一种利用太阳能全光谱直接电解海水制氢装置及方法

本发明属于太阳能利用，具体涉及一种利用太阳能全光谱直接电解海水制氢装置及方法。

背景技术：

1、为顺应全球绿色低碳的发展趋势，响应我国“双碳”战略目标，可再生能源正在逐步取代传统化石燃料以降低碳排放，缓解环境压力。氢能作为一种可再生二次能源，具有能量密度大、热值高、来源广泛、转化效率高等特点，是21世纪最具发展潜力的清洁能源。当前96％的制氢原料来自煤、石油、天然气等化石能源，因此找到一种利用可再生能源制氢的方法是十分必要的。水作为地球上最丰富的原材料之一，通过电解、光解等水分解过程可实现氢气生产。利用可再生能源转化的电能电解水所制备的氢气，从生产到消费全过程可实现零碳排放。由于海水占全球总水量97％，电解海水制氢可有效降低产氢成本，而海水中存在的cl-、mg2+等离子在直接电解时会出现盐沉淀与氯气析出等现象，影响产氢的效率与氢气品质，同时还会造成电解槽的腐蚀。因此将电解水制氢与海水淡化相结合，利用淡化后的海水进行电解，实现了低成本的水资源供应。

2、电解水制氢与海水淡化两者都面临着能量来源的问题。目前现有利用膜结构直接电解海水制氢的系统，它的优点是可以在海水的环境中利用膜结构将淡水与海水中的盐离子进行分离，再对淡水进行电解，实现海水原位直接电解，然而这一系统对于外界提供电能这一要求是必需的。而目前越来越多的海水淡化装置依托于对太阳能的利用实现热能的提供，同时有海水淡化装置利用水层逆向蒸发并进行多级设计，实现了太阳能的高效利用。若能够将太阳能同样作为电解的能量来源，使电解制氢与海水淡化都以太阳能驱动，则可避免系统对于化石燃料的使用，实现绿氢的生产与可再生能源的利用。

3、目前尚缺少利用太阳能光伏光热特性分别驱动电解制氢与海水淡化相结合的系统。如果利用太阳能的光伏能量为电解水提供电能电解产生氢气与氧气，海水吸收光热能量进行淡化实现淡水产出，氢气作为小分子气体促进海水淡化，同时回收海水和光伏余热，则可以实现系统能量高效利用，减少能量损耗与流失，实现直接利用海水制氢的需求。

技术实现思路

1、综上所述，本发明提出了一种利用太阳能全光谱直接电解海水制氢装置及方法，利用太阳能全光谱利用装置对太阳光分别进行光伏光热利用，太阳能全光谱利用装置下方覆盖有太阳能电池板，太阳能电池板将入射的太阳能转化为电能，而太阳能全光谱利用装置吸收太阳能转化的光热能量，被y形翅板传递到海水环形管道的常温海水中，吸收热量的热海水进入海水淡化部分。海水在淡化部分经过蒸发冷凝获得淡水与高温高浓度盐水。淡水流入电解系统对碱性电解液进行补充，利用太阳能电池板输出的电能进行电解，电解产物氢气输入到冷凝腔内作为小分子气体促进水蒸气向下扩散冷凝，进而提高冷凝速率，多余氢气则通过气液分离管进行收集，而电解池与高温的高浓度盐水和太阳能电池板进行换热，回收海水余热和光伏余热，提高电解槽内的温度，降低电解的电能消耗，提高系统能量利用率。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

3、一种利用太阳能全光谱直接电解海水制氢装置，其主要结构包括玻璃板、太阳能全光谱利用装置、太阳能电池板、碱性电解液、阳极电解棒、y形翅板、dc-dc转换器、导线、微孔疏水膜、支撑架、铝板、氢气通气管、导水管、浓盐水排出管、阴极电解棒、冷凝腔、气液分离管、电解槽外壳、冷凝腔外壳、氧气导出管、海水进水口、海水环形管道，其中：

4、所述太阳能全光谱利用装置能够对太阳光进行光伏与光热的分别利用，从而实现太阳能全光谱的利用；

5、所述太阳能全光谱利用装置顶部紧贴玻璃板，底部紧贴太阳能电池板，四周紧贴海水环形管道，位于封闭腔室内，与外界无直接物质交换；

6、所述海水环形管道由海水进水口输送自然界冷海水进行水源补充，海水在海水环形管道内部与太阳能全光谱利用装置进行热传导升温后流出并汇入热海水中；

7、所述太阳能电池板发电后通过dc-dc转化器稳定并控制电压，dc-dc转化器通过导线连接阳极电解棒与阴极电解棒，电解过程中阳极电解棒表面产生氧气，阴极电解棒表面产生氢气；

8、所述电解槽外壳与阳极电解棒、阴极电解棒紧密连接，形成c形的密封腔体，阳极电解棒位于电解槽外壳c形槽内顶部，阴极电解棒位于电解槽外壳底部，电解槽外壳内部充满碱性电解液；

9、所述冷凝腔外壳内部有热海水、微孔疏水膜、支撑架、淡水、铝板、氢气通气管、导水管；

10、所述热海水位于微孔疏水膜上方，支撑架位于微孔疏水膜下方，由支撑架到铝板之间与冷凝腔外壳形成的腔体为冷凝腔；

11、所述微孔疏水膜仅允许热海水中蒸发产生的水蒸气透过，阻止液态水通过，水蒸气在热海水下表面产生并透过微孔疏水膜，在冷凝腔内向下方自由扩散至铝板表面并冷凝为淡水，水蒸气的冷凝潜热被铝板吸收；

12、所述微孔疏水膜由支撑架支撑固定；

13、所述微孔疏水膜上方经过淡化后的热海水右侧设置有阀门进行流向控制，热海水根据不同盐度与温度，可调节流入浓盐水排出管或下一级海水层或直接流出系统；

14、所述浓盐水排出管为l形，与冷凝腔外壳侧壁、电解槽外壳侧壁和阴极电解棒底部紧贴；

15、所述浓盐水排出管可由热海水进行补充，此外也可由海水环形管道内高温海水直接补充，以提高浓盐水排出管内海水温度，浓盐水排出管也可由太阳光直接照射进行能量补充；

16、所述电解槽外壳顶部紧贴太阳能电池板，侧面紧贴浓盐水排出管，可对太阳能电池板的光伏余热或对浓盐水排出管的海水余热或对两者同时进行换热，减少系统热量的损失，同时使碱性电解液温度升高，提高电解槽内温度以降低电解的电能消耗，从而提高系统的效率；

17、所述氢气通气管上端位于冷凝腔内，下端浸于电解槽外壳c形槽下端碱性电解液中，氢气通气管将电解产物氢气导入到冷凝腔内使氢气与水蒸气混合，氢气作为小分子气体促进水蒸气向下方定向扩散，提高水蒸气的冷凝速率从而增加淡水的产出，强化了海水淡化的传热传质过程；

18、所述导水管上端位于冷凝腔内，下端浸于电解槽外壳c形槽下端碱性电解液中，在铝板上方设有开口，使淡水流入管内并对碱性电解液进行补充，实现了海水淡化产物的系统内利用；

19、所述气液分离管整体浸于碱性电解液中，右侧设有两开口分别连通冷凝腔与淡水，左侧开口用于收集多余氢气；

20、氢气充满冷凝腔后连同冷凝腔内的水蒸气进入气液分离管，水蒸气冷凝回流汇入淡水，氢气通过气液分离管左侧开口进行收集；

21、由于微孔疏水膜上方为水层，且冷凝腔下方为铝板密封，因此氢气进入冷凝腔后仅充满冷凝腔，多余氢气进入气液分离管而不会进入热海水水层内；

22、氧气在阳极电解棒表面产生，在水压作用下运动并驱动碱性电解液与太阳能电池板换热，并通过氧气导出管导出，提高光伏余热的吸收速率同时促进碱性电解液内部达到热平衡状态。

23、一种利用太阳能全光谱直接电解海水制氢的装置及方法，该方法包括：太阳光透过玻璃板照射到太阳能全光谱利用装置上表面，太阳能全光谱利用装置对太阳光进行光伏与光热的分别利用：太阳能光伏能量被太阳能电池板吸收发电，通过dc-dc转换器和导线连接阳极电解棒和阴极电解棒，阴极电解棒表面电解产生氢气，氢气通过氢气连通管导入到冷凝腔，阳极电解棒表面电解产生氧气，氧气在水压作用其驱动碱性电解液流动并通过氧气导出管排出，可提高碱性电解液与太阳能电池板的换热效率，降低太阳能电池板温度过高导致效率下降的影响，对光伏余热进行回收；太阳能光热能量被太阳能全光谱利用装置所吸收，通过y形翅板热传导到海水环形管道的海水中，海水环形管道内海水由海水进水口流入，被y形翅板加热升温后汇入到热海水中，热海水蒸发产生的水蒸气透过微孔疏水膜扩散到冷凝腔内，冷凝腔内氢气作为小分子气体促进水蒸气向下方定向扩散，提高水蒸气的冷凝速率从而增加淡水的产出，多余氢气通过气液分离管排出，水蒸气在气液分离管内冷凝回流至淡水中，在多级海水淡化设计情况下，水蒸气冷凝为淡水的冷凝潜热被铝板传导至下一层海水中促进海水蒸发，产生的水蒸气继续冷凝为淡水，实现淡水的多级产出，经过淡化后的热海水流入浓盐水排出管中与电解槽外壳和阴极电解棒进行换热，减少系统热量流失，同时碱性电解液温度升高使得电解槽内温度提高，减少电解的电能消耗，从而提高系统效率。

24、所述冷凝腔外壳内部可进行多级海水淡化设计，冷凝腔外壳内部设有微孔疏水膜、支撑架、铝板、氢气通气管、导水管、冷凝腔进行水蒸气扩散冷凝和淡水产出，将新一级微孔疏水膜置于上一级铝板下方，预留高度作为水层，并增设海水进水口进行海水供给，支撑架对新一级微孔疏水膜进行支撑固定，新一级冷凝腔高度为支撑架下方至铝板距离，在新一级冷凝腔内增设氢气连通管，导水管在新一级铝板上方开口使淡水流入，经过淡化后热海水流入到浓盐水排出管中，重复该设计可实现多级海水淡化设计；在淡化过程中水蒸气在铝板表面冷凝为淡水时冷凝潜热可通过铝板传递到下一级海水中促进海水的蒸发，产生的水蒸气在下一级铝板表面冷凝为淡水时其冷凝潜热继续通过铝板传递，以此类推实现多级淡水的产出，从而提高系统对能量的利用率。

25、所述y形翅板根部与太阳能全光谱利用装置外壳连接，顶部位于海水环形管道内部，可将太阳能全光谱利用装置所转化的热能传输到海水中，增大与海水环形管道内海水的换热面积，增强系统内热量传递。

26、所述太阳能全光谱利用装置包含光伏光热模式与分频模式两种方法来实现太阳能的全光谱利用：在光伏光热模式下，太阳能全光谱利用装置内部可使用水作为介质填充，太阳光直射使水温升高，太阳能全光谱利用装置利用与其外壳连接的y形翅板与海水环形管道内海水进行换热，透过水层的阳光被太阳能电池板利用进行发电，太阳能电池板的光伏余热通过热传递被碱性电解液所吸收，实现了光伏与光热的分别利用；在分频模式下，太阳能全光谱利用装置使用纳米流体作为分频材料进行填充，通过对纳米流体中纳米颗粒浓度与流体厚度进行调节，使太阳能电池板所能利用频率波段的光线透过太阳能全光谱利用装置，太阳能电池板利用透过的光线进行光伏发电，而太阳能全光谱利用装置将其余太阳光能量通过纳米流体吸收以提高温度，并通过y形翅板传输热量到海水环形管道内海水中，通过分频实现了太阳能全光谱的利用，提高了太阳能的利用效率。

27、所述太阳能全光谱利用装置将太阳能转化为光伏光热的能量，海水通过吸收y形翅板传递的热量升高温度并汇入热海水，热海水蒸发冷凝产生的淡水通过导水管进入到电解环节内对碱性电解液进行补充，或被导出收集到淡水罐中；太阳能电池板利用光伏能量进行发电，通过dc-dc转换器和导线连接阳极电解棒和阴极电解棒，阴极电解棒表面产生的氢气通过氢气通气管充入冷凝腔内，氢气作为小分子气体与水蒸气混合促进水蒸气向下方定向扩散，提高冷凝速率从而增加淡水产出，冷凝腔外壳内嵌于电解槽外壳的c形槽内，太阳能电池板的光伏余热和浓盐水排出管的海水余热通过热传导提高碱性电解液的温度，进而提高电解槽内温度，减少电解的电能消耗；装置的一体化设计实现了对电解产物氢气与海水淡化产物淡水的物质利用和对太阳能电池板光伏余热与浓盐水排出管的海水余热的能量回收，提高了装置效率。

28、所述阴极电解棒表面电解产生的氢气通过氢气通气管充入冷凝腔，氢气作为小分子气体促进水蒸气向下方定向扩散，提高水蒸气的冷凝速率从而增加淡水的产出，强化了海水淡化的传热传质过程；阳极电解棒表面电解产生的氧气在水压作用下运动并驱动碱性电解液与太阳能电池板换热，从而降低太阳能电池板温度过高导致效率下降带来的影响，同时提高光伏余热的吸收速率并促进碱性电解液达到热平衡状态。

29、所述蒸发后的热海水流入浓盐水排出管，浓盐水排出管呈l形同时与电解槽外壳和阴极电解棒紧贴，其结构设计增大了与电解槽外壳和阴极电解棒的换热面积，浓盐水排出管中的海水余热可通过电解槽外壳和阴极电解棒进行热传递，被碱性电解液吸收；太阳能电池板背面与电解槽外壳顶部紧贴，其光伏余热通过电解槽外壳进行热传递，被碱性电解液吸收，海水余热与光伏余热的回收减少了系统热量的流失，同时使电解槽内温度提高，减少电解的电能消耗，从而提高系统效率。

30、所述冷凝腔内作为小分子气体促进水蒸气向下扩散冷凝的氢气氢气、氦气、甲烷可由商业小分子气体进行替换，氢气在阴极电解棒表面产出后可直接设置导出管进行收集，商业小分子气体以氦气为例，可提前通入到冷凝腔内，由于氦气与氢气摩尔质量都小于水分子，因此都能够作为小分子气体促进水蒸气的向下扩散冷凝，同时无需氢气通气管与气液分离管的设计，实现装置结构的简化。

31、所述热海水右侧末端设有阀门调节，当热海水经过淡化后为高温浓盐水时，可调节阀门通入浓盐水排出管；当热海水流速较快，经过淡化后为浓度较低时，可调节阀门将高温海水通入下一级海水层，通过液体混合实现热量内部传导，减少热量流失，快速提高下层海水温度，增加水蒸气产量从而增加淡水产出；当热海水流速较慢，淡化后的浓盐水温度较低，可调节阀门将浓盐水直接排出系统；通过对热海水末端阀门的调节，使得系统在不同温度与浓度的海水情况下均可正常工作，从而提高系统的实用性与稳定性。

32、本发明所产生的有益效果是：

33、(1)海水淡化多级设计，通过对冷凝腔外壳内部结构的重复设计，并增设氢气通气管和海水进水口，使得下一级海水可对上一级淡水的冷凝潜热进行利用，减少热量的损失，并实现淡水的多级产出，提高系统能量的利用效率。

34、(2)实现太阳能全光谱的利用，太阳能全光谱利用装置在不同模式下对太阳能的光热光伏能量进行转化，光伏能量被太阳能电池板利用转化为电能，光热能量被y形翅板传递到海水内，提高海水温度进行海水淡化，提高了能量的利用效率，另外电解水制氢的能量来源于光伏发电，整个装置可独立运行，无需化石能源的能量输入，实现绿氢的低成本生产。

35、(3)海水淡化电解装置为一体化装置，避免了复杂了系统连接，电解产物氢气作为小分子气体可促进水蒸气向下扩散冷凝，提高冷凝速率，海水淡化产物淡水可通入碱性电解液进行补充，或被导出收集到淡水罐中，浓盐水的海水余热与太阳能电池板的光伏余热被回收用于加热电解液，系统中电解与海水淡化的产物实现相互利用，海水余热与光伏余热实现回收，装置结构紧凑。

36、(4)电解水产生的氢气与氧气，在碱性电解液压力作用下离开电极表面，避免气体留滞降低电解反应发生面积，同时促进碱性电解液中离子浓度的平衡，电解产物氢气作为小分子气体与水蒸气混合，可促进水蒸气的向下扩散冷凝，提高水蒸气的冷凝效率从而增加淡水产出，另外电解产物氧气通过驱动碱性电解液流动促进碱性电解液与太阳能电池板换热以吸收光伏余热，降低太阳能电池板温度过高导致效率下降带来的影响。

37、(5)经过淡化后的热海水流入浓盐水排出管，由于浓盐水排出管的l形设计与电解槽外壳和阴极电解棒紧贴，浓盐水排出管的海水余热被碱性电解液吸收，同时太阳能电池板的光伏余热通过电解槽外壳传输到碱性电解液内；海水余热和光伏余热的回收使得碱性电解液温度升高，提高电解温度，降低电解的电能消耗，同时减少系统能量的流失，从而提高系统效率。