CN119221007A - 制氢装置和制氢系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种制氢装置。该制氢装置包括：反应室腔体，所述反应室腔室容纳电解液；光伏发电模块，所述光伏发电模块与所述反应室腔体集成，能够将太阳能转化为电能，并在所述光伏发电模块的正极和负极之间产生电势差；设置在所述反应室腔体内的阳极电极，所述阳极电极电连接到所述光伏发电模块的正极并至少部分地浸泡在电解液中；设置在所述反应室腔体内的阴极电极，所述阴极电极电连接到所述光伏发电模块的正极并至少部分地浸在电解液中；以及分别从反应室腔体内排出氢气和氧气的氢排出管道和氧排出管道。该制氢装置为一体集成式光伏制氢装置，能够实现高效、低成本光伏制氢。

Description

制氢装置和制氢系统

技术领域

本公开涉及一种制氢装置，更具体地涉及一种一体化的光伏制氢装置。

背景技术

随着我国经济发展，人们越来越关注清洁能源。氢能作为一种清洁能源，在应对全球气候变化中有着巨大作用。目前，制氢的方法主要有煤气化制氢、天然气制氢、水电解制氢等。其中，水电解制氢是在直流电的作用下使水分子被解离生成氢气和氧气的过程。光伏发电是利用“光生伏特效应”将光能转换为电能的一种发电技术，作为一种清洁发电技术，将其应用于水电解制氢能够大幅度降低电解水制氢的用电成本，实现经济能源。如何高效、低成本实现光伏制氢是亟待解决的问题。

发明内容

本公开的目的是至少解决相关技术中存在的缺点，提出了一种制氢装置，包括：反应室腔体，所述反应室腔室容纳电解液；光伏发电模块，所述光伏发电模块与所述反应室腔体集成，能够将太阳能转化为电能，并在所述光伏发电模块的正极和负极之间产生电势差；设置在所述反应室腔体内的阳极电极，所述阳极电极电连接到所述光伏发电模块的正极并至少部分地浸泡在电解液中；设置在所述反应室腔体内的阴极电极，所述阴极电极电连接到所述光伏发电模块的正极并至少部分地浸在电解液中；以及分别从反应室腔体内排出氢气和氧气的氢排出管道和氧排出管道。

根据该方案，集成设计使得该制氢装置的结构更加紧凑，有利于减小体积，减少接线的长度。该集成结构能够减少光伏发电模块在制氢过程中的电能输送损失，提高光伏制氢效率。并且该一体式集成的结构便于整体运输和安装，使得光伏制氢工厂的搭建更为便捷、高效，节省人工成本。此外，还省去了常规光伏制氢系统中的汇流箱、逆变器、蓄电池等等设备，通过光伏模块直接形成直流电进行电解水工序，进一步降低了光伏制氢成本。

根据一种实施方案，所述光伏发电模块设置在所述反应室腔体内，所述反应室腔体至少部分透明使得所述光伏发电模块能够受到太阳光照射。将光伏发电模块内置与反应室腔体进一步提高了制氢装置的结构紧凑性，并且使得光伏发电模块免受外部环境影响，增加了光伏发电模块的使用寿命和工作的稳定性。

根据一种实施方案，所述电解液为水性电解液。水性电解液常见、易于获得，有利于降低制氢成本。

根据一种实施方案，在所述电解液的液面上方在所述反应室腔体内形成收集空间，且还包括隔离板，所述隔离板将所述收集空间分隔成分别与氢排出管道和氧排出管道连通的第一空间和第二空间。收集空间为氢气和氧气提供各自的临时存储空间，能够增加收集的氢气和氧气的纯度；并将液体与气体排出管道隔开，有利于防止液体流入气体排出管道。

根据一种实施方案，所述光伏发电模块至少部分地浸在所述电解液中。电解液能够为光伏发电模块降温，防止光伏发电模块由于温度过高而影响发电的效率和工作稳定性。

根据一种实施方案，所述光伏发电模块为晶硅电池组件、钙钛矿电池组件、钙钛矿叠层电池组件、碲化镉电池组件、砷化镓电池组件、铜铟镓硒电池组件中的一种或多种的组合。

根据一种实施方案，所述光伏发电模块的正极与负极之间的电势差大于1.23V。

根据一种实施方案，所述光伏发电模块的正极与负极之间的电势差大于1.6V。

根据一种实施方案，所述水性电解液为氢氧化钠水溶液、硫酸钠水溶液、硫酸水溶液、锂盐水溶液、氢氧化钾水溶液中的一种。

根据一种实施方案，所述阳极电极和/或所述阴极电极是光催化电极，并且所述反应室腔体至少部分透明使得光催化电极能够受到太阳光照射。该方案可进一步增加太阳光的利用率，并因而提高制氢的效率。

根据一种实施方案，所述阳极电极和/或所述阴极电极是惰性电极。惰性电极常见、易获得，有利于降低制造成本。

根据一种实施方案，所述氢排出管道和/或所述氧排出管道上设置有检测器，以便实时监控制氢反应是否正常进行。

根据一种实施方案，所述反应室腔体可旋转，以将所述光伏发电模块取向成朝向太阳，使得光伏发电模块能够总是获得最大的阳光照射，进而提高发电效率，提高制氢效率。

根据一种实施方案，还包括气体收集系统，所述气体收集系统包括连接到所述氧排出管道的氧气收集设备和/或连接到所述氢排出管道的所述第二空间中氢气收集设备。便于氧气和氢气的分别收集，以用于后续处理。

根据一种实施方案，所述氢排出管道和/或所述氧排出管道上设置有气体止回阀。使气体只能从反应室腔体单向流动至氧气收集设备和氢气收集设备，提高了气体的收集效率。

根据一种实施方案，所述气体收集系统中设置有气体/水分离设备，可进一步增加气体的制备纯度。

根据一种实施方案，所述隔离板为透明隔离板，有利于增加太阳光的接收量，进而增加制氢效率。

根据一种实施方案，还包括电解液循环系统，以循环所述反应室腔体内的电解液。使得反应室腔体内的电解液能够不断补充，防止过渡消耗或全部消耗的情况进而影响制氢的稳定性。

一种制氢系统，包括：多个如上述内容中任一项所述的制氢装置；以及氢气收集装置和氧气收集装置，所述多个制氢装置的氢排出管道和氧排出管道分别并联连接并连接到所述氢气收集装置和所述氧气收集装置。多个制氢装置并联可增加制氢的总效率，共用氢气收集装置和氧气收集装置降低设备成本。

根据一种实施方案，在所述至少一个制氢装置的氧排出管道和氢排出管道上分别设置有止回阀。防止气体在不同的制氢装置间来回流动，利于增加5气体的收集。

附图说明

图1是根据本公开的制氢装置的部分截面图；

图2是根据本公开的制氢装置的另一截面图，示出了与反应室腔室连接的管道；

图3是根据本公开的制氢装置的透视图；

图4是根据本公开的制氢系统的截面图；以及

图5是根据本公开的制氢系统的透视图。

附图标记：1-反应室腔体；2-水性电解液；3-隔离板；4-光伏发电模块；5-阳极电极；6-阴极电极；7-第一空间；8-第二空间；9-氢气收集设备；10-氧气收集设备；11-电解液循环系统；12-气体止回阀；13-反应检测器。

具体实施方式

为了使得本公开的技术方案的目的、方案和优点更加清楚，下文中将结合本公开的具体实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。除非另有说明，否则本文所使用的术语具有本领域通常的含义。附图中相同的附图标记代表相同的部件。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。在以下的描述中和权利要求中，方向性术语“纵向”是指被指示的特征的长度方向，横向是指与纵向垂直的方向。

图1示出了根据本公开的实施例的制氢装置的部分截面图，该制氢装置包括反应室腔体1，反应室腔体1基本上密封，且在反应室腔体1中容纳有电解液2。根据本公开的制氢原理为利用具有电势差的电极电解水而产生氢气和氧气，所以电解液2可为纯水。为了进一步增强电解液2的导电性能、加快反应速率、提高电解效率，电解液2还可为其他水性电解液，例如，氢氧化钠水溶液、硫酸钠水溶液、硫酸水溶液、锂盐水溶液、氢氧化钾水溶液中的一种。另外，本公开并不局限于水性电解液，也可以采用其他类型的电解液，例如固态或半固态电解液。反应室腔体1还包括排出所产生的氧气和氢气的氧排出管道(未标识)和氢排出管道(未标识)。

在本公开的一个实施例中，如图1所示，电解液2未完全填满反应室腔体1内的所有空间，因此反应室腔体中在电解液2的液面上方存在未被电解液2占据的空间，该空间可以作为产生的气体的收集空间。但是本公开并不局限于此，电解液2也可以充满反应室腔体1，并且在反应室腔体的外侧连接有气体收集空间。

进一步如图1所示，在反应室腔体1中设置收集空间的情况下，还设置有隔离板3，该隔离板3设置在收集空间中，并且一端至少部分地浸在电解液2中，由此将收集空间分隔为两个独立的空间，分别为第一空间7和第二空间8，由此分别与氧排出管道和氢排出管道相连接。

根据本公开的制氢装置还包括光伏发电模块4，光伏发电模块4能够将太阳能转化为电能，在一种可能的实现方式中，光伏发电模块可以是光伏组件。光伏组件可以包括依次层叠设置的盖板、封装材料层、太阳能电池片层、封装材料层以及背板。

其中，太阳能电池片层由多个太阳能电池片通过互联件(例如焊带)形成电池串，多个电池串通过汇流条连接形成电池片层。

盖板和背板可以采用光伏玻璃，光伏玻璃密封性能较好，可以有效防止电解液进入光伏组件内部影响太阳能电池片的性能。盖板和背板还可以采用高分子材料，高分子材料重量轻。可以理解的是，盖板材料应为透明材料。

可以在光伏组件的四周边缘设置密封件，例如铝型材边框、高分子材料边框等，以进一步防止电解液进入光伏组件内部对太阳能电池造成影响。

太阳能电池片可以为晶硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、晶硅/钙钛矿叠层太阳能电池、碲化镉电池、砷化镓电池、铜铟镓硒电池中的一种或多种的组合。

当收到太阳光照射时，光伏发电模块4在其输出的正极和负极之间产生方向恒定的电势差，该电势差例如大于1.23V，并优选地大于1.6V。可以通过调整太阳能电池片层中太阳能电池片的数量和/或电路连接方式来改变电势差。

可选地是，光伏发电模块4可以采用双面太阳能电池，并且反应室腔体1的内表面可以设置有反射面，以将太阳光反射到光伏发电模块4的背面上。

如图1所示，反应室腔体1为细长柱状，例如，具有圆形横截面、方形横截面或多边形横截面的柱状，本公开并不局限于此。

在一个实施例中，光伏发电模块4与反应室腔体1集成在一起。在此可以理解的是，术语“集成”是指二者以位置相对固定的方式组装到一起，以便可以作为一个组件提供或更换。光伏发电模块4可以为长形，并例如可固定于或贴附于反应室腔体1的外壁，例如反应室腔体1的外壁的外表面侧或内表面侧，或者形成为反应室腔体1的外壁的一部分，图中未示出。

在另一种可能的实现方式中，如图1所示，光伏发电模块4设置在反应室腔体1中，在这种情况下，光伏发电模块4可以封闭在反应室腔体1内，可以免于外部环境的影响。如图1所示，并且反应室腔体1在该情况下为至少部分透明的，以使当制氢装置暴露于太阳下时，置于反应室腔体1中的光伏发电模块4能够接收太阳光的照射。该光伏发电模块4可以具有基本上与反应室腔体1相同的纵向长度，以增加受光面积，从而增加发电效率并因而提高制氢效率。集成设计使得该制氢装置的结构更加紧凑，有利于减小体积，减少接线的长度。该集成结构能够减少光伏发电模块4在制氢过程中的电能输送损失，提高光伏制氢效率。并且该一体式集成的结构便于整体运输和安装，使得光伏制氢工厂的搭建更为便捷、高效，节省人工成本。此外，还省去了常规光伏制氢系统中的汇流箱、逆变器、蓄电池等等设备，通过光伏模块直接形成直流电进行电解水工序，进一步降低了光伏制氢成本。

如图1所示，优选地是，光伏发电模块4可进一步地至少部分地浸没在电解液2中，电解液2可有助于光发电模块4的散热，防止其过热造成的安全问题以及因过热造成的发电效率的降低，有利于进一步提高制氢效率。

此外，制氢装置还包括连接到光伏发电模块4的正极的阳极电极5和连接到光伏发电模块4的负极的阴极电极6。当光伏发电模块4的正极和负极产生电势差时，在阳极电极5处产生氧气，在阴极电极6处产生氢气。尽管未示出，阳极电极5和阴极电极6可以密封地与光伏发电模块4电连接。

在本公开中，优选地是，阳极电极5和阴极电极6采用惰性电极，例如，铂电极、金电极、石墨电极等。由于采用惰性电极，因而无需更换，有利于制氢装置的长久稳定运行。

在本公开中，阳极电极5和阴极电极6还可以为光催化电极，使得能够更加充分的利用太阳能，并且能够增加制氢量。

上述阳极电极5和阴极电极6分别位于分隔板3的两侧，如图1所示，阳极电极5可位于第一空间7的下方，阴极电极6可位于第二空间8的下方，使得氧气通过电解液2进入第一空间7中，氢气通过电解液进入第二空间8中。为了进一步使得，第一空间7中的氧气和第二空间8中的氢气的纯度更高，阴极电极6和阳极电极5可尽可能的相距更远，如图1所示。

需要说明的是，常规的光伏组件的正极和负极一般由光伏组件背板同一个位置引出，但是对于本公开实施例来说，由于要分别在正极和负极处产生氧气和氢气，如果正极和负极距离较近的话，将使得氧气和氢气混合无法分离。因此，可以通过电路设计，使得光伏组件的正极和负极分别从光伏组件相对的边缘引出，以使得正极和负极有较远的距离，从而使得阳极电极和阴极电极有较远的距离，进而有利于氧气和氢气的分离。

在一种可能的实现方式中，反应室腔体1为圆柱形，光伏组件为长方形，光伏组件的长度方向沿着反应室腔体1的轴向设置，即光伏组件的宽度方向沿着反应室腔体1的径向方向设置。光伏组件的正负极分别从宽度方向的两侧引出。

如图2和3所示，根据本公开的制氢装置还包括气体收集系统，气体收集系统可包括与第一空间7相通的氧气收集设备10以及与第二空间8相同的氢气收集设备9，如图2所示。

如图2所示，制氢装置还包括气体止回阀12，气体止回阀12可分别设置在反应室腔体1和氧气收集设备10以及反应室腔体1和氢气收集设备9之间，用于使气体只能从反应室腔体1单向流动至氧气收集设备10和氢气收集设备9，提高了气体的收集效率。

在一个实施例中，上述氢气收集设备9和氧气收集设备10还分别设置氢/水分离设备和氧/水分离设备，图中未示出，以增加所收集的氢气和氧气的纯度。此外上述氢气收集设备9还可包括脱氧设备，氧气收集设备10还可包括脱氢设备，以进一步保证所收集的氢气和氧气的纯度。

在一个实施例中，为了能够监测制氢反应是否发生，制氢装置还可包括反应检测器13，反应检测器13可设置为连通到第一空间7和第二空间8中的一个，当反应发生，即有气体生成时，该反应检测器13能够产生明显指示，此外，当反应突然中断时，即气体的生成停止时，该反应检测器13同样能够产生明显指示。作为一个示例，该反应检测器13可以包括气球装置，当有气体产生时，连通到第一空间7或第二空间8的气球装置内的气压会升高，使得气球发生膨胀，由此指示反应正在进行；当气体的生成停止时，连通到第一空间7或第二空间8的气球装置内的气压会降低，使得气球发生收缩，由此指示反应的停止。

图3示出了制氢装置的立体视图，光伏发电模块4的接收太阳光的面设置为朝向上方，使得在白天无论什么时候，总有太阳光能照射在该面上。在一个实施例中，该反应室腔体1可以在一定范围内旋转，以随着太阳的运动使得其中容纳的光伏发电模块4一直朝向太阳。

分隔板3可设置为竖直方向并且所述分隔板3所在的平面过长条圆柱形的反应室腔体1的中心轴线，使得当反应室腔体1安装时，分隔板垂直于电解液2的液面并将反应室腔体1中的未被电解2占据的空间分隔大小完全相同的第一空间7和第二空间8。该对称设计促进了制氢装置的制造，使得无需在安装时特别区分第一空间7和第二空间8的位置。

阴极电极5和阳极电极6可全部浸泡在电解液2中并位于光伏发电模块4的两端，如图3所示。阴极电极5和阳极电极6可具有多个，并且分别间隔的设置在光伏发电模块4的两侧并分别连接到光伏发电模块4的正极和负极。

此外，为了尽可能的促进光伏发电模块4的接收光的效率，分隔板3可以设置为透明板。

如图3所示，制氢装置还可包括电解液循环系统11，该系统连通至反应室腔体，以用于为反应室腔体1补充电解液，使得电解反应可以持续稳定的进行。另外，本公开也可以设置有电解液检测系统(未示出)，以根据电解液检测系统的检测结果来循环电解液或补充电解液。

图4和图5分别以截面图和立体视图示出根据本公开的制氢系统。该制氢系统包括多个制氢装置，该制氢装置可以与上面描述的相同，因此，不再对其进行赘述。

如图4和5所示，每个反应室腔体1通过管道并联，例如，每个反应室腔体1的氢排出管道(未标注)并联，并且在每个氢排出管道上设置有止回阀；每个反应室腔体1的氧排出管道(未标注)并联，且每个氧排出管道上设置有止回阀。

另外，电解液循环系统11可以与每个制氢装置的反应室腔体1连接，从而为每个制氢装置循环电解液。电解液循环系统11例如通过止回阀与每个制氢装置的反应室腔体并联。

借助于止回阀，在需要拆卸或更换其中一个制氢装置，可以直接将该制氢装置断开，而不会产生氢或氧泄露的风险，并将新的制氢装置连接到系统中。

本文参照优选的实施例详细描述了本公开的多个示例性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本公开构思的前提下，可以对上述具体实施例做出各种变型和改型，还可以对本公开提出的各种技术特征和结构进行组合，而不超出本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (10)

1.一种制氢装置，包括：

反应室腔体，所述反应室腔室容纳电解液；

光伏发电模块，所述光伏发电模块与所述反应室腔体集成，能够将太阳能转化为电能，并在所述光伏发电模块的正极和负极之间产生电势差；

设置在所述反应室腔体内的阳极电极，所述阳极电极电连接到所述光伏发电模块的正极并至少部分地浸泡在电解液中；

设置在所述反应室腔体内的阴极电极，所述阴极电极电连接到所述光伏发电模块的正极并至少部分地浸在电解液中；以及

分别从反应室腔体内排出氢气和氧气的氢排出管道和氧排出管道。

2.根据权利要求1所述的制氢装置，其中，所述光伏发电模块设置在所述反应室腔体内，所述反应室腔体至少部分透明使得所述光伏发电模块能够受到太阳光照射。

3.根据权利要求2所述的制氢装置，其中，在所述电解液的液面上方在所述反应室腔体内形成收集空间，且还包括隔离板，所述隔离板将所述收集空间分隔成分别与氢排出管道和氧排出管道连通的第一空间和第二空间。

4.根据权利要求3所述的制氢装置，其中，所述光伏发电模块至少部分地浸在所述电解液中。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制氢装置，其中，所述氢排出管道和/或所述氧排出管道上设置有检测器。

6.根据权利要求3至4中任一项所述的制氢装置，还包括气体收集系统，所述气体收集系统包括连接到所述氧排出管道的氧气收集设备和/或连接到所述氢排出管道的所述第二空间中氢气收集设备。

7.根据权利要求3至4中任一项所述的制氢装置，其中，所述隔离板为透明隔离板。

8.根据权利要求2至4中任一项所述的制氢装置，其中，还包括电解液循环系统，以循环所述反应室腔体内的电解液。

9.一种制氢系统，包括：

多个如权利要求1至5中任一项所述的制氢装置；以及

氢气收集装置和氧气收集装置，所述多个制氢装置的氢排出管道和氧排出管道分别并联连接并连接到所述氢气收集装置和所述氧气收集装置。

10.根据权利要求9所述的制氢系统，其中，在所述至少一个制氢装置的氧排出管道和氢排出管道上分别设置有止回阀。