一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动PEM水电解制氢系统

本技术属于太阳能制氢，具体涉及一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统。

背景技术：

1、太阳能光伏制氢装置属于双重清洁能源转化系统，是国家现阶段发展的重点方向。然而此类系统在运行过程中，光伏板和制氢装置皆需要控制在适宜的工作温度，温度波动将会对光电转换、制氢过程产生不稳定影响，因此，如何合理设计温控系统、蓄热系统保证系统高效运行的同时，充分利用系统产生废热极其重要，光伏阵列、电解系统所需要的适宜温度范围差距较大，且二者散热需求不一致，因此，设计多种蓄热、冷却耦合技术以调控电解运行状态，降低系统运行波动性至关重要。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，当白天需要进行蓄热的时候，相变水箱内的冷冻液依次通过第一液冷换热器以及第二液冷换热器回到相变水箱，将光伏阵列以及pem水电解单元上的热量传递至相变水箱的内部进行储存，避免了光伏阵列以及pem水电解单元过热；当夜晚需要为pem水电解单元增温，保证系统处于适宜温度环境的时候，相变水箱直接通过第三管道将冷冻液注入第二液冷换热器，之后回流至相变水箱，为pem水电解单元保温，避免了昼夜的温度差异导致生产环境温度波动过大。

2、本实用新型采用的技术方案如下：

3、一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，包括供电系统、热交换系统、电解水供液系统、制氢系统以及产物储存系统；所述供电系统与制氢系统电连接，用于为制氢系统供电；所述热交换系统分别与制氢系统以及供电系统通过管道连通，用于对制氢系统以及供电系统进行热交换；所述电解水供液系统与制氢系统通过管道连通，用于为制氢系统提供电解水；所述产物储存系统与制氢系统通过管道连通，用于储存制氢系统分解出的产物。

4、优选的，所述供电系统包括光伏阵列以及变压器，所述光伏阵列与变压器并联，所述变压器与所述制氢系统电连接。

5、采用上述技术方案，光伏阵列通过光伏发电板产生电能，产生的电能经过变压器进行电压转换为与制氢系统匹配，为其水电解提供电能。

6、优选的，所述制氢系统包括相变壳体，相变壳体的内部间隔设置有数个pem水电解单元，数个所述pem水电解单元之间通过管道连通。

7、采用上述技术方案，pem水电解单元用于水解产生氢气和氧气。

8、优选的，所述热交换系统包括相变水箱以及相变球，所述相变球设置于所述相变水箱的内部；所述相变水箱依次与所述供电系统以及制氢系统形成管道闭环回路，所述相变水箱与供电系统之间通过第一管道连通，所述供电系统与所述制氢系统之间通过第二管道连通；所述第一管道与第二管道之间通过第三管道连通。

9、采用上述技术方案，相变水箱的内部设有防冻液，相变球用于吸热和放热，相变球相变温度范围为45-50℃，储存和释放系统产生的不同温度和热量。

10、优选的，所述光伏阵列的背光侧设置有第一液冷换热器，所述相变壳体的内部设置有第二液冷换热器，所述第二液冷换热器嵌设于数个所述pem水电解单元之间，所述相变水箱依与第一液冷换热器、第二液冷换热器形成管道闭环回路。

11、采用上述技术方案，第一液冷换热器用于对光伏阵列的热量进行热交换；第二液冷换热器用于对pem水电解单元之间的热量进行热交换，由于相变水箱依与第一液冷换热器、第二液冷换热器形成管道闭环回路，因此，当白天需要进行蓄热的时候，相变水箱内的冷冻液依次通过第一液冷换热器以及第二液冷换热器回到相变水箱，将光伏阵列以及pem水电解单元上的热量传递至相变水箱的内部进行储存，避免了光伏阵列以及pem水电解单元过热；当夜晚需要为pem水电解单元增温，保证系统处于适宜温度环境的时候，相变水箱直接通过第三管道将冷冻液注入第二液冷换热器，之后回流至相变水箱，为pem水电解单元保温，避免了昼夜的温度差异导致生产环境温度波动过大。

12、优选的，所述第一管道上靠近供电系统的一侧设置有第一阀门，所述第一管道上靠近相变水箱的一侧设置有第一水泵，所述第三管道上设置有第二阀门。

13、采用上述技术方案，白天需要储热的时候，打开第一阀门，关闭第二阀门；夜晚需要放热的时候，关闭第一阀门，打开第二阀门。

14、优选的，所述电解水供液系统包括电解水箱，所述电解水箱的出液口通过管道与所述制氢系统连通，所述电解水箱与所述制氢系统连通的管道上设置有第二水泵；所述电解水箱的进液口处设置有第三阀门。

15、采用上述技术方案，电解水箱为pem水电解单元提供制氢的用水。

16、优选的，所述电解水箱设置于所述热交换系统的内部。

17、采用上述技术方案，电解水箱设置于所述热交换系统的内部，在白天蓄热的时候可以为电解水预热，经过预热的电解水降低了低温电解水温差冲击引起的电解波动，使相变蓄热过程与电解水的预热过程相融合，提升热量供给效率并降低低温电解水引起的电解性能波动。

18、优选的，所述产物储存系统包括储氢罐以及储氧罐，所述储氢罐以及储氧罐分别与所述制氢系统通过管道连通。

19、采用上述技术方案，储氢罐以及储氧罐分别用于储存制氢系统产生的氢气以及氧气。

20、综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

21、1.第一液冷换热器用于对光伏阵列的热量进行热交换；第二液冷换热器用于对pem水电解单元之间的热量进行热交换，由于相变水箱依与第一液冷换热器、第二液冷换热器形成管道闭环回路，因此，当白天需要进行蓄热的时候，相变水箱内的冷冻液依次通过第一液冷换热器以及第二液冷换热器回到相变水箱，将光伏阵列以及pem水电解单元上的热量传递至相变水箱的内部进行储存，避免了光伏阵列以及pem水电解单元过热；当夜晚需要为pem水电解单元增温，保证系统处于适宜温度环境的时候，相变水箱直接通过第三管道将冷冻液注入第二液冷换热器，之后回流至相变水箱，为pem水电解单元保温，避免了昼夜的温度差异导致生产环境温度波动过大。

22、2.电解水箱设置于所述热交换系统的内部，在白天蓄热的时候可以为电解水预热，经过预热的电解水降低了低温电解水温差冲击引起的电解波动，使相变蓄热过程与电解水的预热过程相融合，提升热量供给效率并降低低温电解水引起的电解性能波动。

技术特征：

1.一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于，包括供电系统、热交换系统、电解水供液系统、制氢系统以及产物储存系统；

2.根据权利要求1所述的一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于：所述供电系统包括光伏阵列（1）以及变压器（9），所述光伏阵列（1）与变压器（9）并联，所述变压器（9）与所述制氢系统电连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于：所述制氢系统包括相变壳体（8），相变壳体（8）的内部间隔设置有数个pem水电解单元，数个所述pem水电解单元之间通过管道连通。

4. 根据权利要求3所述的一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于： 所述热交换系统包括相变水箱（3）以及相变球（4），所述相变球（4）设置于所述相变水箱（3）的内部；所述相变水箱（3）依次与所述供电系统以及制氢系统形成管道闭环回路，所述相变水箱（3）与供电系统之间通过第一管道连通，所述供电系统与所述制氢系统之间通过第二管道连通；所述第一管道与第二管道之间通过第三管道连通。

5.根据权利要求4所述的一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于：所述光伏阵列（1）的背光侧设置有第一液冷换热器，所述相变壳体（8）的内部设置有第二液冷换热器（7），所述第二液冷换热器（7）嵌设于数个所述pem水电解单元之间，所述相变水箱（3）依与第一液冷换热器、第二液冷换热器（7）形成管道闭环回路。

6.根据权利要求4所述的一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于：所述第一管道上靠近供电系统的一侧设置有第一阀门（501），所述第一管道上靠近相变水箱（3）的一侧设置有第一水泵（2），所述第三管道上设置有第二阀门（502）。

7.根据权利要求1所述的一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于：所述电解水供液系统包括电解水箱（13），所述电解水箱（13）的出液口通过管道与所述制氢系统连通，所述电解水箱（13）与所述制氢系统连通的管道上设置有第二水泵（14）；所述电解水箱（13）的进液口处设置有第三阀门（12）。

8.根据权利要求7所述的一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于：所述电解水箱（13）设置于所述热交换系统的内部。

9.根据权利要求1~8任一项所述的一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动pem水电解制氢系统，其特征在于：所述产物储存系统包括储氢罐（10）以及储氧罐（11），所述储氢罐（10）以及储氧罐（11）分别与所述制氢系统通过管道连通。

技术总结
本技术公开了一种基于相变控温蓄热的光伏光热阵列驱动PEM水电解制氢系统，涉及太阳能制氢技术领域，解决了设计多种蓄热、冷却耦合技术以调控电解运行状态，降低系统运行波动性至关重要的问题；本申请包括供电系统、热交换系统、电解水供液系统、制氢系统以及产物储存系统；其目的在于，当白天需要进行蓄热的时候，相变水箱内的冷冻液依次通过第一液冷换热器以及第二液冷换热器回到相变水箱，避免了光伏阵列以及PEM水电解单元过热；当夜晚需要为PEM水电解单元增温，相变水箱直接通过第三管道将冷冻液注入第二液冷换热器，为PEM水电解单元保温。

技术研发人员：袁艳平,周锦志,曹晓玲,余敏
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：20230908
技术公布日：2024/5/10