太阳能电解海水制氢装置及其方法与流程

1.本发明涉及制氢设备技术领域，特别是涉及一种太阳能电解海水制氢装置及其方法。

背景技术：

2.今年来环境保护越来越受重视，而环保能源是其中最重要的一环。氢气的燃烧热值远远高于化石燃料，且反应产物只有水，不会产生温室气体和其他污染物，是理想的清洁燃料。

3.但是自然界的中存在的氢气含量小，因此只能通过化学方法制取氢气。电解水制取氢气是常用的制氢方法，具有原材料可再生、全程无污染的优点，但是制取成本过高限制了氢气燃料的推广，成本的主要来源是电解水的电量消耗；而太阳能作为可再生的清洁能源，但是太阳能受地域和时间的限制较大，发电量稳定性低，同时也无法作为燃料使用。因此设计一种太阳能电解海水制氢装置及其方法将太阳能光伏与电解水制氢气结合起来能有效解决上述问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种太阳能电解海水制氢装置及其方法，以解决上述现有技术存在的问题。

5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种太阳能电解海水制氢装置，包括：

6.光伏机构；

7.储能机构，所述储能机构与所述光伏机构电性连接；

8.电解机构，所述电解机构包括反应外壳，所述反应外壳的底端设置有电解室，所述电解室内设置有电解电极，所述电解电极与所述储能机构电性连接；所述电解室的顶端连通有分离室，所述分离室内设置有分离组件；所述分离室的顶端设置有氧气出口和氢气出口；

9.补水机构，所述补水机构包括与所述电解室连通的补水泵，所述补水泵的进口连通有蓄水池，所述蓄水池内设置有海水处理组件；

10.储气机构，所述储气机构包括氧气瓶和氢气瓶，所述氧气瓶与所述氧气出口连通，所述氢气瓶与所述氢气出口连通。

11.优选的，所述分离组件包括转动连接在所述分离室内的强磁转轮，所述强磁转轮逆时针转动；所述氧气出口设置在所述强磁转轮转动方向，所述氧气出口与所述强磁转轮对应设置。

12.优选的，所述氧气出口与所述氢气出口之间设置有隔离墙，所述隔离墙的底端与所述强磁转轮的外壁密封抵接。

13.优选的，所述电解室的顶端设置有混合室，所述混合室顶端连通有连通管，所述连

通管伸入所述分离室内；所述连通管的进口依次设置有纳米滤膜和除水层；所述连通管的出口与所述强磁转轮对应设置。

14.优选的，所述电解室的侧壁设置有液位传感器，所述液位传感器与所述补水泵电性连接。

15.优选的，所述海水处理组件包括设置固定安装在所述蓄水池内的海水淡化装置，所述海水淡化装置将所述蓄水池分割成海水池和淡水池，所述淡水池的出口与所述补水泵连通；所述海水池的进口设置有过滤装置。

16.优选的，所述电解室内的水中添加有催化剂。

17.优选的，所述电解室的侧壁敷设有隔离层。

18.一种太阳能电解海水制氢方法，包括以下步骤：

19.1)光伏机构发电后存储在储能机构内；

20.2)补水机构处理海水，并将处理后的海水泵入电解室内；

21.3)储能机构提供电能，电解电极在电解室内电解海水；

22.4)电解产生的氢氧混合气进入分离室，分离组件分离氢气和氧气分别进入氢气瓶和氧气瓶；

23.5)补水机构的补水泵时刻注意补水。

24.本发明公开了以下技术效果：本发明题提供了一种太阳能电解海水制氢气的装置与方法，光伏机构将不稳定的太阳能转化成稳定的电能，并经过储能机构的稳定后存储，为后续电解海水提供稳定的电能来源，减少了对已有电能的消耗，大大降低了电解海水的成本；电解室内的电解电极通过储能机构提供的电能电解海水生成氢气和氧气，生成的氢气和氧气进入分离室后经过分离组件的分离后进入储气机构，完成氢气和氧气的生成与分离的过程，分离速度快，分离后的气体纯度高；补水机构主要用于为电解室提供电解的海水，并时刻补充电解消耗的海水，保证电解反应持续稳定的进行。本发明利用太阳能发电再电解海水制取氢气，将不稳定的太阳能转化成氢气燃料，提高了太阳能的利用率，同时降低了制取氢气对不可再生能源的消耗，大大降低了氢气的制取成本，为氢气的推广利用提供了便利，有利于大气污染的治理和降低资源的消耗，有利于环境保护的实施。

附图说明

25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

26.图1为本发明太阳能电解海水制氢装置原理图；

27.图2为本发明电解机构结构示意图；

28.图3为图2中a的局部放大图；

29.图4为本发明蓄水池结构示意图；

30.图5为本发明储能机构结构示意图；

31.图6为本发明太阳能电解海水制氢装置工作流程图；

32.其中，1、光伏机构；2、储能机构；3、电解机构；4、外壳；5、电解室；6、电解电极；7、分

离室；8、补水机构；9、补水泵；10、蓄水池；11、氧气瓶；12、氢气瓶；13、氢气出口；14、氧气出口；15、隔离墙；16、混合室；17、连通管；18、除水层；19、液位传感器；20、海水淡化装置；21、海水池；22、淡水池；23、过滤装置；24、隔离层；25、储气机构；26、强磁转轮；27、直流变压器；28、直流蓄电池；29、逆变器；30、纳米滤膜。

具体实施方式

33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

35.参照图1-6，本发明提供一种太阳能电解海水制氢装置，包括：

36.光伏机构1；

37.储能机构2，储能机构2与光伏机构1电性连接；

38.电解机构3，电解机构3包括反应外壳4，反应外壳4的底端设置有电解室5，电解室5内设置有电解电极6，电解电极6与储能机构2电性连接；电解室5的顶端连通有分离室7，分离室7内设置有分离组件；分离室7的顶端设置有氧气出口14和氢气出口13；

39.补水机构8，补水机构8包括与电解室5连通的补水泵9，补水泵9的进口连通有蓄水池10，蓄水池10内设置有海水处理组件；

40.储气机构25，储气机构25包括氧气瓶11和氢气瓶12，氧气瓶11与氧气出口14连通，氢气瓶12与氢气出口13连通。

41.本发明提供的太阳能电解海水制氢气的装置与方法，光伏机构1将不稳定的太阳能转化成稳定的电能，并经过储能机构2的稳定后存储，为后续电解海水提供稳定的电能来源，减少了对已有电能的消耗，大大降低了电解海水的成本；电解室5内的电解电极6通过储能机构2提供的电能电解海水生成氢气和氧气，生成的氢气和氧气进入分离室7后经过分离组件的分离后进入储气机构25，完成氢气和氧气的生成与分离的过程，分离速度快，分离后的气体纯度高；补水机构8主要用于为电解室5提供电解的海水，并时刻补充电解消耗的海水，保证电解反应持续稳定的进行。

42.进一步优化方案，分离组件包括转动连接在分离室7内的强磁转轮26，强磁转轮26逆时针转动；氧气出口14设置在强磁转轮26转动方向，氧气出口14与强磁转轮26对应设置。分离室7内逆时针转动连接有强磁转轮26用于分离氢气和氧气，主要利用的是氧气具有顺磁性，氢气具有抗磁性，因此氧气能吸附在强磁转轮26上，而氢气则被强磁转轮26排斥；氧气出口14设置在强磁转轮26转动的方向，而氢气出口13设置在背向强磁转轮26转动的方向；当强磁转轮26转动时，混合气体中的氧气被强磁转轮26吸附带动旋转，进而将氧气运输到氧气出口14的位置，进入储气机构25的氧气瓶11；而氢气被强磁转轮26排斥远离强磁转轮26，进而运动到氢气出口13的位置，进入储气机构25的氢气瓶12，最终完成混合气体的分离。本技术的氢氧分离与现有技术中直接将正负电极隔离开设置隔离膜相比，隔离膜只允许水分子和电子通过，而不允许氧气和氢气通过，防止生成的氢气和氧气混合，但是隔离膜

的制造工艺复杂，成本高，这也是现有技术中电解水制氢气成本居高不下的一个因素；现有技术中还存在通过纳米分离膜分离氢气和氧气的方法，其中纳米分离膜需要两种，一种的孔径大于氢气而小于氧气，只能氢气通过，隔离氧气，获得比较高纯度的氢气，但是这种分离方法对纳米分离膜的要求较高，同时容易被氧气和水堵塞瞳孔，降低分离效率；分离氧气的纳米分离膜的孔径大于氧气而小于水，能获得高纯度的氧气，但是与氢气的分离膜具有相同的缺点，导致分离效率底下，不能满足工业化的需求。

43.进一步的，为了提高分离出的氢气和氧气的纯度，可设置多个强磁转轮26进行分离。

44.进一步优化方案，氧气出口14与氢气出口13之间设置有隔离墙15，隔离墙15的底端与强磁转轮26的外壁密封抵接。氧气出口14与氢气出口13之间设置隔离墙15，防止被分离的氢气和氧气再次混合；隔离墙15的底端与强磁转轮26的外壁密封抵接，当强磁转轮26带动氧气到达与之抵接的隔离墙15位置时，隔离墙15将强磁转轮26吸附的氧气刮离，进而由隔离墙15导流进入氧气出口14，最终进入氧气瓶11内。

45.进一步的，隔离墙15的边角位置均为弧形，防止对氧气的气流产生阻碍，降低氧气流通的阻力，提高分离的顺畅性。

46.进一步优化方案，电解室5的顶端设置有混合室16，混合室16顶端连通有连通管17，连通管17伸入分离室7内；连通管17的进口依次设置有纳米滤膜30和除水层18；连通管17的出口与强磁转轮26对应设置。电解产生的氧气和和氢气从水内上升到混合室16，最终在混合室16内积存，当混合室16内的气体的压力逐渐升高后，推动混合气体依次经过纳米滤膜30和除水层18后通过连通管17进入分离室7；连通管17的出口与强磁转轮26对应，混合气体从连通管17出来后就直接喷射到强磁转轮26上，混合气体中的氧气被强磁转轮26吸附带走向氧气出口14运动，而氢气被排斥远离，向氢气出口13运动；防止混和气体在分离室7内弥散导致分离不彻底。

47.进一步的，纳米滤膜30主要用于隔离混合气体中的水分，纳米滤膜30优选聚四氟乙烯疏水膜，保证气体通过而液态水不能通过；上述属于现有技术，此处不再赘述。

48.进一步的，除水层18优选活性炭滤层，吸附气态水分和混合气体中的杂质，使混合气体更加纯净；活性炭的作用机理为现有技术，此处不再赘述。

49.进一步优化方案，电解室5的侧壁设置有液位传感器19，液位传感器19与补水泵9电性连接。液位传感器19用于测量电解室5内的水位高度，当水位高度低于设定值时控制补水泵9启动，向电解室5内补充处理后的海水，当电解室5内的水位升高到设定值后，补水泵9关闭，保持电解室5内的液位稳定，维持电解不会中断。

50.进一步优化方案，海水处理组件包括设置固定安装在蓄水池10内的海水淡化装置20，海水淡化装置20将蓄水池10分割成海水池21和淡水池22，淡水池22的出口与补水泵9连通；海水池21的进口设置有过滤装置23。天然的海水中存在大量的杂质、微生物以及大量的镁离子、钠离子和氯离子，如不进行处理，氯离子电解时会产生氯气，进而形成次氯酸，腐蚀电解室5和电解电极6，同时会导致产生的氧气和氢气存在杂质，不利于后期使用；同时镁离子和钠离子还会在电解电极6表面形成水垢，覆盖电解电极6表面，减少电解电极6与水的接触面积，降低电解的反应速度，因此海水在电解前必须进行处理；过滤装置23主要用于过滤海水中的生物和大颗粒的杂质，防止生物和大颗粒杂质堵塞管路；海水淡化装置20主要用

于滤除海水中的盐分，减少海水中溶解的氯离子、镁离子和钠离子，减少电解过程中次氯酸以及水垢的产生。

51.进一步的，海水淡化装置20优选反渗透装置，反渗透装置就是利用反渗透原理来制造淡水的设备，反渗透就是在高溶液浓度的一侧施加压力，使压力高于液体的渗透压，进而使液体由高浓度向低浓度一侧渗透；反渗透装置首先是将海水提取上来，进行初步处理，降低海水浊度，防止细菌、藻类等微生物的生长，然后用特种高压泵增压，使海水进入反渗透膜，由于海水含盐量高，因此海水反渗透膜必须具有高脱盐率，耐腐蚀、耐高压、抗污染等特点，经过反渗透膜处理后的海水，其含盐量大大降低，tds含量从36000毫克/升降至200毫克/升左右，淡化后的水质甚至优于自来水。

52.进一步的，海水淡化装置20与储能机构2电性连接，作为淡化海水的能源。

53.进一步的，储能机构2包括与光伏机构1电性连接直流变压器27，直流变压器27电性连接直流蓄电池28，太阳能光伏机构1发出的电一般是12v直流电、24v直流电或48v直流电，电压较低，不便于储存，因此需要经过直流变压器27升高电压，方便于电流的传输和存储；直流蓄电池28与所述电机电解电极6电性连接，通过直流电对电解室5内的海水进行电解；同时直流蓄电池28还电性连接有逆变器29，逆变器29与本装置其他用电设备如补水泵9电性连接；目前的通用电气设备一般是使用交流电，因此需要逆变器29将直流电转变成电气设备能使用的如22v和380v交流电，为设备供能。

54.进一步的，电解电极6分为正极与负极，均连接直流电；正极产生氧气，负极产生氢气；正极和负极均采用多孔式设计，增加电解电极6与海水的接触面积，提高电解效率。

55.进一步优化方案，电解室5内的水中添加有催化剂。由于水不是电的良导体，需要增加其他不会被电解的物质增加水的导电性，使电解回路形成。

56.进一步的，本技术采用二氧化铱为催化剂。

57.进一步优化方案，电解室5的侧壁敷设有隔离层24。隔离层24为疏水层，不会有水分粘连，电解时水分汽化在混合室16内壁的隔离层24凝结，然后滑落回原处，防止水分凝结降低电解效率。

58.一种太阳能电解海水制氢方法，包括以下步骤：

59.1)光伏机构1发电后存储在储能机构2内；光伏机构1将太阳能转换成电能，并经过直流变压器27升压后存储在储能机构2的直流蓄电池28内，为后续的电解过程和其他设备进行供能；当直流蓄电池28为其他设备供能时，需要使用逆变器29将直流电转换成标准的交流电；

60.2)补水机构8处理海水，并将处理后的海水泵入电解室5内；将海水泵入过滤装置23，过滤后的海水进入海水池21，海水池21内的海水经过海水淡化装置20淡化去除多余的氯离子后进入淡水池22；补水泵9将淡水池22内的水泵入电解室5内，直到达到液位传感器19设定的高度；

61.3)储能机构2提供电能，电解电极6在电解室5内电解海水；直流蓄电池28为电解电极6供电，电解内部的水，负极生成氢气，正极生成氧气，氢气和氧气在水中升高进入混合室16；

62.4)电解产生的氢氧混合气进入分离室7，分离组件分离氢气和氧气分别进入氢气瓶12和氧气瓶11；气体在混合室16内经过连通管17进入分离室7，喷射到逆时针转动的强磁

转轮26上，强磁转轮26利用氧气的顺磁性和氢气的逆磁性将混合气进行分离，最终通过氢气出口13和氧气出口14分别进入氢气瓶12和氧气瓶11内；

63.5)补水机构8的补水泵9时刻注意补水。电解消耗电解室5内的水使水位下降，当水位降低到一定程度后，液位传感器19控制补水泵9将淡水池22内的水泵入电解室5，时刻补水，保持电解反应的持续进行。

64.本发明利用太阳能发电再电解海水制取氢气，将不稳定的太阳能转化成氢气燃料，提高了太阳能的利用率，同时降低了制取氢气对不可再生能源的消耗，大大降低了氢气的制取成本，为氢气的推广利用提供了便利，有利于大气污染的治理和降低资源的消耗，有利于环境保护的实施。

65.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

66.以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。技术特征：

1.一种太阳能电解海水制氢装置，其特征在于，包括：光伏机构(1)；储能机构(2)，所述储能机构(2)与所述光伏机构(1)电性连接；电解机构(3)，所述电解机构(3)包括反应外壳(4)，所述反应外壳(4)的底端设置有电解室(5)，所述电解室(5)内设置有电解电极(6)，所述电解电极(6)与所述储能机构(2)电性连接；所述电解室(5)的顶端连通有分离室(7)，所述分离室(7)内设置有分离组件；所述分离室(7)的顶端设置有氧气出口(14)和氢气出口(13)；补水机构(8)，所述补水机构(8)包括与所述电解室(5)连通的补水泵(9)，所述补水泵(9)的进口连通有蓄水池(10)，所述蓄水池(10)内设置有海水处理组件；储气机构(25)，所述储气机构(25)包括氧气瓶(11)和氢气瓶(12)，所述氧气瓶(11)与所述氧气出口(14)连通，所述氢气瓶(12)与所述氢气出口(13)连通。2.根据权利要求1所述的太阳能电解海水制氢装置，其特征在于：所述分离组件包括转动连接在所述分离室(7)内的强磁转轮(26)，所述强磁转轮(26)逆时针转动；所述氧气出口(14)设置在所述强磁转轮(26)转动方向，所述氧气出口(14)与所述强磁转轮(26)对应设置。3.根据权利要求2所述的太阳能电解海水制氢装置，其特征在于：所述氧气出口(14)与所述氢气出口(13)之间设置有隔离墙(15)，所述隔离墙(15)的底端与所述强磁转轮(26)的外壁密封抵接。4.根据权利要求3所述的太阳能电解海水制氢装置，其特征在于：所述电解室(5)的顶端设置有混合室(16)，所述混合室(16)顶端连通有连通管(17)，所述连通管(17)伸入所述分离室(7)内；所述连通管(17)的进口依次设置有纳米滤膜(30)和除水层(18)；所述连通管(17)的出口与所述强磁转轮(26)对应设置。5.根据权利要求1所述的太阳能电解海水制氢装置，其特征在于：所述电解室(5)的侧壁设置有液位传感器(19)，所述液位传感器(19)与所述补水泵(9)电性连接。6.根据权利要求1所述的太阳能电解海水制氢装置，其特征在于：所述海水处理组件包括设置固定安装在所述蓄水池(10)内的海水淡化装置(20)，所述海水淡化装置(20)将所述蓄水池(10)分割成海水池(21)和淡水池(22)，所述淡水池(22)的出口与所述补水泵(9)连通；所述海水池(21)的进口设置有过滤装置(23)。7.根据权利要求1所述的太阳能电解海水制氢装置，其特征在于：所述电解室(5)内的水中添加有催化剂。8.根据权利要求1所述的太阳能电解海水制氢装置，其特征在于：所述电解室(5)的侧壁敷设有隔离层(24)。9.一种太阳能电解海水制氢方法，根据权利要求1-8任一项所述的太阳能电解海水制氢装置，其特征在于，包括以下步骤：1)光伏机构(1)发电后存储在储能机构(2)内；2)补水机构(8)处理海水，并将处理后的海水泵入电解室(5)内；3)储能机构(2)提供电能，电解电极(6)在电解室(5)内电解海水；4)电解产生的氢氧混合气进入分离室(7)，分离组件分离氢气和氧气分别进入氢气瓶(12)和氧气瓶(11)；

5)补水机构(8)的补水泵(9)时刻注意补水。

技术总结

本发明公开一种太阳能电解海水制氢装置及其方法，包括：电性连接的光伏机构和储能机构；储能机构电性连接电解室内的电解电极；电解室的顶端连通有分离室，分离室内设置有分离组件；分离室的顶端设置有氧气出口和氢气出口；补水机构包括与电解室连通的蓄水池，蓄水池内设置有海水处理组件；储气机构包括与氧气出口连通的氧气瓶和与氢气出口连通的氢气瓶。本发明利用太阳能发电再电解海水制取氢气，将不稳定的太阳能转化成氢气燃料，提高了太阳能的利用率，同时降低了制取氢气对不可再生能源的消耗，大大降低了氢气的制取成本，为氢气的推广利用提供了便利，有利于大气污染的治理和降低资源的消耗，有利于环境保护的实施。有利于环境保护的实施。有利于环境保护的实施。

技术研发人员：周岩 梁东东 孟祥超 李荣福 孙岩

受保护的技术使用者：青岛中石大新能源科技有限公司

技术研发日：2022.07.15

技术公布日：2022/10/18