一种一体化便携式光伏电解水制氢装置和制氢系统

1.本发明涉及一种电解水制氢装置，具体涉及一种一体化便携式光伏电解水制氢装置和制氢系统。

背景技术：

2.无论是光伏发电还是风力发电都是不稳定的。不稳定的能源对于电网来说就是一个比较麻烦的事。因为电能是一种即发即用的能源，不能被大量储存。多余的电能需要转化成其它形势进行储存，比如抽水蓄能电站，不然就会被浪费。光伏制氢直接将电力转化成氢能源，因此光伏制氢可以很大程度上解决“弃光”的问题。
3.氢能，被誉为21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢能作为二次能源具有以下优点：
①
可储存及远距离输送；
②
可实现高效电能转化和供热；
③
能量密度高；
④
反应产物仅为水，不排放其他污染物；
⑤
氢用途广泛是重要工业原料。目前制氢的主流路线是利用煤炭、天然气等传统能源制氢，但这种制氢模式存在碳排放高的问题。光伏制氢属于“绿氢”，是一种电解水制氢的方法，即光伏发电电解水制氢，不仅生产过程无碳排放，使用过程零碳排放，实现真正的双清洁。因此，利用太阳能制氢是目前能源领域的前沿热点研究方向。
4.光伏制氢系统一般包括光伏组件部分和电解槽部分，主要设备设施包括光伏组件、汇流箱、支架、基础、接地装置等，组件模块较多，连接复杂。cn112575337a公开了光伏制氢设备及其系统，包括电解槽和光伏设备，还包括电热转换机构，用于接收光伏设备聚焦来的光能并同时转换为电能和热能；电热转换机构与电解槽连接，并将电能作为电解槽内电解需要的能量，将热能作为电解槽内电解液的加热能量。该专利中提供的光伏制氢设备及其系统虽然能够具有良好的效率，但是设备结构整体较为复杂，占空间较大，不适于便携使用。

技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种一体化便携式光伏电解水制氢装置和制氢系统，实现了光伏与催化相结合使用，携带方便，也可以集成使用；并且，此装置获得的氢气纯度较高，经简单干燥后即可使用。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.本发明第一方面公开了一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，包括外壳、固定设置于外壳内部的隔板、固定于外壳内侧的太阳能电池以及固定于太阳能电池上的电极；
8.所述的隔板将外壳形成的腔室分隔为底部连通的阴极腔室和阳极腔室，所述的腔室内储有电解液；
9.所述的电极焊接于太阳能电池上，并通过太阳能电池分别固定于阴极腔室和阳极腔室内部；所述的电极浸于电解液中并高于腔室底部的连通处；
10.所述的外壳顶面分别开设有用于排出氢气或氧气的排气口。
11.通过设置隔板将内部的腔室分隔为阴极腔室和阳极腔室，进而能够在阴极和阳极
分别产生氢气和氧气，提高产氢的安全性；在隔板底部留有连通阴极腔室和阳极腔室的空隙，是用于进行离子交换，使电解水制氢能够正常进行。由于设计了底部留空隙的隔板，可以省去传统电解槽中高价的质子交换膜的使用，能够有效降低整体的生产成本，适于便携式设备中的应用。电极设置的位置浸没在电解液中，可以保证电极的正常运作，同时又高于腔室底部的连通处，防止产生的气体由连通处进入另一腔室发生混合引起安全问题；通常可以将连通处的高度设置为隔板高度的1/9-1/7，并保证电极的高度高于连通处。排气口能够与外界装置相连接，使催化反应产生的氢气和氧气输送至指定设备进行后处理或应用。
12.优选地，所述的外壳和隔板为亚克力材料。亚克力材料具有良好的化学稳定性和耐候性等性能并且易于加工，将其作为盛装电解液的容器材料能够提供足够的稳定性和安全性；此外，亚克力材料具有良好的透明性，透光率通常在92％以上，使得安装于腔室内部的太阳能电池能够良好的接收太阳辐射进行发电；亚克力材料本身轻便，密度仅为玻璃的一半，同时具有一定的强度，成本低廉，适于便携化的使用。
13.优选地，所述的太阳能电池为薄膜电池。薄膜电池成本低，厚度小，是一种高效能源产品，同时电解水制氢所需电压较低，采用薄膜电池即足以达到所需电压，相较于传统的太阳能电池能够大幅降低成本，并能够提高空间利用率。
14.优选地，所述的太阳能电池为铜铟镓硒薄膜电池。铜铟镓硒薄膜电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等显著特点，其光电转换效率居各种薄膜太阳电池之首，接近于晶体硅太阳电池，而成本仅为三分之一，因而本发明优选用铜铟镓硒薄膜电池作为太阳能电池可以在保证产电足以用于电解水制氢的前提下，大幅降低生产成本。
15.阳极腔室内的太阳能电池和阴极腔室内的太阳能电池串联连接以共同提供电解水制氢的电压。
16.优选地，所述的电极为nife
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@nf电极。nife
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@nf电极为通过水热法在电极泡沫镍(nf)上生长nife
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纳米催化剂，具体方法为：将摩尔比1：1的feso4·
7h2o和seo2在去离子水中混合均匀，搅拌半个小时后转移到反应釜中，120℃下保持12个小时，然后取出样品后，洗涤烘干。nife
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@nf电极具有良好的催化活性和全水分解性能，因而可以采用较小的电极面积以达到较好的电解效率。
17.优选地，所述的电解液为碱性电解液，浓度为1mol/l。
18.优选地，所述的电解液包括氢氧化钾或氢氧化钠。
19.优选地，所述的电极通过焊锡焊接于太阳能电池上。通过导电金属将电极焊接于太阳能电池上，使电极与太阳能电池相连通。
20.优选地，所述的太阳能电池通过环氧树脂封装后粘接于外壳内部。将太阳能电池封装后可以直接将封装后的太阳能电池固定于腔室内，使焊接在太阳能电池上的电极与电解液直接接触，进行水电解制氢；这样既可以消除需要浸泡于电解液中的电路，避免电路受腐蚀而遭到破坏，同时还能够使光伏电解水制氢装置的光伏部分和电解水制氢部分形成一体，使装置实现一体化，提升小型化和便携化程度。
21.优选地，所述的外壳顶部开设有用于加入电解液的加液口；所述的外壳底部开设有用于排出电解液的出液口。加液口和出液口分别配备有对应的孔塞，用于在正常运行时使内部形成一个除出气口以外的密封腔体；或者可以与外界的电解液储罐相连进行循环流动。
22.本发明第二方面公开了一种一体化便携式光伏电解水制氢系统，由若干个如上任一所述的一体化便携式光伏电解水制氢装置串联或并联组成。通过将光伏电解水制氢装置连接可以进行联合产氢，以满足多样的需求。
23.本发明的工作原理为：
24.隔板将外壳形成的腔室分隔为阳极腔室和阴极腔室，并在隔板底部留有能够供两侧离子交换的缝隙。
25.设置于阳极腔室和阴极腔室内的太阳能电池吸收太阳辐射，并分别在焊接的电极(阳极和阴极)处产生电压进行电解水，隔板底部流出的缝隙处进行离子交换，产生的氢气和氧气在密度差的作用下分别由设置于顶面的出气口排出装置。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.1、本发明将电极焊接于太阳能电池上，并将太阳能电池安装固定于外壳内，使光伏部分与电解水制氢部分两者之间一体化，同时采用发电性能优异的铜铟镓硒薄膜电池作为太阳能电池，采用催化活性优异的nife
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@nf电极作为阴极和阳极的电极，因而本发明的光伏电解水制氢装置具有良好的产氢速率。此外，由本发明的光伏电解水制氢装置制得的氢气产量稳定、纯度高(电解水过程中不会产生其他物质，通过隔板的分隔设置使氢气和氧气分别由阴极和阳极顶部的出气口流出装置而不会发生混合，可以得到高纯度的气体)，经过简单的干燥后即可以进行使用，可以避免因氢气纯度低造成的危险，同时方便后期的使用。由于隔板的巧妙设计，使装置底部相通用于离子交换，可省去质子交换膜；此外装置是分开产生氢气和氧气，不仅保障了安全性，而且易于收集和利用。
28.2、装置的阴极和阳极之间通过隔板进行隔开，并在底部位置留有一空隙用以进行电解过程中的离子交换，这样的设计即可以正常进行电解水制氢，又能够有效隔开阴极和阳极产生的氢气和氧气，防止两侧的气体相互混合后引起安全问题。外壳和隔板均采用亚克力板制作而成，其具有优异的稳定性、加工性和透光性，为太阳能电池安装于外壳内提供了基础条件，并可以通过简单加工制成所需形状的外壳，长时间使用也不会产生诸如受电解液腐蚀等的安全问题；此外，其自身密度小又具有一定强度，适于作为便携式装置的外壳使用，使装置整体轻便化。由于装置采用高催化活性的电极和发电性能良好的太阳能电池，装置整体可以采用小体积设计，此外，由于本身结构简单，重量轻，一体化，因而便于携带使用。
29.3、在外壳上预设有供氧气、氢气分别离开的排气口，可以直接连接至目标管路上，将生成的气体输送至下一目标工序；在外壳上还预设有供电解液进出的加液口和出液口，可以在需要制氢时，加入电解液进行制氢，也可以将加液口、出液口与外部储存电解液的储液器相连接，形成循环，以实现连续制氢；将太阳能电池粘接于外壳内，还可以通过电解液进行一定程度的降温，保证其发电效率处于较高水平。
30.4、将多个本发明的光伏电解水制氢装置连接组合形成阵列系统，即可实现大量制氢，可根据实际情况调整氢气产量，灵活性好，应用面广。
31.5、与现有的光伏电解水制氢技术相比，本发明进一步将光伏电池与催化材料紧密结合，做成一体化装置，同时在电极上生长了纳米催化材料，提高了产氢速率，更方便地将太阳能转化为氢能，促进氢能源的推广。氢气和氧气分开产生，收集，不仅安全性更高，避免了因氢气纯度低造成的危险而且方便后期的使用。
附图说明
32.图1为本发明一体化便携式光伏电解水制氢装置中外壳的结构示意图；
33.图2为本发明一体化便携式光伏电解水制氢装置的结构示意图；
34.图3为实施例1与常规光伏电解水制氢装置的her极化曲线图；
35.图4为实施例1与常规光伏电解水制氢装置的tafel曲线图；
36.图5为实施例1与常规光伏电解水制氢装置的电极阻抗的nyquist图；
37.图中：1-外壳；2-隔板；3-太阳能电池；4-电极。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
39.实施例1
40.一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，如图1和图2所示，包括外壳1、固定设置于外壳1内部的隔板2、固定于外壳1内侧的太阳能电池3以及固定于太阳能电池3上的电极4；
41.隔板2将外壳1形成的腔室分隔为底部连通的阴极腔室和阳极腔室，腔室内储有电解液；
42.电极4焊接于太阳能电池3上，并通过太阳能电池3分别固定于阴极腔室和阳极腔室内部；电极4浸于电解液中并高于腔室底部的连通处；
43.外壳1顶面分别开设有用于排出氢气或氧气的排气口。
44.更具体地，本实施例中：
45.装置外壳1与隔板2均选用亚克力板材料制作(采用pls6mw型号的激光切割机将5mm厚的亚克力板切割至需要的指定尺寸，通过环氧树脂拼装后作为外壳1和隔板2使用)，在隔板2安装至外壳1内后，其下方与外壳1的底部之间留有一小段空隙，使隔板2分隔出来的左右腔室(分别为阳极腔室和阴极腔室)在空隙处相连通，如图1和图2所示，该连通处用于在电解水制氢时，为离子交换提供通道。隔板2的设置使外壳1形成的腔室分隔为阳极腔室和阴极腔室，在阳极腔室和阴极腔室内分别设置一块焊接有电极4的太阳能电池3，并且该两块太阳能电池3之间串联连接。为便于排出电解水产生的气体(氢气和氧气)以及为便于添加、排出电解液，在外壳1上开设有分别用于排出氢气和氧气的两个出气口，该两个出气口分别设置在阴极腔室和阳极腔室的顶部，可以通过管道连接至其他工段或装置进行加工或处理；在外壳1的上部和下部又分别开设有用于补充电解液的加液口和用于排出电解液的出液口，加液口和出液口在不用添加或补充时，均通过配套的孔塞将其堵住，防止电解液漏出或污染电解液。
46.本实施例中，太阳能电池3选用铜铟镓硒薄膜电池，具体参数见表1，其轻质化、成本低适于便携化装置中的使用；并通过焊锡法将电极4直接焊接在太阳能电池3的表面，以向电极4进行供电；电极4焊接位置要求高于隔板2底部的连通处，以使得电解产生的氢气和空气不会通过连通处发生串漏，同时电极4在太阳能电池3上的焊接位置也要求其在运行时，要浸没于电解液中；电极4为两块2
×
2cm2的nife
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@nf电极，是通过水热法在nf电极上生长纳米催化材料，具体方法为：将0.417g的feso4·
7h2o，0.167g的seo2和150ml去离子水混合均匀，搅拌半个小时后转移到反应釜中，120℃下保持12h，然后取出样品后，洗涤烘
干；在将电极4焊接于太阳能电池3上后，最后再通过环氧树脂进行封装，然后将封装后的整体粘合于外壳1内。
47.表1铜铟镓硒薄膜电池性能参数
48.电性能参数(铜铟镓硒)1000w/m2最大功率(pmax)0.5w最大功率点电压(vpm)1.60v最大功率点电流(ipm)0.31a开路电压(voc)2.20v短路电流(isc)0.40a
49.本装置在使用时，将太阳能电池3直接对于太阳光或模拟太阳光上，即太阳光或模拟太阳光垂直照射于太阳能电池3上，此时的发电效率最高，产氢效率最好。
50.本发明的工作原理为：
51.隔板2将外壳1形成的腔室分隔为阳极腔室和阴极腔室，并在隔板2底部留有能够供两侧离子交换的缝隙。
52.设置于阳极腔室和阴极腔室内的太阳能电池3吸收太阳辐射，并分别在焊接的电极4(阳极和阴极)处产生电压进行电解水，隔板2底部流出的缝隙处进行离子交换，产生的氢气和氧气在密度差的作用下分别由设置于顶面的出气口排出装置。
53.性能测试：
54.分别将实施例中的光伏电解水制氢装置以及将nife
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@nf电极替换为常规nf电极的光伏电解水制氢装置进行析氢性能测试分析，测试采用chi660e电化学工作站的三电极系统在1m氢氧化钾电解质溶液中进行。
55.采用1m浓度的氢氧化钾电解液，阴阳两电极4都是nf；在am1.0条件下，实验室模拟太阳光直射在前面板上；产生的气体利用氢气流量计检测，20分钟，氢气产量11.67ml。
56.采用1m浓度的氢氧化钾电解液，阴阳两电极4都是nife
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@nf；在am1.0条件下，实验室模拟太阳光直射在前面板上；产生的气体利用氢气流量计检测，20分钟，氢气产量17.5ml。
57.由上述结果可知，采用nife
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@nf电极的光伏电解水制氢装置的比nf电极的光伏电解水制氢装置具有更高的催化活性，同一条件下，此一体化光伏产氢装置的产氢量能够提升49.96％。
58.采用chi660e电化学工作站的三电极系统，在1m氢氧化钾电解质溶液中分别对nf电极和nife
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@nf电极的光伏电解水制氢装置进行析氢性能的测试：均以5mv
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s-1
的扫描速度进行测试，eis在-10ma电流密度下的过电位和测量频率从105至0.01hz条件下进行测试。cv测试的扫描速率为20-120mv
·
s-1
，电位窗口为-0.9至-0.7v。
59.如图3所示，将所有相对于hg/hgo的电位均通过方程e
rhe
＝e
hg/hgo
+0.098+0.059
×
ph换算为可逆电位。过电势计算公式：η
her
＝e
rhe
；采用nife
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@nf电极的光伏电解水制氢装置在10ma
·
cm-2
和50ma
·
cm-2
处的过电势分别为-59mv和-226mv，其过电势低于采用基底nf电极的光伏电解水制氢装置(-278mv和-420mv)。这表明采用nife
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@nf电极的光伏电解水制氢装置具有优异的催化活性，能以较低电压进行电解制氢。
60.结合图4，tafel图可以通过极化曲线转换得到，转换公式为η＝a+b
×
log|j|；采用
nife
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@nf电极的光伏电解水制氢装置中nife
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@nf电极的tafel斜率为65.9mv
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dec-1
，相比于nf电极(189.8mv
·
dec-1
)的tafel斜率明显降低，表明此电极4的her动力学较快。
61.结合图5，nf半圆最大，表明其在ger过程中具有最大的电子转移界面电阻，证明不是很好的析氢材料；而nife
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@nf电极表现出最小的半圆，说明其具有较高的电荷转移速率。
62.由上述结果可知，nife
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@nf作为电极4比nf作电极4具有更高的催化活性，这一结论与实验室下模拟太阳光产氢的结果相一致，说明在一体化光伏产氢装置中电极4部分生长的纳米催化材料提高了产氢速率，保证便携式一体化光伏产氢装置的产氢效率较高，进一步促进氢能源的推广。本装置结合高性能的太阳能电池3和高性能的电极4，可以在保证产氢效率足够的前提下缩小装置的体积，实现便携的需求，有利于各个领域中的应用和使用。
63.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，包括外壳(1)、固定设置于外壳(1)内部的隔板(2)、固定于外壳(1)内侧的太阳能电池(3)以及固定于太阳能电池(3)上的电极(4)；所述的隔板(2)将外壳(1)形成的腔室分隔为底部连通的阴极腔室和阳极腔室，所述的腔室内储有电解液；所述的电极(4)焊接于太阳能电池(3)上，并通过太阳能电池(3)分别固定于阴极腔室和阳极腔室内部；所述的电极(4)浸于电解液中并高于腔室底部的连通处；所述的外壳(1)顶面分别开设有用于排出氢气或氧气的排气口。2.根据权利要求1所述的一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述的外壳(1)和隔板(2)为亚克力材料。3.根据权利要求1所述的一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述的太阳能电池(3)为薄膜电池。4.根据权利要求3所述的一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述的太阳能电池(3)为铜铟镓硒薄膜电池。5.根据权利要求1所述的一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述的电极(4)为nife
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@nf电极。6.根据权利要求1所述的一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述的电解液为碱性电解液，浓度为1mol/l。7.根据权利要求6所述的一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述的电解液包括氢氧化钾或氢氧化钠。8.根据权利要求1所述的一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述的太阳能电池(3)通过环氧树脂封装后粘接于外壳(1)内部。9.根据权利要求1所述的一种一体化便携式光伏电解水制氢装置，其特征在于，所述的外壳(1)顶部开设有用于加入电解液的加液口；所述的外壳(1)底部开设有用于排出电解液的出液口。10.一种一体化便携式光伏电解水制氢系统，其特征在于，由若干个如权利要求1-9任一所述的一体化便携式光伏电解水制氢装置串联或并联组成。

技术总结

本发明涉及一种电解水制氢装置，具体涉及一种一体化便携式光伏电解水制氢装置和制氢系统，包括外壳、固定设置于外壳内部的隔板、固定于外壳内侧的太阳能电池以及固定于太阳能电池上的电极；隔板将外壳形成的腔室分隔为底部连通的阴极腔室和阳极腔室，腔室内储有电解液；电极焊接于太阳能电池上，并通过太阳能电池分别固定于阴极腔室和阳极腔室内部；电极浸于电解液中并高于腔室底部的连通处；外壳顶面分别开设有用于排出氢气或氧气的排气口。与现有技术相比，本发明进一步将光伏电池与催化材料紧密结合，做成一体化装置，更方便地将太阳能转化为氢能，促进氢能源的推广。促进氢能源的推广。促进氢能源的推广。