孫建起，耿亮，郭曉飛，楊郝楠，李嘉欣

（石家莊學院物理與電氣信息工程學院，河北石家莊050035）

太陽能-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

（石家莊學院物理與電氣信息工程學院，河北石家莊050035）

氫燃料電池因其來源廣泛、無污染、轉換率高而成為能源領域關注的焦點.以質子交換膜氫燃料電池作為研究對象，通過對其發(fā)電過程原理分析及理論計算，闡明了太陽能-氫燃料電池在太陽能發(fā)電（光能－電能轉換），電解水制取氫氣（電能－氫能轉換），燃料電池發(fā)電（氫能－電能轉換）的整個能量轉換過程.結果顯示：質子交換膜氫燃料電池的轉換率可達36.42%，實際制氫量與理論計算值誤差小于5%.

太陽能；氫燃料電池；質子交換膜；輸出特性

0 引言

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

太陽能-氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是以太陽能發(fā)電對水進行分解，將產生的氫和氧通過電化學反應產生電能的一種新型能源[2]，因能源來源廣泛、能量轉換效率高，并且在整個轉換過程中無污染，因此各國都致力于對其進行開發(fā)及應用。在未來的能源系統(tǒng)中，太陽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、柴油和化學電池的清潔能源.

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

近年來，隨著燃料電池的突破性進展，其應用正處于商業(yè)化的前期示范階段，然而，國內在氫燃料電池方面的研究還處于剛起步階段，想要在21世紀能源發(fā)展領域處于主動地位，就需要加大對氫燃料電池特性進行全方位、多功能的分析與研究[3].

1 實驗原理

實驗采用質子交換膜（PEM，Proton Exchange Membrane）燃料電池系統(tǒng)，包含太陽能電池發(fā)電（光能－電能轉換），電解水制取氫氣（電能－氫能轉換），燃料電池發(fā)電（氫能－電能轉換）幾個環(huán)節(jié)，形成了完整的能量轉換、儲存和使用的鏈條.

目前廣泛采用的全氟璜酸質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（質子）從陽極到達陰極的通道，而電子或氣體不能通過.催化層是將納米量級的鉑粒子用化學或物理的方法附著在質子交換膜表面，厚度約0.03 mm，對陽極氫的氧化和陰極氧的還原起催化作用.膜兩邊的陽極和陰極由石墨化的碳紙或碳布做成，厚度為0.2-0.5 mm，導電性能良好，其上的微孔提供氣體進入催化層的通道，又稱為擴散層.質子交換膜燃料電池的基本結構[4]如圖1所示.

進入陽極的氫氣通過電極上的擴散層到達質子交換膜.氫分子在陽極催化劑的作用下解離為2個氫離子，即質子，并釋放出2個電子，陽極反應為

氫離子以水合質子H+（nH2O）的形式，在質子交換膜中從一個璜酸基轉移到另一個璜酸基，最后到達陰極，實現(xiàn)質子導電，質子的這種轉移導致陽極帶負電[5].

在電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極擴散層到達陰極催化層，在陰極催化層的作用下，氧與氫離子和電子反應生成水，陰極反應為

陰極反應使陰極缺少電子而帶正電，結果在陰陽極間產生電壓，在陰陽極間接通外電路，就可以向負載輸出電能.總的化學反應如下：

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

2 實驗儀器

實驗采用HLD-QDC-1型分析儀，具體的實驗系統(tǒng)如圖2所示，其中，太陽能電池提供電解水能量；水塔分上下兩層結構，上下層之間通過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），可分別儲存電解池產生的氫氣和氧氣，為燃料電池提供燃料氣體；燃料電池將電解水產生的H2和O2合成，產生電流和水；風扇作為定性觀察時的負載.

初始時，下層近似充滿水，電解池工作時，產生的氣體會匯聚在下層頂部，通過輸氣管輸出；若關閉輸氣管開關，氣體產生的壓力會使水從下層進入上層，而將氣體儲存在下層的頂部，通過管壁上的刻度可知儲存氣體的體積.

工作狀態(tài)下，太陽能電池板吸收光能轉化為電能，對水進行分解，產生H2和O2，通過水塔的作用H2和O2進入到燃料電池進行合成，合成過程將產生電流和水，電能供給負載風扇，形成完整的光能-電能-氫能-電能的轉換[7].在此基礎上，可進一步對分解的H2和O2進行儲存，建立完善的能量供給系統(tǒng).

圖2 太陽能-氫燃料電池系統(tǒng)

3 太陽能電池的特性實驗

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

表1 太陽能電池輸出特性

4 電解池質子交換膜特性實驗

實驗條件：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，實驗所得質子交換膜特性參數(shù)如表2所示.

表2 質子交換膜特性參數(shù)

得到的實驗結論為：測量的氫氣產生量與理論氫氣產生量誤差均小于5%.

5 燃料電池輸出特性實驗

實驗條件：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.

得到的實驗結論為：電解池電流為300.0 mA，最大輸出功率為161.7 mW，此時對應的效率為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 結論

通過對太陽能-氫燃料電池系統(tǒng)特性的研究，可知氫燃料電池發(fā)電效率高達36.4%，而太陽能電池片發(fā)電效率通常在15%-18%范圍內，因此氫燃料電池不僅大大提高了發(fā)電效率，而且整個發(fā)電過程只有水的產生，實現(xiàn)了高效清潔無污染，因而必將成為21世紀新能源領域的領跑者.

[1]李春華，朱新堅，胡萬起，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].電網技術，2009，（12）：88-93.

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

[3]簡棄非，趙永利，劉海燕.質子交換膜燃料電池運行參數(shù)的仿真優(yōu)化[J].華南理工大學學報：自然科學版，2006，34（10）：6-10.

[4]楊貴恒.質子交換膜燃料電池性能試驗及其系統(tǒng)設計[D].成都：四川大學，2005.

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

[6]吳禹.高溫質子交換膜燃料電池仿真與設計[D].杭州：浙江大學，2014.

[7]張君，樊立萍，姜雷.質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

石家莊學院科研啟動基金（2015QN003）；石家莊學院科研團隊項目（XJTD004）；河北省高等學校科學技術研究重點項目（ZD2015210）

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