一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置的制作方法

1.本发明涉及质子交换膜电解制氢设备技术领域。


背景技术：

2.绿氢以光伏、风电、水电等可再生能源的电力作为水电解槽的输入能源，将水转换为氢气与氧气并分离后，将氢气压缩或液化后输送、或是现场利用，制造过程中没有碳排放。水电解槽目前有三种技术路线，分别为碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽，它们的电解质、操作温度、转换效率各有不同。质子交换膜电解槽具有无腐蚀性、操作温度低、转换效率高、可模块化等优点，是目前绿氢生产设备的主要研发方向。在电力来源与绿氢生产设备的集成应用上，光伏发电结合质子交换膜电解槽产氢设备是目前较佳的氢气来源解决方案，其模块化的特色可以使得产氢功率达到30mw以上，适合做为固定式制氢工厂，也能作为加氢站的撬装式现场制氢设备。
3.在目前的光伏发电结合质子交换膜电解槽产氢的设备运行过程中，尤其是在满工况时，设备发热量十分可观，这使得部份接口零件长期承受很大的热应力，寿命大大缩短。因此系统冷却能力与能量利用率是光伏电池电解制氢系统的重大课题。


技术实现要素：

4.本发明需要解决的技术问题是：提供一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，其能充分利用设备产生的热量，从而避免零部件长期承受很大的热应力。
5.为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，包括：内部堆叠设置有若干质子交换膜电解电池薄片的质子交换膜电解槽，堆叠设置的质子交换膜电解电池薄片内部设置有冷却通道，冷却通道设置有冷却通道进口和冷却通道出口，质子交换膜电解槽上设置有反应用水进口，反应用水进口与水输入机构相连接，质子交换膜电解槽还连接有水氢分离器和水氧分离器，质子交换膜电解槽与供电机构电连接，水输入机构包括：水槽、去离子器以及将水槽内的水输送至去离子器内的水泵；供电机构包括：光伏电池、电压转换器和储能电池，电压转换器与储能电池之间电连接，电压转换器与储能电池分别与质子交换膜电解槽电连接；水输入机构还包括汽化器和喷射器，汽化器上设置有汽化器水进口和汽化器水出口以及汽化器加热介质进口和汽化器加热介质出口，汽化器中设置有电加热器，去离子器输出端与汽化器进水口相连，汽化器出水口与喷射器相连通，所述的喷射器与反应用水进口相连通；光伏电池上设置有光伏组件散热器，电压转换器上设置有转换器散热器，储能电池中设置有电池散热器；所述的光伏组件散热器、转换器散热器、电池散热器、冷却通道依次连通；冷却通道出口连通至汽化器加热介质进口，汽化器加热介质出口连接至光伏组件散热器，汽化器加热介质出口与光伏组件散热器之间的管路上设置有冷却液输入管和冷却液泵。
6.进一步地，前述的一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，其中，所述的光伏电池包括若干光伏电池板，所述的储能电池包括集成设置的若干电池单元模块；所述的
光伏组件散热器包括设置在每块光伏电池板底部的光伏电池板换热管，所有光伏电池板换热管连通形成光伏电池板换热管组，光伏电池板换热管组设置有光伏电池板换热管组进口和光伏电池板换热管组出口；转换器散热器包括设置在电压转换器底部的转换器冷却管组，转换器冷却管组设置有转换器冷却管组进口和转换器冷却管组出口；电池散热器包括设置在电池单元模块外侧的若干电池冷却管排，电池冷却管排连通形成电池冷却管组，电池冷却管组设置有电池冷却管组进口和电池冷却管组出口；光伏电池板换热管组出口与转换器冷却管组进口相连通，转换器冷却管组出口与电池冷却管组进口相连通，电池冷却管组出口与质子交换膜电解槽的冷却通道进口相连通，冷却通道出口连通至汽化器加热介质进口，汽化器加热介质出口连接至光伏电池板换热管组进口。
7.进一步地，前述的一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，其中，所述的喷射器包括本体，本体上均匀设置有若干喷嘴。
8.进一步地，前述的一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，其中，水氢分离器上设置有第一水输出管，水氧分离器上设置有第二水输出管，第一水输出管和第二水输出管均连接至水槽。
9.进一步地，前述的一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，其中，储能电池与电加热器电连接。
10.进一步地，前述的一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，其中，水槽上设置有检测水槽液位的液位开关。
11.进一步地，前述的一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，其中，所述的电压转换器为dc/dc电压转换器。
12.本发明的优点是：一、采用储能电池作为电力缓存，可以吸收谐波，使质子交换膜电解槽电压稳定，当因天气因素光伏电池无法发电，储能电池可以作为应急电源。二、光伏电池上设置有光伏组件散热器，电压转换器上设置有转换器散热器，储能电池中设置有电池散热器，散热器能有效带走各零部件工作时的热量，从而降低设备温度，避免各元器件在长期的热应力作用下受损，从而有效延长整个制氢装置的使用寿命。吸收了各散热器以及质子交换膜电解槽中热量的冷却介质进入至汽化器中，使得电解用的去离子水加热汽化，加热汽化的去离子水能更均匀的分布至质子交换膜电解槽中，从而能大大提高电解效率。四、汽化器中设置了电加热器，这能进一步确保汽化器中的去离子水完全汽化，从而进一步大大提高去离子水在质子交换膜电解槽中分布均匀性，从而进一步提高电解效率。
附图说明
13.图1是本发明所述的一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置的工作原理示意图。
14.图2是图1中喷射器的结构示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
16.如图1所示，一种基于光伏电池的质子交换膜电解制氢装置，包括：内部堆叠设置有若干质子交换膜电解电池薄片的质子交换膜电解槽1，质子交换膜电解槽1上设置有反应
用水进口101，反应用水进口101与水输入机构相连接。质子交换膜电解槽1内的质子交换膜电解电池薄片内部设置有冷却通道，冷却通道设置有冷却通道进口102和冷却通道出口103。质子交换膜电解槽1还连接有水氢分离器11和水氧分离器12。质子交换膜电解槽1电连接有供电机构。水输入机构包括：水槽5、去离子器7、泵送水槽5内的水至去离子器7内的水泵6、汽化器8、喷射器13。汽化器8结构简单，内设加热介质管路。汽化器8上设置有汽化器水进口81和汽化器水出口82以及汽化器加热介质进口83和汽化器加热介质出口84，汽化器出水口82与喷射器13相连通，所述的喷射器13与反应用水进口101相连通。如图2所示，喷射器13包括本体131，本体131上均匀设置有若干喷嘴132本实施例中，汽化器8中还设置有电加热器80，电加热器80与储能电池3电连接。
17.供电机构包括：光伏电池4、电压转换器2和储能电池3，本实施例中所述电压转换器2为dc/dc电压转换器。电压转换器2与储能电池3之间电连接，电压转换器2与储能电池3分别与质子交换膜电解槽1电连接，所述的光伏电池4包括若干光伏电池板，所述的储能电池3包括集成设置的若干电池单元模块。
18.光伏电池4上设置有光伏组件散热器41，电压转换器2上设置有转换器散热器21，储能电池3中设置有电池散热器31，所述的光伏组件散热器41、转换器散热器21、电池散热器31以及冷却通道依次相连通。本实施例中，为了节约成本，光伏组件散热器41、转换器散热器21、电池散热器31以及冷却通道中的换热介质可以是乙二醇水溶液。
19.具体地，光伏组件散热器41包括设置在每块光伏电池板底部的光伏电池板换热管，所有光伏电池板换热管连通形成光伏电池板换热管组，光伏电池板换热管组设置有光伏电池板换热管组进口411和光伏电池板换热管组出口412。转换器散热器21包括设置在电压转换器底部的转换器冷却管组，转换器冷却管组设置有转换器冷却管组进口211和转换器冷却管组出口212；电池散热器31包括设置在电池单元模块外的电池冷却管排，所有电池冷却管排连通形成电池冷却管组，电池冷却管组设置有电池冷却管组进口311和电池冷却管组出口312。光伏电池板换热管组出口412与转换器冷却管组进口211相连通，转换器冷却管组出口212与电池冷却管组进口311相连通，电池冷却管组出口312与质子交换膜电解槽1的冷却通道进口102相连通，冷却通道出口103连通至汽化器换热介质进口83，汽化器换热介质出口84与电池板换热管组进口411连通，汽化器换热介质出口84与光伏电池板换热管组进口411之间的管路上设置有输入管9和冷却液泵10。图1中光伏组件散热器41、转换器散热器21、电池散热器31均为示意。
20.本实施例中，汽化器8与质子交换膜电解槽1的反应水输入口101之间还设置有喷射器13，所述的喷射器13包括本体13，本体13上设置若干喷嘴131。
21.水氢分离器11上设置有第一水输出管111，水氧分离器12上设置有第二水输出管121，第一水输出管111和第二水输出管121均连接至水槽5。水槽5上设置有检测水槽5液位的液位开关。
22.具体工作原理如下：水槽5内的水为自来水，水槽5上的液位开关实时监测水位，一旦水位低于最低水位则开始补水，直至达到高水位，以此保证水槽5内的水量合理。水泵6将水槽5内的水输送至去离子器7中，制氢过程中可以根据产能需要调整水泵6的转速。去离子器7将自来水中的颗粒、有机物、金属离子、气体分子等杂质滤出，从而形成去离子水。去离子水进入汽化器8中。设置汽化器8的目的在于提升去离子水的水温使得去离子水汽化，汽
化器8中的热量来自于两部分，一部分是汽化器8中的换热介质，一部分来自于电加热器80，汽化器8中的换热介质与电加热器80确保将去离子水完全汽化。汽化后的去离子水经喷射器13喷射进入反应水输入口101。汽化后的去离子水经喷射器13喷射，这样的目的在于使得去离子水呈小分子状均匀分布在反应水输入口101，从而使得反应水输入口101中的气态的去离子水能均匀地进入至质子交换膜电解电池薄片之间，即在整个质子交换膜电解槽1内均匀分布，从而有效提高水电解效率。电解产生的水和氢气进入水氢分离器11，水氢分离器11中分离出的氢气输出储存，分离出的水经第一水输出管111回流至水槽5中。电解产生的水和氧气进入水氧分离器12，水氧分离器12中分离出的氧气向外输出，分离出的水经第二水输出管121回流至水槽5中。
23.光伏电池4将光能转换成电能，电能经dc/dc电压转换器输送至质子交换膜电解槽1。电能同时输送至储能电池3中储存。储能电池3则作为应急电源使用。储能电池3为汽化器8中的电加热器80提供电能。dc/dc电压转换器会根据产氢量需求，调整电能的输出电压。储能电池3平时作为电力的缓存池，可以缓和dc/dc电压转换器2输出电压的变动，在光伏电池4不发电时，能作为质子交换膜电解槽1的应急电源，进行降载或停机操作。
24.本实施例中，光伏组件散热器41、转换器散热器21、电池散热器31、质子交换膜电解槽1中的冷却通道、汽化器8依次相连通从而形成一个热能利用回路。该热能利用回路中的水依次经过光伏组件散热器41中的光伏电池板换热管组、转换器散热器21的转换器冷却管组、储能电池3的电池散热器31中的电池冷却管组、质子交换膜电解槽1的冷却通道、汽化器8再回流至光伏组件散热器41中的光伏电池板换热管组；此过程中，换热介质依次吸收光伏电池4光电转化过程中产生的热量、储能电池3工作时产生的热能、质子交换膜电解槽1工作时产生的热能，然后再进入汽化器8为去离子水汽化提供热能。释放了热能的换热介质再回流至光伏组件散热器41。该热能利用回路中的换热介质从输入管9补充，整个热能利用回路中换热介质的动力由冷却液泵10提供。
25.本发明的优点在于：一、采用储能电池作3为电力缓存，可以吸收谐波，使质子交换膜电解槽1电压稳定，当因天气因素光伏电池4无法发电，储能电池3可以作为应急电源。二、光伏电池4上设置有光伏组件散热器41，电压转换器2上设置有转换器散热器21，储能电池3中设置有电池散热器31，散热器能有效带走各零部件工作时的热量，从而降低设备温度，避免各元器件在长期的热应力作用下受损，从而有效延长整个制氢装置的使用寿命。吸收了各散热器以及质子交换膜电解槽1中热量的换热介质进入至汽化器8中，使得电解用的去离子加热汽化，加热汽化的去离子水能更均匀的分布至质子交换膜电解槽1中，从而能大大提高电解效率。四、汽化器8中设置了电加热器80，这能进一步确保汽化器8中的去离子水汽化所需的热量，从而进一步大大提高去离子水在质子交换膜电解槽1中分布均匀性，从而进一步提高电解效率。