光伏-氫燃料電池集成供電系統(tǒng)設(shè)計

瞿小廣，陳波，楊興林，沈晟吉

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引言

為了實現(xiàn)海上資源的進一步開發(fā)，并為海島居民的日常生活提供可靠的能源動力，亟需提供一套有效、穩(wěn)定的能源供應(yīng)系統(tǒng)[1]。太陽能制氫、金屬儲氫、燃料電池供電系統(tǒng)的集成運行，無需化石燃料作為驅(qū)動裝置工作的能量來源，而制氫所需的原料則來源于海島周圍最容易獲得且儲量豐富的海水，因而能夠?qū)崿F(xiàn)海島能量的自給自足，實現(xiàn)低品質(zhì)能量轉(zhuǎn)換、高效的能量儲存和高品質(zhì)的能量輸出。

國外的一些學(xué)者最先對太陽能制氫-氫燃料電池多能源供電進行研究。文獻[2-5]中的研究人員開展了太陽能和多種燃料電池能源集成系統(tǒng)研發(fā)工作，實現(xiàn)了較小功率下的混合發(fā)電。太陽能制氫-金屬儲氫-燃料電池集成供電的關(guān)鍵技術(shù)在于如何低成本，有效地制氫、貯氫并向高品質(zhì)電能轉(zhuǎn)換。目前電解水制氫主要方法為酸性或堿性電解質(zhì)催化制氫。文獻[6-13]圍繞不同電解質(zhì)、不同類型燃料電池以及貯氫方法進行了相關(guān)研究。

本文基于光伏發(fā)電、燃料電池技術(shù)，設(shè)計開發(fā)一套能夠穩(wěn)定輸出2kW功率的太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池供電集成系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池制備、酸性電解水制氫設(shè)計與制備、金屬貯氫裝置設(shè)計與制備技術(shù)以及系統(tǒng)功能集成與電氣控制。系統(tǒng)通過太陽能陣列把光能轉(zhuǎn)換為電能并將富余的電能用于電解水制氫，氫氣存儲于金屬儲氫罐中。當(dāng)太陽光資源不足時，光伏陣列產(chǎn)生的電能小于負(fù)載供電需求，由于氫氣存儲于其中一個金屬儲氫罐中，可啟動另一個金屬儲氫罐為燃料電池提供氫氣發(fā)電，滿足負(fù)載需求。該系統(tǒng)的工作沒有污染物和二氧化碳的排放，對外界的供給依賴低，是一種離島能源綜合利用的一體化解決方案，未來的市場利用前景十分廣闊。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

太陽能制氫-氫燃料電池集成供電系統(tǒng)主要包括：1)光伏發(fā)電系統(tǒng)；2)燃料電池的低成本制備技術(shù)；3)酸性電解水制氫設(shè)計與制備工藝；4)金屬貯氫裝置設(shè)計與制備技術(shù)；5)系統(tǒng)功能集成與電氣控制技術(shù)。

光伏陣列在進行光-電能量轉(zhuǎn)換過程中，光伏陣列進線通過接線盒并線后進入控制器。存在以下兩種情況：

a)太陽光資源豐富時，光伏陣列產(chǎn)生的電能超過用戶需求，用戶負(fù)載所需電能直接由光伏發(fā)電承擔(dān)，并將富余的電能用于電解水制氫，氫氣存儲于金屬儲氫罐中；

b)太陽光資源不足時，光伏陣列產(chǎn)生的電能小于負(fù)載供電需求，由于氫氣存儲于其中一個金屬儲氫罐中，可啟動另一個金屬儲氫罐為燃料電池提供氫氣發(fā)電，滿足負(fù)載需求。

從控制器輸出的電，用于直流負(fù)載時，則直接連接直流負(fù)載，用于交流負(fù)載需要逆變器。逆變器把直流電源逆變?yōu)锳C220 V頻率50Hz±2%交流電，供給交流負(fù)載。如圖1所示。

圖1 太陽能制氫-金屬氫化物儲氫-氫燃料電池集成供電方案

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

某地年水平面輻射量為135kcal/cm2，方陣面上的輻射量為148.5kcal/cm2。通過對等效日照峰值數(shù)、電池組件串聯(lián)數(shù)、日負(fù)載耗電量及總充電電流等參數(shù)的計算，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池制備

質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極是其運行中化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的場所。膜電極的制備方法可大致分為兩類：氣體擴散層負(fù)載法(GDE)和膜負(fù)載法(CCM)。圖2給出了兩種制備方法得到的燃料電池性能。對比兩種方法可知，CCM法遠(yuǎn)好于GDE法。

圖2 CCM法和GDE法燃料電池性能對比

系統(tǒng)需提供2 kW的穩(wěn)定電能，由于逆變器的效率、線路損失、溫度的影響、電池性能的衰減等，因而需要配置3 kW燃料電池系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括：燃料電池堆、風(fēng)扇、電子控制板、DC/DC以及電磁閥，3 kW的額定功率。針對3 kW的設(shè)計要求，通過小電堆測試，建立了40層的燃料電池電堆，如圖3所示，其發(fā)電功率為3050W，達到了設(shè)計目標(biāo)。

圖3 40層的燃料電池電堆

2.3 酸性電解水制氫系統(tǒng)設(shè)計與制備

酸性電解水制氫系統(tǒng)主要包括酸性電解水催化劑的制備、酸性電解水電極制備、酸性電解水熱壓塑封技術(shù)等。圖4為酸性電解槽裝置。將12個電解槽以串聯(lián)的方式連接，組成酸性電解水裝置，總活化面積1200cm2。當(dāng)電流密度為1A/cm2,單個電解槽的電壓約2V，總計產(chǎn)氫量0.5m3/h，4h可產(chǎn)生2m3氫氣。

圖4 酸性電解槽裝置組裝

2.4 金屬貯氫裝置設(shè)計與制備

采用吸放氫動態(tài)性能良好的LaNi5作為貯氫材料，建立Sieverts式貯氫性能測試系統(tǒng)并對樣品的貯氫性能進行測試，測試系統(tǒng)如圖5所示。測試環(huán)境溫度為28℃恒溫，測試溫度由AI-808P型人工智能溫度控制器控制，控制精度為±0.2℃，溫度范圍為0℃～1000℃。壓力變化由大氫庫和小氫庫中相應(yīng)的壓力傳感器分別監(jiān)測，其監(jiān)測范圍分別為0～0.5MPa和0～20MPa。采用AI-706M型巡檢儀采集反應(yīng)溫度及壓力變化的數(shù)據(jù)并傳送到計算機進行記錄。

圖5 Sieverts式儲氫性能測試儀示意圖

儲氫裝置設(shè)計要求：氫氣輸出時純度≥99.99%；25℃輸出時氫壓≥0.25MPa，60℃輸出時氫壓≥0.50MPa。圖6為15Nm3固態(tài)儲氫裝置的實物照片。

圖6 固態(tài)儲氫裝置照片

2.5 系統(tǒng)功能集成與電氣控制技術(shù)

因太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池系統(tǒng)的組成較為復(fù)雜，各子系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計及智能控制邏輯，將是系統(tǒng)集成的一個核心關(guān)鍵難題。同時如何在滿足負(fù)載需求的情況下，最大程度地降低發(fā)電系統(tǒng)的造價成本以及根據(jù)負(fù)載的需求對不同的子系統(tǒng)進行匹配設(shè)計，形成一體化的、有效協(xié)同的、高智能化的、低成本的產(chǎn)品，將是本系統(tǒng)另一個核心關(guān)鍵難題。

電控系統(tǒng)安裝柜主要用于安裝本設(shè)計所用到的電器部件，如逆變器、DC/DC變換器、控制模塊、顯示模塊等。本柜體將眾多電器模塊集成到一體，使電控系統(tǒng)小型化、集成化、可視化、智能化，且降低成本，方便管理。圖7為太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池系統(tǒng)控制總成，安裝柜的三維模型圖如圖8所示。

圖7 太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池系統(tǒng)控制總成

圖8 安裝柜的三維模型圖

3 系統(tǒng)測試

太陽能制氫-金屬氫化物儲氫-氫燃料電池集成供電原理樣機系統(tǒng)如圖9所示。對該系統(tǒng)開展測試。測試目標(biāo)為：光伏發(fā)電系統(tǒng)每天≥15kWh；平均每天產(chǎn)氫氣為3m3；平均每天產(chǎn)氧氣為1.5m3，氫氣純度 99.999%，金屬儲氫器儲氫容量≥ 20Nm3，燃料電池額定功率≥ 3kW，純凈淡水最大生成速率為1500g/h，系統(tǒng)提供最大功率為2.5kW的穩(wěn)定電能，系統(tǒng)額定功率為2kW，生活用純凈淡水額定生成速率為1200g/h。

圖9 太陽能制氫-金屬氫化物儲氫-氫燃料電池集成供電原理樣機系統(tǒng)

測試主件包括：光伏組件48塊、控制器1臺、逆變器1臺、電壓控制柜1臺、金屬儲氫器1臺、制氫設(shè)備1臺、儲氧設(shè)備1臺。測試結(jié)果如表2所示。由測試結(jié)果可知，該系統(tǒng)符合預(yù)定設(shè)計目標(biāo)，且占地面積較小。

表2 太陽能制氫-金屬氫化物儲氫-氫燃料電池集成供電原理樣機系統(tǒng)測試結(jié)果

4 結(jié)語

1)針對遠(yuǎn)海島嶼較難提供穩(wěn)定電能的現(xiàn)狀，本文從太陽能發(fā)電出發(fā)，引入電解水制氫、金屬貯氫、燃料電池等新能源技術(shù)，提出了一種太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池集成供電系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)從原理上能夠?qū)崿F(xiàn)海島能量的自給自足、低品質(zhì)能量轉(zhuǎn)換、高效的能量儲存和高品質(zhì)的能量輸出。

2)基于2kW的設(shè)計目標(biāo)，開展了光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，酸性電解水制氫系統(tǒng)設(shè)計與制備，金屬貯氫裝置設(shè)計與制備以及系統(tǒng)功能集成與電氣控制方式設(shè)計，實現(xiàn)了相應(yīng)模塊的功能。

3)基于各設(shè)計模塊，建立了太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池集成供電系統(tǒng)樣機，并開展了發(fā)電效率、發(fā)電功率、產(chǎn)氫、貯氫、淡水生成等指標(biāo)的測試，測試結(jié)果滿足既定目標(biāo)，為今后產(chǎn)業(yè)化提供了依據(jù)。