太阳能-氢燃料电池系统性能研究

孙建起，耿亮，郭晓飞，杨郝楠，李嘉欣

（石家庄学院物理与电气信息工程学院，河北石家庄050035）

太阳能-氢燃料电池系统性能研究

孙建起，耿亮，郭晓飞，杨郝楠，李嘉欣

（石家庄学院物理与电气信息工程学院，河北石家庄050035）

氢燃料电池因其来源广泛、无污染、转换率高而成为能源领域关注的焦点.以质子交换膜氢燃料电池作为研究对象，通过对其发电过程原理分析及理论计算，阐明了太阳能-氢燃料电池在太阳能发电（光能－电能转换），电解水制取氢气（电能－氢能转换），燃料电池发电（氢能－电能转换）的整个能量转换过程.结果显示：质子交换膜氢燃料电池的转换率可达36.42%，实际制氢量与理论计算值误差小于5%.

太阳能；氢燃料电池；质子交换膜；输出特性

0 引言

太阳能是一种无处不在、来源丰富且无任何环境污染的可再生能源.中国拥有丰富的太阳能资源，太阳能年总辐射量大于1 050 kWh/m2的地区占国土面积的96%以上[1].

太阳能-氢燃料电池发电系统是以太阳能发电对水进行分解，将产生的氢和氧通过电化学反应产生电能的一种新型能源[2]，因能源来源广泛、能量转换效率高，并且在整个转换过程中无污染，因此各国都致力于对其进行开发及应用。在未来的能源系统中，太阳能将作为主要的一次能源替代目前的煤、石油和天然气，而氢燃料电池将成为取代汽油、柴油和化学电池的清洁能源.

目前，日本、韩国等相继推出了氢燃料能源汽车，其中日本丰田公司的Mirai在整个行驶过程中，排放出来的只有水或者水蒸气，完全没有CO2等温室气体；本田公司的CLARITY汽车一次补充燃料的续航里程将超过700 km，而且燃料从无到满只需3 min；韩国公司推出的FCEV氢燃料电池汽车，充一次电可行驶600 km以上，大大超过了可以行驶400 km的特斯拉S车型电动汽车.

近年来，随着燃料电池的突破性进展，其应用正处于商业化的前期示范阶段，然而，国内在氢燃料电池方面的研究还处于刚起步阶段，想要在21世纪能源发展领域处于主动地位，就需要加大对氢燃料电池特性进行全方位、多功能的分析与研究[3].

1 实验原理

实验采用质子交换膜（PEM，Proton Exchange Membrane）燃料电池系统，包含太阳能电池发电（光能－电能转换），电解水制取氢气（电能－氢能转换），燃料电池发电（氢能－电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换、储存和使用的链条.

目前广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度为0.05-0.1 mm，其提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过.催化层是将纳米量级的铂粒子用化学或物理的方法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03 mm，对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用.膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度为0.2-0.5 mm，导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的通道，又称为扩散层.质子交换膜燃料电池的基本结构[4]如图1所示.

进入阳极的氢气通过电极上的扩散层到达质子交换膜.氢分子在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应为

氢离子以水合质子H+（nH2O）的形式，在质子交换膜中从一个璜酸基转移到另一个璜酸基，最后到达阴极，实现质子导电，质子的这种转移导致阳极带负电[5].

在电池的另一端，氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水，阴极反应为

阴极反应使阴极缺少电子而带正电，结果在阴阳极间产生电压，在阴阳极间接通外电路，就可以向负载输出电能.总的化学反应如下：

质子交换膜必须含有足够的水分，才能保证质子的传导.但水含量又不能过高，否则电极被水淹没，水阻塞气体通道，燃料不能传导到质子交换膜参与反应[6].如何保持良好的水平衡关系是燃料电池的关键点.为保持水平衡，电池正常工作时排水口打开，在电解电流不变时，燃料供应量是恒定的.若负载选择不当，电池输出电流太小，未参加反应的气体从排水口泄漏，燃料利用率及效率都低，在适当选择负载时，燃料利用率约为90%.

2 实验仪器

实验采用HLD-QDC-1型分析仪，具体的实验系统如图2所示，其中，太阳能电池提供电解水能量；水塔分上下两层结构，上下层之间通过插入下层的连通管连接，下层顶部有一输气管连接到燃料电池，气水塔为电解池提供纯水（二次蒸馏水），可分别储存电解池产生的氢气和氧气，为燃料电池提供燃料气体；燃料电池将电解水产生的H2和O2合成，产生电流和水；风扇作为定性观察时的负载.

初始时，下层近似充满水，电解池工作时，产生的气体会汇聚在下层顶部，通过输气管输出；若关闭输气管开关，气体产生的压力会使水从下层进入上层，而将气体储存在下层的顶部，通过管壁上的刻度可知储存气体的体积.

工作状态下，太阳能电池板吸收光能转化为电能，对水进行分解，产生H2和O2，通过水塔的作用H2和O2进入到燃料电池进行合成，合成过程将产生电流和水，电能供给负载风扇，形成完整的光能-电能-氢能-电能的转换[7].在此基础上，可进一步对分解的H2和O2进行储存，建立完善的能量供给系统.

图2 太阳能-氢燃料电池系统

3 太阳能电池的特性实验

实验条件：光强860 W/m2，环境温度20℃，太阳能电池有效受光面积490 mm2，得到太阳能电池特性参数如表1所示.

表1 太阳能电池输出特性

4 电解池质子交换膜特性实验

实验条件：法拉第常数F=9.650×104C/mol，环境温度20.0℃，电子电量e=1.602×10-19C，环境气压为713.0 mmHg，实验所得质子交换膜特性参数如表2所示.

表2 质子交换膜特性参数

得到的实验结论为：测量的氢气产生量与理论氢气产生量误差均小于5%.

5 燃料电池输出特性实验

实验条件：环境温度20.0℃，环境气压为713.0 mmHg，水温4℃，得到燃料电池特性参数如表3所示.

得到的实验结论为：电解池电流为300.0 mA，最大输出功率为161.7 mW，此时对应的效率为36.42%.燃料电池极化曲线及输出功率曲线分别如图3和图4所示.

表3 燃料电池特性参数

图3 燃料电池的极化曲线

图4 燃料电池的输出功率曲线

6 结论

通过对太阳能-氢燃料电池系统特性的研究，可知氢燃料电池发电效率高达36.4%，而太阳能电池片发电效率通常在15%-18%范围内，因此氢燃料电池不仅大大提高了发电效率，而且整个发电过程只有水的产生，实现了高效清洁无污染，因而必将成为21世纪新能源领域的领跑者.

[1]李春华，朱新坚，胡万起，等.光伏/燃料电池联合发电系统的建模和性能分析[J].电网技术，2009，（12）：88-93.

[2]张颖颖，曹广益，朱新坚.燃料电池——有前途的分布式发电技术[J].电网技术，2005，29（2）：57-61.

[3]简弃非，赵永利，刘海燕.质子交换膜燃料电池运行参数的仿真优化[J].华南理工大学学报：自然科学版，2006，34（10）：6-10.

[4]杨贵恒.质子交换膜燃料电池性能试验及其系统设计[D].成都：四川大学，2005.

[5]杨忠君，刘精一，宗学军.质子交换膜燃料电池故障检测研究[J].可再生能源，2015，33（1）：128-133.

[6]吴禹.高温质子交换膜燃料电池仿真与设计[D].杭州：浙江大学，2014.

[7]张君，樊立萍，姜雷.质子交换膜燃料电池的MPC以及修正的MPC研究[J].可再生能源，2015，33（1）：124-127.

（责任编辑 钮效鹍）

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

石家庄学院科研启动基金（2015QN003）；石家庄学院科研团队项目（XJTD004）；河北省高等学校科学技术研究重点项目（ZD2015210）

孙建起（1986-），男，河北巨鹿人，助教，主要从事机电一体化、智能微电网研究.