二水汽分离装置4的出气口与氢气用户9管道连接，第一水汽分离装置3和第二水汽分离装置4的出水口与太阳能集热装置1的入水口连接；太阳能集热装置1分别与氧气用户5和氢气用户9电连接；阳极气体反应层23位于阳极流道20的一侧，质子交换膜24位于阳极气体反应层23远离阳极流道20的一侧，阴极气体反应层25位于质子交换膜24远离阳极气体反应层23的一侧，阴极流道26位于阴极气体反应层25远离质子交换膜24的一侧；阳极流道20与阴极流道26正对应；阳极流道20和阴极流道26均包括多个U型流道201，多个U型流道201沿着第二方向依次排列；相邻U型流道201连接，每一U型流道201内设置有多个凹槽21，相邻U型流道201之间设置有多个第一空心肋脊32和每一U型流道201内设置有多个第二空心肋脊22，第一空心肋脊32与相邻两个U型流道201连通；第二空心肋脊22分别与U型流道201的两个子流道连通；凹槽21用于改变液态水的流动状态，第一空心肋脊32和第二空心肋脊22均用于传输电解水；其中，第一方向X为阳极流道20指向阴极流道26的方向，第二方向Y为与第一方向X垂直的方向。

其中，太阳能集热装置1用于为PEM电解槽2供电，同时太阳能集热装置1还用于为流入PEM电解槽2的电解水加热，PEM电解槽2用于电解水制出氢气和氧气，阳极气体反应层23用于传输氧气和传输电解水，同时阳极气体反应层23还用于加快阳极的电解反应，质子交换膜24用于在阳极水分解产生的质子传导至阴极实现电荷平衡与反应通路，同时质子交换膜24阻止阳极产生的氧气与阴极产生的氢气混合，保障PEM电解槽2高效和稳定运行。阴极气体反应层25用于传输氢气和传输电解水，同时阴极气体反应层25还用于加快阴极的电解反应，阳极流道20和阴极流道26均用于传输电解水。第一水汽分离装置3用于将氧气和水分开，第二水汽分离装置4用于将氢气和水分离

具体的，太阳能集热装置1将电能传输至PEM电解槽2中，为PEM电解槽2电解水供电，电解水经过太阳能集热装置1加热后流向阳极流道20，阳极流道20包括多个U型流道201，每一U型流道201内设置有多个凹槽21，打破了没有凹槽21时电解水平稳的流动状态，电解水经过凹槽21处产生漩涡和紊流等扰动现象，提高了电解水的速度，减少了电解水通过阳极流道20的时间，电解水沿着阳极流道20流动，使电解水与阳极气体反应层23充分接触，相邻U型流道201之间设置有多个第一空心肋脊32和每一U型流道201内设置多个第二空心肋脊22，使电解水能够通过第一空心肋脊32流向相邻的U型流道，且通过第二空心肋脊22使电解水在每一U型流道201内的两个子流道之间传输，改变了电解水的分布，有助于减少流道内的死区，避免了阳极流道20和阴极流道26之间电解水不均匀对电解反应的效率和稳定性的影响；电解水在电能的作用下电解成氧气和质子，氧气和部分电解水经过第一水汽分离装置3分离后，部分电解水经过太阳能集热装置1流向阳极流道20，氧气流向氧气用户5,质子和电解水经过质子交换膜24扩散至阴极气体反应层25，质子在阴极气体反应层25与电子结合生成氢气，剩余的电解水经过第二水汽分离装置4后流向太阳能集热装置1，氢气流向氢气用户9。

图3是图1中电解槽的正视图，参见图1-图3，进一步的，在上述实施例的基础上，每一U型流道201包括第一子流道2011、第二子流道2013和第三子流道2012；第一子流道2011和第三子流道2012分别与第二子流道连接2013；第一子流道2011内和第三子流道2012内沿着第三方向分别设置有多个凹槽21，第一子流道2011和第三子流道2012之间沿着第三方向设置有多个第二空心肋脊22；第二空心肋脊22的第一端与第一子流道2011连通，第二空心肋脊22的第二端与第三子流道2012连通；凹槽21沿着第二方向Y的尺寸与第一子流道2011沿着第二方向Y的尺寸相等；凹槽21沿着第三方向Z的尺寸大于0，且小于1mm，凹槽21的深度大于0，且小于1.0mm；第一空心22沿着第二方向Y的尺寸与相邻两个U型流道沿着第二方向Y的距离相等；第二空心肋脊22沿着第二方向Y的尺寸与第一子流道2011和第三子流道2012沿着第二方向的距离相等；第一空心肋脊32和第二空心肋脊22沿着第三方向Z的尺寸大于0，且小于或等于1.5mm，第一空心肋脊32和第二空心肋脊22的高度为均大于0，且小于或等于1.5mm。

具体的，凹槽21沿着第三方向Z的尺寸过大，则电解水经过凹槽21时无法产生旋涡和紊乱，电解水流动较为平稳，因此设置凹槽21沿着第三方向Z的尺寸大于0，且小于2mm，使得电解水在凹槽21处会产生漩涡和紊流，使两侧形成压差，提高了流体速度，减少了流体通过弯道的时间；若凹槽21的深度过大，则会破坏阳极气体反应层23，因此设置凹槽21的深度大于0，且小于2.0mm，可以避免阳极气体反应层23和阴极气体反应层25被破坏。

若第一空心肋脊32和第二空心肋脊22沿着第三方向Z的尺寸过大，使得阳极流道20和阴极流道26内的电解水流动速度慢，导致氧气从阳极流道20中排出和氢气从阴极流道26中不易排出，因此设置第一空心肋脊32和第二空心肋脊22沿着第三方向Z的尺寸大于0，且小于或等于1.5mm，避免了由于电解水流动速度慢导致氧气从阳极流道20中排出和氢气从阴极流道26中不易排出的问题，防止了氧气在阳极流道20内聚积氢气在阴极流道26内聚积阻碍电解反应进行；若第一空心肋脊32和第二空心肋脊22的高度过高，则会增加成本，不易加工生产，因此设置第一空心肋脊32和第二空心肋脊22的高度为大于0，且小于或等于1.5mm，减少了成本以及便于加工生产。

参见图2和图3，进一步的，在上述实施例的技术基础上，第一子流道2011内和第三子流道2012内凹槽21的数量大于或等于1，且小于或等于3；第一空心肋脊32和第二空心肋脊22的数量均大于或等于1，且小于或等于3。

具体的，若凹槽21的数量过多，则会使阳极流道20底部趋于平缓，电解水在阳极流道20的速度变慢导致电解水在阳极流道20和阴极流道26内部分布不均匀，降低了电解反应的效率和稳定性，因此设置凹槽21的数量大于或等于1，且小于或等于3，提高了电解水在阳极流道20的速度，实现了电解水和反应气体在流道内的均匀分布，提高了电解反应的效率和稳定性。

若第一空心肋脊32和第二空心肋脊22的数量过多，使相邻阳极流道20和阴极流道26内的电解水流动速度慢，降低了氧气在阳极流道20内的分布以及氢气在阴极流道26内的分布，导致氧气和氢气不易从阳极流道20和阴极流道26内排出，因此设置第一空心肋脊32和第二空心肋脊22的数量大于或等于1，且小于或等于3，提高了氧气在阳极流道20内的分布以及氢气在阴极流道26内的分布，使得氧气和氢气易于从阳极流道20和阴极流道26内排出。

参见图2和图3，进一步的，在上述实施例的技术基础上，凹槽21的形状包括圆柱形、椭圆形、半圆形和三角形中的一种；第一空心肋脊32和第二空心肋脊22的形状均包括圆柱形、椭圆形、半圆形、三角形和波浪形中的一种。

在本发明中，凹槽21的形状设置为圆柱形、椭圆形、半圆形或者三角形以及第一空心肋脊32和第二空心肋脊22的形状均设置为圆柱形、椭圆形、半圆形、三角形或者波浪形，使得凹槽21和第一空心肋脊32和第二空心肋脊22结构简单，易于加工和生产成本较低。

在常规的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统中，光伏板无法充分利用太阳能，大量的太阳能以热能的形式散热，电能输出不稳定且低于最佳水平，从而造成电解水制氢的能源效率低下，产生的氢气较小。

参见图1，进一步的，在上述实施例的技术基础上，太阳能集热装置1包括功率跟踪控制器10、转动支架11、光伏集热器12、蓄电池13和储水罐14；光伏集热器12位于转动支架11上，功率跟踪控制器10分别与光伏集热器12、蓄电池13和转动支架11电连接，蓄电池13的正极与阳极流道20电连接，蓄电池13的负极与阴极流道26电连接；储水罐14的出水口与光伏集热器12的入水口管道连接，储水罐14的入水口与第一水汽分离装置3和第二水汽分离装置4的出水口管道连接；光伏集热器12用于将太阳能转换为电能，蓄电池13用于存储光伏集热器传输的电能，且用于向PEM电解槽提供电能；功率跟踪控制器10用于采集光伏集热器12的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……kn时刻的电压和电流，且根据采集的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的电压和电流计算出的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的发电功率，功率跟踪控制器10还用于对计算出的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的发电功率中相邻两个时刻的功率进行比较确定光伏集热器12的最大发电功率，且根据光伏集热器12的最大发电功率和预设发电功率阈值范围控制光伏集热器12输出最大发电功率；其中，预设发电功率阈值范围300W-345W，n为1、2、3……。

具体的，开始时太阳刚升起，光伏集热器12正对着太阳，太阳能功率跟踪控制器10采集光伏集热器12在k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的电压和电流，且根据采集的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的电压和电流相对应计算出的k1时刻、k2时刻、k3时刻……k_n时刻的发电功率，功率跟踪控制器10对计算出的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的发电功率中的相邻两个时刻的发电功率进行比较，确定出光伏集热器12的最大发电功率，且根据光伏集热器12的最大发电功率与预设发电功率阈值范围控制光伏集热器12输出最大发电功率。

在本发明实施例中，通过功率跟踪控制器10能够确定光伏集热器12的最大发电功率，且还用于根据光伏集热器12的最大发电功率与预设发电功率阈值范围控制光伏集热器12输出最大发电功率控制光伏集热器12输出最大发电功率，保证了电能的稳定输出，提高了电解水制氢的能源效率和氢气和氧气的产量。

参见图1，进一步的，在上述实施例的基础上，功率跟踪控制器10用于在k_n+1时刻的发电功率大于k_n时刻的发电功率时，继续比较k_n+2时刻的发电功率和k_n+1时刻的发电功率；功率跟踪控制器10用于在k_n+1时刻的发电功率小于k_n时刻的发电功率时确定光伏集热器12的最大发电功率。

具体的，当k_n+1时刻的发电功率大于k_n时刻的发电功率时，功率跟踪控制器10继续比较k_n+2时刻的发电功率和k_n+1时刻的发电功率，当k_n+1时刻的发电功率小于k_n时刻的发电功率时，功率跟踪控制器10确定出光伏集热器12的最大发电功率为k_n时刻的发电功率。

在本发明实施例中，通过功率跟踪控制器10保证了电能的稳定输出，提高了电解水制氢的能源效率和氢气和氧气的产量。

继续参见图1，进一步的，在上述实施例的基础上，功率跟踪控制器10用于在光伏集热器12的最大发电功率处于预设发电功率阈值范围内，控制光伏集热器12输出最大发电功率；功率跟踪控制器10用于在光伏集热器12的最大功率处于预设发电功率阈值范围外，控制转动支架11沿着第四方向运动预设间距；其中，第四方向为与太阳移动方向相互平行的方向，预设间距大于或等于0.5m，且小于或等于1.2m。

具体的，当光伏集热器12的最大发电功率处于预设发电功率阈值范围时，功率跟踪控制器10控制光伏集热器12输出最大发电功率，当功率跟踪控制器10在光伏集热器12的最大功率处于预设发电功率阈值范围外，控制转动支架11沿着第四方向运动预设间距，然后功率跟踪控制器10继续采集光伏集热器12的电流和电压。

参见图1，进一步的，在上述实施例的基础上，第一水汽分离装置3包括水氧分离器30和储氧罐31；第二水汽分离装置4包括水氢分离器40和储氢罐41；水氧分离器30的输入口与阳极流道20的出水口连接，水氧分离器30的出水口与储水罐14的入水口连接；水氧分离器30的出气口与储氧罐31的输入口连接，储氧罐31的输出口与用户5连接；水氢分离器40的输入口与阴极流道26的出水口连接，水氢分离器40的出水口与储氢罐41的入水口连接，水氢分离器40的出水口与储氢罐41的输入口连接，储氢罐41的输出口与用户5连接。

具体的，阳极流道20内的氧气和部分电解水经过水氧分离器30分离后，氧气进入储氧罐31存储起来，部分电解水流向储水罐14，阴极流道26内的氢气和部分电解水经过水氢分离器40分离后，氢气进入储氢罐41存储起来，部分电解水流向储水罐14，储氧罐31和储氢罐41为用户5提供氧气和氢气。

参见图1，进一步的，在上述实施例的基础上，阳极气体反应层23包括阳极气体扩散层230和阳极催化剂层231，阴极气体反应层25包括阴极气体扩散层250和阴极催化剂层251；阳极催化剂层231位于质子交换膜24靠近阳极流道20的一侧，阳极气体扩散层230位于阳极催化剂层231靠近阳极流道20的一侧；阴极催化剂层251位于质子交换膜24靠近阴极流道26的一侧，阴极气体扩散层250位于阴极催化剂层251靠近阴极流道26的一侧。

其中，阳极气体扩散层230用于传输氧气，阳极催化剂层231和阴极催化剂层251均用于降低电解反应的活化能，阴极气体扩散层250用于传输氢气，

阳极流道20内的电解水经过阳极气体扩散层230至阳极催化剂层231，电解水在阳极催化层作用下加快了电解反应，生成氧气和质子，生成的氧气经过阳极气体扩散层230排出，防止氧气在阳极催化层积聚而阻碍反应进行，同时质子和电解水经过质子交换膜24进入阴极催化剂层251，质子获取电子生成氢气，氢气在经过阴极气体扩散层250排出，防止氢气在阴极催化剂层251表面聚集，避免了对反应速率的影响。

参见图1，进一步的，在上述实施例的基础上，基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统还包括：第一截止阀6、第二截止阀8和抽水泵7；第一截止阀6位于光伏集热器12与储水罐14之间，第二截止阀8位于储氧罐31和储水罐14之间，抽水泵7位于处于储水罐14和第一截止阀6之间。

其中，第一截止阀6和第二截止阀8用于切断或恢复相关管路的电解水输送，同时，第一截止阀6和第二截止阀8在基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统出现故障时用于隔离特定的部件管路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，包括：

太阳能集热装置、PEM电解槽、第一水汽分离装置和第二水汽分离装置；

所述PEM电解槽包括阳极流道、阳极气体反应层、质子交换膜、阴极气体反应层和阴极流道；所述太阳能集热装置分别与所述阳极流道和阴极流道电连接；所述太阳能集热装置的出水口与所述阳极流道的入水口管道连接，所述第一水汽分离装置的输入口与所述阳极流道的出水口管道连接，所述第二水汽分离装置的输入口与所述阴极流道的出水口管道连接，所述第一水汽分离装置与氧气用户管道连接，第二水汽分离装置的出气口与氢气用户管道连接；所述第一水汽分离装置和第二水汽分离装置的出水口与所述太阳能集热装置的入水口连接；所述太阳能集热装置分别与氧气用户和氢气用户电连接；

所述阳极气体反应层位于所述阳极流道的一侧，所述质子交换膜位于所述阳极气体反应层远离阳极流道的一侧，所述阴极气体反应层位于所述质子交换膜远离阳极气体反应层的一侧，所述阴极流道位于所述阴极气体反应层远离质子交换膜的一侧；所述阳极流道与所述阴极流道正对应；所述阳极流道和阴极流道均包括多个U型流道，多个所述U型流道沿着第二方向依次排列；相邻所述U型流道连接，每一所述U型流道内设置有多个凹槽，相邻所述U型流道之间设置有多个第一空心肋脊和每一所述U型流道内设置有多个第二空心肋脊，第一空心肋脊与相邻两个U型流道连通；第二空心肋脊分别与U型流道的两个子流道连通；所述凹槽用于改变液态水流动状态，所述第一空心肋脊和第二空心肋脊用于传输电解水；

其中，第一方向为阳极流道指向阴极流道的方向，第二方向为与第一方向垂直的方向。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，

每一U型流道包括第一子流道、第二子流道和第三子流道；所述第一子流道和所述第三子流道分别与所述第二子流道连接；所述第一子流道内和第三子流道内沿着第三方向分别设置有多个凹槽，第一子流道和第三子流道之间沿着第三方向设置有多个第二空心肋脊；所述第二空心肋脊的第一端与所述第一子流道连通，所述第二空心肋脊的第二端与所述第三子流道连通；

所述凹槽沿着第二方向的尺寸与所述第一子流道沿着第二方向的尺寸相等；所述凹槽沿着第三方向的尺寸大于0，且小于1mm，所述凹槽的深度大于0，且小于1mm；

所述第一空心肋脊沿着第二方向的尺寸与相邻两个所述U型流道之间沿着第二方向的距离相等；第二空心肋脊沿着第二方向的尺寸与第一子流道和第三子流道之间沿着第二方向的距离相等；所述第一空心肋脊和第二空心肋脊沿着第三方向的尺寸大于0，且小于或等于1.5mm，所述第一空心肋脊和第二空心肋脊的高度均为大于0，且小于或等于1.5mm。

3.根据权利要求2所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，

所述第一子流道内和第三子流道内凹槽的数量均大于或等于1，且小于或等于3；所述第一空心肋脊和第二空心肋脊的数量均大于或等于1，且小于或等于3。

4.根据权利要求3所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，

所述凹槽的形状包括圆柱形、椭圆形、半圆形和三角形中的一种；所述第一空心肋脊和第二空心肋脊的形状均包括圆柱形、椭圆形、半圆形、三角形和波浪形中的一种。

5.根据权利要求1所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，太阳能集热装置包括功率跟踪控制器、转动支架、光伏集热器、蓄电池和储水罐；

所述光伏集热器位于所述转动支架上，所述功率跟踪控制器分别与所述光伏集热器、蓄电池和转动支架电连接，所述蓄电池的正极与所述阳极流道电连接，所述蓄电池的负极与所述阴极流道电连接；所述储水罐的出水口与所述光伏集热器的入水口管道连接，所述储水罐的入水口与所述第一水汽分离装置和第二水汽分离装置的出水口管道连接；

所述光伏集热器用于将太阳能转换为电能，所述蓄电池用于存储所述光伏集热器传输的电能，且用于向PEM电解槽提供电能；所述功率跟踪控制器用于采集光伏集热器的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的电压和电流，且根据采集的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的电压和电流计算出的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的发电功率，所述功率跟踪控制器还用于对计算出的k₁时刻、k₂时刻、k₃时刻……k_n时刻的发电功率中相邻两个时刻的功率进行比较确定所述光伏集热器的最大发电功率，且根据所述光伏集热器的最大发电功率和预设发电功率阈值范围控制所述光伏集热器输出最大发电功率；

其中，预设发电功率阈值范围300W-345W,n为1、2、3……。

6.根据权利要求5所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，

所述功率跟踪控制器用于在k_n+1时刻的发电功率大于k_n时刻的发电功率时，继续比较k_n+2时刻的发电功率和k_n+1时刻的发电功率；所述功率跟踪控制器用于在k_n+1时刻的发电功率小于k_n时刻的发电功率时确定所述光伏集热器的最大发电功率。

7.根据权利要求5所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，

所述功率跟踪控制器用于在所述光伏集热器的最大发电功率处于预设发电功率阈值范围内，控制所述光伏集热器输出最大发电功率；所述功率跟踪控制器用于在所述光伏集热器的最大功率处于预设发电功率阈值范围外，控制所述转动支架沿着第四方向运动预设间距；

其中，第四方向为与太阳移动方向相互平行的方向，所述预设间距大于或等于0.5m，且小于或等于1.2m。

8.根据权利要求5所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，

所述第一水汽分离装置包括水氧分离器和储氧罐；所述第二水汽分离装置包括水氢分离器和储氢罐；

所述水氧分离器的输入口与所述阳极流道的出水口连接，所述水氧分离器的出水口与所述储水罐的入水口连接；所述水氧分离器的出气口与所述储氧罐的输入口连接，所述储氧罐的输出口与所述氧气用户连接；所述水氢分离器的输入口与所述阴极流道的出水口连接，所述水氢分离器的出水口与所述储氢罐的入水口连接，所述水氢分离器的出水口与所述储氢罐的输入口连接，所述储氢罐的输出口与所述氢气用户连接。

9.根据权利要求1所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，

阳极气体反应层包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层，阴极气体反应层包括阴极气体扩散层和阴极催化剂层；

所述阳极催化剂层位于所述质子交换膜靠近所述阳极流道的一侧，所述阳极气体扩散层位于所述阳极催化剂层靠近所述阳极流道的一侧；所述阴极催化剂层位于所述质子交换膜靠近所述阴极流道的一侧，所述阴极气体扩散层位于所述阴极催化剂层靠近所述阴极流道的一侧。

10.根据权利要求1所述的基于太阳能发电的质子交换膜电解水制氢系统，其特征在于，还包括：

第一截止阀、第二截止阀和抽水泵；所述第一截止阀位于所述光伏集热器与储水罐之间，所述第二截止阀位于储氧罐和储水罐之间，所述抽水泵位于处于储水罐和第一截止阀之间。