太陽(yáng)能-氫燃料電池系統(tǒng)性能研究

孫建起，耿亮，郭曉飛，楊郝楠，李嘉欣

（石家莊學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，河北石家莊050035）

太陽(yáng)能-氫燃料電池系統(tǒng)性能研究

孫建起，耿亮，郭曉飛，楊郝楠，李嘉欣

（石家莊學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，河北石家莊050035）

氫燃料電池因其來(lái)源廣泛、無(wú)污染、轉(zhuǎn)換率高而成為能源領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn).以質(zhì)子交換膜氫燃料電池作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其發(fā)電過(guò)程原理分析及理論計(jì)算，闡明了太陽(yáng)能-氫燃料電池在太陽(yáng)能發(fā)電（光能－電能轉(zhuǎn)換），電解水制取氫氣（電能－氫能轉(zhuǎn)換），燃料電池發(fā)電（氫能－電能轉(zhuǎn)換）的整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程.結(jié)果顯示：質(zhì)子交換膜氫燃料電池的轉(zhuǎn)換率可達(dá)36.42%，實(shí)際制氫量與理論計(jì)算值誤差小于5%.

太陽(yáng)能；氫燃料電池；質(zhì)子交換膜；輸出特性

0 引言

太陽(yáng)能是一種無(wú)處不在、來(lái)源豐富且無(wú)任何環(huán)境污染的可再生能源.中國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，太陽(yáng)能年總輻射量大于1 050 kWh/m2的地區(qū)占國(guó)土面積的96%以上[1].

太陽(yáng)能-氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是以太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)水進(jìn)行分解，將產(chǎn)生的氫和氧通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的一種新型能源[2]，因能源來(lái)源廣泛、能量轉(zhuǎn)換效率高，并且在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)污染，因此各國(guó)都致力于對(duì)其進(jìn)行開發(fā)及應(yīng)用。在未來(lái)的能源系統(tǒng)中，太陽(yáng)能將作為主要的一次能源替代目前的煤、石油和天然氣，而氫燃料電池將成為取代汽油、柴油和化學(xué)電池的清潔能源.

目前，日本、韓國(guó)等相繼推出了氫燃料能源汽車，其中日本豐田公司的Mirai在整個(gè)行駛過(guò)程中，排放出來(lái)的只有水或者水蒸氣，完全沒(méi)有CO2等溫室氣體；本田公司的CLARITY汽車一次補(bǔ)充燃料的續(xù)航里程將超過(guò)700 km，而且燃料從無(wú)到滿只需3 min；韓國(guó)公司推出的FCEV氫燃料電池汽車，充一次電可行駛600 km以上，大大超過(guò)了可以行駛400 km的特斯拉S車型電動(dòng)汽車.

近年來(lái)，隨著燃料電池的突破性進(jìn)展，其應(yīng)用正處于商業(yè)化的前期示范階段，然而，國(guó)內(nèi)在氫燃料電池方面的研究還處于剛起步階段，想要在21世紀(jì)能源發(fā)展領(lǐng)域處于主動(dòng)地位，就需要加大對(duì)氫燃料電池特性進(jìn)行全方位、多功能的分析與研究[3].

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)子交換膜（PEM，Proton Exchange Membrane）燃料電池系統(tǒng)，包含太陽(yáng)能電池發(fā)電（光能－電能轉(zhuǎn)換），電解水制取氫氣（電能－氫能轉(zhuǎn)換），燃料電池發(fā)電（氫能－電能轉(zhuǎn)換）幾個(gè)環(huán)節(jié)，形成了完整的能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和使用的鏈條.

目前廣泛采用的全氟璜酸質(zhì)子交換膜為固體聚合物薄膜，厚度為0.05-0.1 mm，其提供氫離子（質(zhì)子）從陽(yáng)極到達(dá)陰極的通道，而電子或氣體不能通過(guò).催化層是將納米量級(jí)的鉑粒子用化學(xué)或物理的方法附著在質(zhì)子交換膜表面，厚度約0.03 mm，對(duì)陽(yáng)極氫的氧化和陰極氧的還原起催化作用.膜兩邊的陽(yáng)極和陰極由石墨化的碳紙或碳布做成，厚度為0.2-0.5 mm，導(dǎo)電性能良好，其上的微孔提供氣體進(jìn)入催化層的通道，又稱為擴(kuò)散層.質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示.

進(jìn)入陽(yáng)極的氫氣通過(guò)電極上的擴(kuò)散層到達(dá)質(zhì)子交換膜.氫分子在陽(yáng)極催化劑的作用下解離為2個(gè)氫離子，即質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為

氫離子以水合質(zhì)子H+（nH2O）的形式，在質(zhì)子交換膜中從一個(gè)璜酸基轉(zhuǎn)移到另一個(gè)璜酸基，最后到達(dá)陰極，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電，質(zhì)子的這種轉(zhuǎn)移導(dǎo)致陽(yáng)極帶負(fù)電[5].

在電池的另一端，氧氣或空氣通過(guò)陰極擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層，在陰極催化層的作用下，氧與氫離子和電子反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為

陰極反應(yīng)使陰極缺少電子而帶正電，結(jié)果在陰陽(yáng)極間產(chǎn)生電壓，在陰陽(yáng)極間接通外電路，就可以向負(fù)載輸出電能.總的化學(xué)反應(yīng)如下：

質(zhì)子交換膜必須含有足夠的水分，才能保證質(zhì)子的傳導(dǎo).但水含量又不能過(guò)高，否則電極被水淹沒(méi)，水阻塞氣體通道，燃料不能傳導(dǎo)到質(zhì)子交換膜參與反應(yīng)[6].如何保持良好的水平衡關(guān)系是燃料電池的關(guān)鍵點(diǎn).為保持水平衡，電池正常工作時(shí)排水口打開，在電解電流不變時(shí)，燃料供應(yīng)量是恒定的.若負(fù)載選擇不當(dāng)，電池輸出電流太小，未參加反應(yīng)的氣體從排水口泄漏，燃料利用率及效率都低，在適當(dāng)選擇負(fù)載時(shí)，燃料利用率約為90%.

2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用HLD-QDC-1型分析儀，具體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，其中，太陽(yáng)能電池提供電解水能量；水塔分上下兩層結(jié)構(gòu)，上下層之間通過(guò)插入下層的連通管連接，下層頂部有一輸氣管連接到燃料電池，氣水塔為電解池提供純水（二次蒸餾水），可分別儲(chǔ)存電解池產(chǎn)生的氫氣和氧氣，為燃料電池提供燃料氣體；燃料電池將電解水產(chǎn)生的H2和O2合成，產(chǎn)生電流和水；風(fēng)扇作為定性觀察時(shí)的負(fù)載.

初始時(shí)，下層近似充滿水，電解池工作時(shí)，產(chǎn)生的氣體會(huì)匯聚在下層頂部，通過(guò)輸氣管輸出；若關(guān)閉輸氣管開關(guān)，氣體產(chǎn)生的壓力會(huì)使水從下層進(jìn)入上層，而將氣體儲(chǔ)存在下層的頂部，通過(guò)管壁上的刻度可知儲(chǔ)存氣體的體積.

工作狀態(tài)下，太陽(yáng)能電池板吸收光能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)水進(jìn)行分解，產(chǎn)生H2和O2，通過(guò)水塔的作用H2和O2進(jìn)入到燃料電池進(jìn)行合成，合成過(guò)程將產(chǎn)生電流和水，電能供給負(fù)載風(fēng)扇，形成完整的光能-電能-氫能-電能的轉(zhuǎn)換[7].在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步對(duì)分解的H2和O2進(jìn)行儲(chǔ)存，建立完善的能量供給系統(tǒng).

圖2 太陽(yáng)能-氫燃料電池系統(tǒng)

3 太陽(yáng)能電池的特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：光強(qiáng)860 W/m2，環(huán)境溫度20℃，太陽(yáng)能電池有效受光面積490 mm2，得到太陽(yáng)能電池特性參數(shù)如表1所示.

表1 太陽(yáng)能電池輸出特性

4 電解池質(zhì)子交換膜特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：法拉第常數(shù)F=9.650×104C/mol，環(huán)境溫度20.0℃，電子電量e=1.602×10-19C，環(huán)境氣壓為713.0 mmHg，實(shí)驗(yàn)所得質(zhì)子交換膜特性參數(shù)如表2所示.

表2 質(zhì)子交換膜特性參數(shù)

得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：測(cè)量的氫氣產(chǎn)生量與理論氫氣產(chǎn)生量誤差均小于5%.

5 燃料電池輸出特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：環(huán)境溫度20.0℃，環(huán)境氣壓為713.0 mmHg，水溫4℃，得到燃料電池特性參數(shù)如表3所示.

得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：電解池電流為300.0 mA，最大輸出功率為161.7 mW，此時(shí)對(duì)應(yīng)的效率為36.42%.燃料電池極化曲線及輸出功率曲線分別如圖3和圖4所示.

表3 燃料電池特性參數(shù)

圖3 燃料電池的極化曲線

圖4 燃料電池的輸出功率曲線

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能-氫燃料電池系統(tǒng)特性的研究，可知?dú)淙剂想姵匕l(fā)電效率高達(dá)36.4%，而太陽(yáng)能電池片發(fā)電效率通常在15%-18%范圍內(nèi)，因此氫燃料電池不僅大大提高了發(fā)電效率，而且整個(gè)發(fā)電過(guò)程只有水的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了高效清潔無(wú)污染，因而必將成為21世紀(jì)新能源領(lǐng)域的領(lǐng)跑者.

[1]李春華，朱新堅(jiān)，胡萬(wàn)起，等.光伏/燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的建模和性能分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，（12）：88-93.

[2]張穎穎，曹廣益，朱新堅(jiān).燃料電池——有前途的分布式發(fā)電技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（2）：57-61.

[3]簡(jiǎn)棄非，趙永利，劉海燕.質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行參數(shù)的仿真優(yōu)化[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（10）：6-10.

[4]楊貴恒.質(zhì)子交換膜燃料電池性能試驗(yàn)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：四川大學(xué)，2005.

[5]楊忠君，劉精一，宗學(xué)軍.質(zhì)子交換膜燃料電池故障檢測(cè)研究[J].可再生能源，2015，33（1）：128-133.

[6]吳禹.高溫質(zhì)子交換膜燃料電池仿真與設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[7]張君，樊立萍，姜雷.質(zhì)子交換膜燃料電池的MPC以及修正的MPC研究[J].可再生能源，2015，33（1）：124-127.

（責(zé)任編輯 鈕效鹍）

A Study on the Performance of Solar Hydrogen Fuel Cell

SUN Jian-qi,GENG Liang,GUO Xiao-fei,YANG Hao-nan,LI Jia-xin
(School of Physics&Electrical Information Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China)

Hydrogen fuel cell has become the focus of attention in the field of energy because of its wide source,no pollution and high conversion rate.This paper,taking the proton exchange membrane fuel cell hydrogen as the object of study,expounds the energy conversion process of the solar hydrogen fuel cell in the solar electrical energy generation(solar energy to electric energy conversion),brine electrolysis to produce hydrogen(energy hydrogen energy conversion),fuel cell power generation(hydrogen electric energy conversion)by the power generation process principle analysis and theoretical calculation.Then, through the experimental analysis of output characteristics and characteristics of proton exchange membrane, the result of the conversion rate of 36.42%and the actual production of hydrogen,with the theoretical calculated values with an error less than 5%are obtained by using HLD-QDC-1 type analyzer.

solar energy;hydrogen cell;proton exchange membrane;output characteristic

TP13

A

1673-1972（2016）06-0029-05

2016-04-18

石家莊學(xué)院科研啟動(dòng)基金（2015QN003）；石家莊學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（XJTD004）；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（ZD2015210）

孫建起（1986-），男，河北巨鹿人，助教，主要從事機(jī)電一體化、智能微電網(wǎng)研究.