一种太阳能电解水制氢系统

技术领域

本发明属于电解制氢相关技术领域，更具体地说，特别涉及一种太阳能电解水制氢系统。

背景技术

随着绿色能源的发展，光伏产业规模不断扩大，产业链的不断完善，随着技术的更新，光伏电池的转换效率不断提高，规模化生产导致生产成本不断下降，光伏的应用具有广阔的前景，随着光伏发电的电价不断下降，光伏产业具有了较强的竞争力，在缺乏电网的地区，电力运输难以实现的区域，例如荒漠、海洋等地区，光伏发电的电力输送网的建设占用成本较高，现有一种太阳能电解水制氢的技术方向，采用绿色环保的方式储存能量。

现有的太阳能电解制氢的方式通常是指利用太阳能板发电，并采用电解的方式，将大量水电解产生氢气和氧气并将之储存于罐体中，以便于运输，但是这种规模化制氢方式需要消耗水资源，且对于水的提纯消耗能源较大，在此基础上，现有技术提出一种能从空气中提水并进行电解制氢的解决方案，然而现有技术中对于电解水的消耗速率和从空中提水的速率并未做出相关匹配的设计，就导致了一下技术问题：

第一、若装置设置在干旱地区，空气中提水速度降低，电解水制氢的反应会受此影响，严重的情况下会造成无水可用的情况，导致产氢量大大降低。

第二、若装置设置在湿度变化较大的区域，从空气中提水的速度也是不稳定的，电解水制氢的反应过程也会受到严重影响，阶段性不规律的制氢效率很低，不利于大规模应用。

第三、太阳能发电制氢的过程中，太阳能板将太阳能按照一定效率转化为电能，在日照条件好的状况下，太阳能板的表面温度非常高，长时间处于这种工况下，太阳能板表面的高热不仅得不到利用，反而减少了太阳能板的使用寿命。

于是，有鉴于此，针对现有的结构及缺失予以研究改良，提供一种太阳能电解水制氢系统，以期达到更加具有实用价值性的目的。

发明内容

本发明提供一种太阳能电解水制氢系统，用于克服现有技术中的上述缺陷。

本发明一种太阳能电解水制氢系统的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：

一种太阳能电解水制氢系统，包括从下到上依次设置的底座、制氢壳体和太阳能板，底座内有相互隔离的储水仓、储氢仓和储氧仓，底座上侧设置制氢壳体，制氢壳体上部具有制氢腔，制氢腔下侧开设空气进入口，制氢腔侧面开设空气排出口，制氢腔内设置空气制氢装置，空气制氢装置的空气进口对齐空气进入口，空气制氢装置的空气出口对齐空气排出口，空气制氢装置的氢气出口处通过管道连通储氢仓，空气制氢装置的氧气出口处通过管道连通储氧仓，制氢壳体和底座之间设置有进气体，进气体内有流道，流道的横截面由下到上逐步增大，流道上侧的大开口连通制氢腔下侧的空气进入口，流道下侧的小开口的侧壁开设能调节开口大小的混风口，储水仓包括上下贯通的容气室和容水室，太阳能板的背面设置吸热管，吸热管的一端通过管道连通容水室，吸热管的另一端通过管道连通容气室，容气室通过管道连通流道下侧的小开口，太阳能板电连接于蓄电池，并且太阳能板或蓄电池电连接于空气制氢装置。

进一步的技术方案，太阳能电解水制氢系统还包括辅助加热装置，辅助加热装置包括支架、第一伸缩杆和若干太阳能加热管，太阳能加热管连接在支架上，支架的下端铰接于底座上侧，支架与底座之间设置第一伸缩杆，第一伸缩杆的两端分别与支架和底座铰接。

进一步的技术方案，储水仓内纵向设置隔板，将储水仓分隔形成冷水仓和热水仓，热水仓内上下滑动设置隔热活塞，隔热活塞下端与储水仓的底壁之间设置弹簧，隔热活塞具有开口向上的凹槽，凹槽朝向隔板的一侧开设第一通道，隔板下部开设第二通道，热水仓的上侧连通热水进口，冷水仓的底部连通冷水出口，热水进口通过管道连通吸热管的一端，冷水出口通过管道连通吸热管的另一端，热水仓上部储存热气的空间通过保温管连通流道下侧的小开口。

进一步的技术方案，储水仓的内壁设置隔热层，热水仓的上壁开设第一安装孔和第二安装孔，第一安装孔内安装单向进气阀，第二安装孔内安装开关阀，开关阀通过管道连通流道下侧的小开口，隔热活塞和储水仓之间设置限位伸缩杆，热水仓的上壁设置气压检测装置。

进一步的技术方案，太阳能电解水制氢系统还包括控制单元，控制单元的输入端电连接气压检测装置，控制单元的输出端电连接开关阀和限位伸缩杆。

进一步的技术方案，流道下侧的小开口的侧壁开设通风口，通风口处可拆卸的设置防尘网，通风口外设置遮风板，遮风板上端与进气体的外壁铰接，遮风板摆动以调节通风口的进气量，并且进气体的外壁上铰接第二伸缩杆的一端，第二伸缩杆的另一端铰接遮风板。

进一步的技术方案，太阳能电解水制氢系统还包括第一湿度检测器、第二湿度检测器和控制单元，第一湿度检测器设置于底座外壁，第二湿度检测器设置于流道内，控制单元的输入端分别与第一湿度检测器和第二湿度检测器电连接，第二伸缩杆为电驱动，控制单元的输出端与第二伸缩杆电连接。

进一步的技术方案，太阳能板的底部设置若干导热层，导热层的下侧连接有导热卡座，导热卡座具有半环形凹槽，半环形凹槽的开口处设置弹性边缘，用于卡住可拆卸的吸热管。

进一步的技术方案，太阳能板的下端与制氢壳体的上表面铰接，太阳能板下表面铰接有第三伸缩杆，第三伸缩杆的底部与制氢壳体的上表面铰接，制氢壳体的上表面向下凹陷形成储水槽，储水槽通过管道连通储水仓。

进一步的技术方案，空气制氢装置包括间隔设置的阳极板和阴极板，在阳极板和阴极板之间设置质子交换膜，质子交换膜的两端分别设置阳极催化板和阴极催化板，阳极板和阳极催化板之间形成阳极气体交换层，阴极板和阴极催化板之间形成阴极气体交换层，阳极气体交换层通过管道连通储氧仓，阴极气体交换层通过管道连通储氢仓。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

在本发明的一种太阳能电解水制氢系统通过设置具有容气室的储水仓、空气制氢装置，并在太阳能板背面铺设吸热管，太阳能板接收太阳光照发电，电力连通空气制氢装置，太阳能板背部的吸热管吸收热量，吸热管内的热水通过管道与储水仓之间形成水循环，一方面有利于降低太阳能板本身的温度，延长太阳能板的使用寿命，另一方面，太阳能板上的热量通过吸热管对储水仓内的水进行加热，储水仓上侧容气室内的空气得到加热，在这一密闭空间内形成高于外界的气压，这一股高压高温高湿度的气体进入到空气制氢装置发生反应，产生氢气和氧气，采用上述设计，光照被部分转化为电能，部分转化为热能，将废热重新利用，产生高湿气体，为空气制氢装置提供水资源。

在本发明的一种太阳能电解水制氢系统中设置了具有特殊流道的进气体，流道自下到上截面积逐步增大，在截面积小的下侧的小开口处流入高压高湿气体，气体流速快、气压低，外界气体通过能调节开口大小的混风口进入到流道内，外界空气和高温高压高湿气体混合，通过控制混风口的大小，可以控制外界空气和高温高压高湿气体之间的比例，以调节混合气体的湿度，混合气体从下到上运动，先通过空气制氢装置下侧的空气进口，经过电解反应，剩余的干燥空气通过两侧的空气排出口排除到外界，在电解反应的过程中，根据电解水的速率，配合合适湿度的空气，从而降低混合气体湿度过大造成的水资源浪费，又可避免由于混合气体湿度过小导致电解水反应缺水的状况，合适湿度的混合气体有利于使得空气制氢装置保持稳定工作，本装置适应于空气湿度变化大的区域，外界空气湿度干燥时，减少外界空气的比例，增大内部高温高压高湿的气体比例，保持电解水制氢气的正常工作，当外界空气湿度较高时，增大外界空气比例，减少内部气体比例，可充分利用空气中的水资源，减少对储水仓中水资源的使用，具有较好的节水性能。

在本发明的一种太阳能电解水制氢系统中为了提高高温高压高湿气体产生的速度，对储水仓进行创作性设计，通过设置热水仓、冷水仓和隔热活塞等，吸热管或太阳能加热管回流的热水通过管道流入到热水仓中，冷水仓的水补充到吸热管或太阳能加热管中完成水循环，此过程中，随着热水仓内水量的增加，热水仓内部气压升高，推动隔热活塞向下移动并挤压弹簧，直到第一通道和第二通道连通，隔热活塞移动到极限位置，在热水仓上部高压气体的推动下，热水通过第一通道和第二通道进入到冷水仓中，从而实现先加热热水仓后加热冷水仓的目的，在第一通道和第二通道未连通的过程中，弹簧不断受到挤压，热水仓内气压也在不断升高，由于热水仓内热水的体积小，容易升温，便于快速制造高压高温高湿度的气体，当第一通道和第二通道连通后，一方面可对热水仓进行泄压，泄压释放的能量实际上被冷水仓内大量的水吸收，冷水仓和热水仓之间的温差减小，有利于降低热水仓向冷水仓传递热量的速率，从而变相的提高了热水仓的保温效果。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的正视结构示意图；

图3是本发明的后视图；

图4是本发明的侧视图；

图5是本发明中制氢壳体的纵向剖视图；

图6是图5中混风口处的放大结构示意图；

图7是本发明中太阳能板背面的结构示意图；

图8是本发明中太阳能板纵向剖视图；

图9是本发明中储水仓纵向剖视图；

图10是本发明中空气制氢装置的结构示意图。

附图标记说明：

10底座、11制氢壳体、12太阳能板、13储水仓、14储氢仓、15储氧仓、16制氢腔、17空气进入口、18空气排出口、19空气制氢装置、20进气体、21流道、22混风口、25吸热管、26支架、27第一伸缩杆、28太阳能加热管、29隔板、30冷水仓、31热水仓、32隔热活塞、33弹簧、34第一通道、35第二通道、36热水进口、37冷水出口、38单向进气阀、39限位伸缩杆、40通风口、41防尘网、42遮风板、43第二伸缩杆、44导热层、45导热卡座、46弹性边缘、47半环形凹槽、48第三伸缩杆、49阳极板、50阴极板、51质子交换膜、52阳极催化板、53阴极催化板、54阳极气体交换层、55阴极气体交换层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如附图1至附图10所示：

本发明提供一种太阳能电解水制氢系统，如图1所示，包括从下到上依次设置的底座10、制氢壳体11和太阳能板12，如图3所示，底座10内有相互隔离的储水仓13、储氢仓14和储氧仓15，底座10上侧设置制氢壳体11，制氢壳体11上部具有制氢腔16，制氢腔16下侧开设空气进入口17，制氢腔16侧面开设空气排出口18，制氢腔16内设置空气制氢装置19，空气制氢装置19的空气进口对齐空气进入口17，空气制氢装置19的空气出口对齐空气排出口18，空气制氢装置19的氢气出口处通过管道连通储氢仓14，空气制氢装置19的氧气出口处通过管道连通储氧仓15，制氢壳体11和底座10之间设置有进气体20，进气体20内有流道21，如图5所示，流道21的横截面由下到上逐步增大，流道21上侧的大开口连通制氢腔16下侧的空气进入口17，流道21下侧的小开口的侧壁开设能调节开口大小的混风口22，储水仓13包括上下贯通的容气室和容水室，如图7所示，太阳能板12的背面设置吸热管25，吸热管25的一端通过管道连通容水室，吸热管25的另一端通过管道连通容气室，容气室通过管道连通流道21下侧的小开口，太阳能板12电连接于蓄电池，并且太阳能板12或蓄电池电连接于空气制氢装置19。

在本实施例中，太阳能电解水制氢系统还包括电力控制单元和发电功率检测单元，发电功率检测单元电连接于太阳能板12，用于检测太阳能板12的发电功率，电力控制单元的输入端电连接于发电功率检测单元，用于判断太阳能板12的发电功率是否低于电解水所需要的设定值，太阳照射顶部的太阳能板12，太阳能板12发出电并储存于蓄电池中，若太阳能板12的发电功率过低，则电力控制单元控制将蓄电池电连接于空气制氢装置19，以稳定空气制氢装置19正常工作。

在本实施例中，本装置工作时，太阳能板12接收太阳光照发电，电力连通空气制氢装置19，太阳能板12背部的吸热管25吸收热量，吸热管25内的热水通过管道与储水仓13之间形成水循环，一方面有利于降低太阳能板12本身的温度，延长太阳能板12的使用寿命，另一方面，储水仓13内的水得到加热，储水仓13上侧容气室内的空气得到加热，在这一密闭空间内形成高于外界的气压，这一股高压高温高湿度的气体通过管道流入到进气体20内下侧的小开口，并经过流道21向上流入到制氢腔16中与空气制氢装置19发生反应产生氢气和氧气，在此过程中，由于流道21自下到上截面积逐步增大，在截面积小的下侧的小开口处，气体流速快、气压低，外界气体受负压作用，通过能调节开口大小的混风口22进入到流道21内，外界空气和高温高压高湿气体混合，如图6所示，通过控制混风口22的大小，可以控制外界空气和高温高压高湿气体之间的比例，以调节混合气体的湿度，混合气体从下到上运动，先通过空气制氢装置19下侧的空气进口，经过电解反应，剩余的干燥空气通过两侧的空气排出口18排除到外界，空气制氢装置19产生的氢气通过管道储存于储氢仓14，产生的氧气通过管道储存于储氧仓15，在电解反应的过程中，根据电解水的速率，配合合适湿度的空气，从而降低混合气体湿度过大造成的水资源浪费，又可避免由于混合气体湿度过小导致电解水反应缺水的状况，有利于使得空气制氢装置19保持稳定工作，本装置适应于空气湿度变化大的区域，外界空气湿度干燥时，减少外界空气的比例，增大内部高温高压高湿的气体比例，保持电解水制氢气的正常工作，当外界空气湿度较高时，增大外界空气比例，减少内部气体比例，可充分利用空气中的水资源，减少对储水仓13中水资源的使用，具有较好的节水性能。

优选的，太阳能电解水制氢系统还包括辅助加热装置，如图4和图2所示，辅助加热装置包括支架26、第一伸缩杆27和若干太阳能加热管28，太阳能加热管28连接在支架26上，支架26的下端铰接于底座10上侧，支架26与底座10之间设置第一伸缩杆27，第一伸缩杆27的两端分别与支架26和底座10铰接。

在本实施例中，第一伸缩杆27伸缩以驱动支架26摆动，支架26带动若干太阳能加热管28倾斜到一定角度，以较好的角度接收太阳光照，太阳能加热管28内部的水吸收热量形成温室回流到储水仓13内，储水仓13底部的冷水通过管道补充到太阳能加热管28内，形成不断加热的水循环，从而辅助的提高储水仓13内的温度。

优选的，如图9所示，储水仓13内纵向设置隔板29，将储水仓13分隔形成冷水仓30和热水仓31，热水仓31内上下滑动设置隔热活塞32，隔热活塞32下端与储水仓13的底壁之间设置弹簧33，隔热活塞32具有开口向上的凹槽，凹槽朝向隔板29的一侧开设第一通道34，隔板29的下部开设第二通道35，热水仓31的上侧连通热水进口36，冷水仓30的底部连通冷水出口37，热水进口36通过管道连通吸热管25的一端，冷水出口37通过管道连通吸热管25的另一端，热水仓31上部储存热气的空间通过保温管连通流道21下侧的小开口。

在本实施例中，由吸热管25或太阳能加热管28回流的热水通过管道流入到热水仓31中，冷水仓30的水补充到吸热管25或太阳能加热管28中，完成水循环，此过程中，随着热水仓31内水量的增加，热水仓31内部气压升高，推动隔热活塞32向下移动并挤压弹簧33，直到第一通道34和第二通道35连通，隔热活塞32移动到极限位置，在热水仓31上部高压气体的推动下，热水通过第一通道34和第二通道35进入到冷水仓30中，从而实现先加热热水仓31后再加热冷水仓30的目的，在第一通道34和第二通道35未连通的过程中，弹簧33不断受到挤压，热水仓31内气压也在不断升高，由于热水仓31内热水的体积小，容易升温，便于快速制造高压高温高湿度的气体，当第一通道34和第二通道35连通后，一方面可对热水仓31进行泄压，泄压释放的能量实际上被冷水仓30内大量的水吸收，冷水仓30和热水仓31之间的温差减小，有利于降低热水仓31向冷水仓30传递热量的速率，从而变相的提高了热水仓31的保温效果。

优选的，储水仓13的内壁设置隔热层，热水仓31的上壁开设第一安装孔和第二安装孔，如图9所示，第一安装孔内安装单向进气阀38，第二安装孔内安装开关阀，开关阀通过管道连通流道21下侧的小开口，隔热活塞32和储水仓13之间设置限位伸缩杆39，热水仓31的上壁设置气压检测装置。

在本实施例中，隔热层的作用是保温作用，单向进气阀38的作用是将外界气体补充到热水仓31内，避免热水仓31在某些情况下产生负压，限位伸缩杆39的作用是限制隔热活塞32向下移动，当气压检测装置检测到热水仓31内气压达到设定值，开关阀开启，内部热气通过管道流入到流道21内，形成高速流动的高湿气体。

优选的，太阳能电解水制氢系统还包括控制单元，控制单元的输入端电连接气压检测装置，控制单元的输出端电连接开关阀和限位伸缩杆39。

在本实施例中，控制单元根据气压检测装置返回的数据，控制开关阀和限位伸缩杆39，当热水仓31内气压达到设定值，开关阀开启，当热水仓31内气压未到设定值，开关阀关闭，限位伸缩杆39在默认状态下缩回，并未阻挡第一通道34和第二通道35的连通，当热水仓31内气压未达到设定值，但是空气制氢装置19又有对高压高湿气体的需求，限位伸缩杆39向上伸出，开关阀开启，将热水仓31上侧的气体强制推出，限位伸缩杆39向下移动复位时，若热水仓31上侧空间形成负压，外部空气可通过单向进气阀38补充到热水仓31内。

优选的，如图6所示，流道21下侧的小开口的侧壁开设通风口40，通风口40处可拆卸的设置防尘网41，通风口40外设置遮风板42，遮风板42上端与进气体20的外壁铰接，遮风板42摆动以调节通风口40的进气量，并且进气体20的外壁上铰接第二伸缩杆43的一端，第二伸缩杆43的另一端铰接遮风板42。

在本实施例中，第二伸缩杆43的伸缩可调节遮风板42的倾斜角度，以调节通风口40的进气量，防尘网41可定期更换。

优选的，太阳能电解水制氢系统还包括第一湿度检测器和第二湿度检测器，第一湿度检测器设置于底座10外壁，第二湿度检测器设置于流道21内，控制单元的输入端分别与第一湿度检测器和第二湿度检测器电连接，第二伸缩杆43为电驱动，控制单元的输出端与第二伸缩杆43电连接。

在本实施例中，控制单元根据第一湿度检测器和第二湿度检测器传回的信号，判断外部空气湿度是否能够满足电解反应的速率，若外部空气湿度较低，则通过控制第二伸缩杆43和遮风板42的角度，减少外部空气的流入量，利用内部的高湿空气为电解反应补充水分，若外部空气湿度很大，足以满足电解反应，则增大外部空气流入量，充分利用外部空气中的水分，减少储水仓13中液态水的消耗。

优选的，如图8所示，太阳能板12的底部设置若干导热层44，导热层44的下侧连接有导热卡座45，导热卡座45具有半环形凹槽47，半环形凹槽47的开口处设置弹性边缘46，用于卡住可拆卸的吸热管25。

优选的，太阳能板12的下端与制氢壳体11的上表面铰接，太阳能板12下表面铰接有第三伸缩杆48，第三伸缩杆48的底部与制氢壳体11的上表面铰接，制氢壳体11的上表面向下凹陷形成储水槽，储水槽通过管道连通储水仓13。

优选的，如图10所示，空气制氢装置19包括间隔设置的阳极板49和阴极板50，在阳极板49和阴极板50之间设置质子交换膜51，质子交换膜51的两端分别设置阳极催化板52和阴极催化板53，阳极板49和阳极催化板52之间形成阳极气体交换层54，阴极板50和阴极催化板53之间形成阴极气体交换层55，阳极气体交换层54通过管道连通储氧仓15，阴极气体交换层55通过管道连通储氢仓14。

本发明的具体使用方法：第一、太阳能板12接收太阳光照发电，电力连通空气制氢装置19，太阳能板12背部的吸热管25吸收热量，吸热管25内的热水通过管道与储水仓13之间形成水循环，一方面有利于降低太阳能板12本身的温度，延长太阳能板12的使用寿命，另一方面，储水仓13内的水得到加热，储水仓13上侧容气室内的空气得到加热，在这一密闭空间内形成高于外界的气压，这一股高压高温高湿度的气体通过管道流入到进气体20内下侧的小开口，并经过流道21向上流入到制氢腔16中与空气制氢装置19发生反应产生氢气和氧气，空气制氢装置19产生的氢气通过管道储存于储氢仓14，产生的氧气通过管道储存于储氧仓15。

第二、在上述过程中，由于流道21自下到上截面积逐步增大，在截面积小的下侧的小开口处，气体流速快，气压低，外界气体通过能调节开口大小的混风口22进入到流道21内，外界空气和高温高压高湿气体混合，通过控制混风口22的大小，可以控制外界空气和高温高压高湿气体之间的比例，以调节混合气体的湿度，混合气体从下到上运动，先通过空气制氢装置19下侧的空气进口，经过电解反应，剩余的干燥空气通过两侧的空气出口排除到外界，在电解反应的过程中，根据电解水的速率，配合合适湿度的空气，从而降低混合气体湿度过大造成的水资源浪费，又可避免由于混合气体湿度过小导致电解水反应缺水的状况，合适湿度的混合气体有利于使得空气制氢装置19保持稳定工作，本装置适应于空气湿度变化大的区域，外界空气湿度干燥时，减少外界空气的比例，增大内部高温高压高湿的气体比例，保持电解水制氢气的正常工作，当外界空气湿度较高时，增大外界空气比例，减少内部气体比例，可充分利用空气中的水资源，减少对储水仓13中水资源的使用，具有较好的节水性能。

第三、为了提高高温高压高湿气体产生的速度，本装置对储水仓13进行创作性设计，通过设置热水仓31、冷水仓30和隔热活塞32等，吸热管25或太阳能加热管28回流的热水通过管道流入到热水仓31中，冷水仓30的水补充到吸热管25或太阳能加热管28中完成水循环；

此过程中，随着热水仓31内水量的增加，热水仓31内部气压升高，推动隔热活塞32向下移动并挤压弹簧33，直到第一通道34和第二通道35连通，隔热活塞32移动到极限位置，在热水仓31上部高压气体的推动下，热水通过第一通道34和第二通道35进入到冷水仓30中，从而实现先加热热水仓31后加热冷水仓30的目的，在第一通道34和第二通道35未连通的过程中，弹簧33不断受到挤压，热水仓31内气压也在不断升高，由于热水仓31内热水的体积小，容易升温，便于快速制造高压高温高湿度的气体，当第一通道34和第二通道35连通后，一方面可对热水仓31进行泄压，泄压释放的能量实际上被冷水仓30内大量的水吸收，冷水仓30和热水仓31之间的温差减小，有利于降低热水仓31向冷水仓30传递热量的速率，从而变相的提高了热水仓31的保温效果。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。