燃料電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、ISSN1672-9064CN35-1272/TK劉松楊鵬(揚(yáng)州大學(xué)江蘇揚(yáng)州225127摘要介紹鉛酸蓄電池的不足之處及其替代品燃料電池的基本工作原理,簡(jiǎn)單分析基于燃料電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的一些缺陷,并介紹可行的解決方案。關(guān)鍵詞光伏發(fā)電鉛酸蓄電池燃料電池電解水中圖分類號(hào):TM911.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-9064(201002-0086-02燃料電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用 作者簡(jiǎn)介:劉松,碩士研究生,研究方向:太陽能光伏發(fā)電。對(duì)太陽能光伏發(fā)電的研究已經(jīng)走過了很長(zhǎng)一段路,獲得了巨大的進(jìn)步,但對(duì)多余電力的存儲(chǔ)依然難以解決。目前,通常把電力存儲(chǔ)在蓄電池組中,但該方法代價(jià)昂貴而且效率低下

2、。因此,為了取得真正的成功,太陽能行業(yè)需要找到另一種更有效的方法來存儲(chǔ)電力,以供負(fù)載在晚上或陰雨天使用。1蓄電池的缺點(diǎn)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,特別是在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中,蓄電池組是必不可少的組成部分。蓄電池組是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能裝置,其作用是將電池方陣發(fā)出的多余電力儲(chǔ)存起來,在晚間或陰雨天時(shí)供負(fù)載使用。目前常用的是鉛酸蓄電池組。但把光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力存儲(chǔ)在鉛酸蓄電池組中價(jià)格昂貴而且效率低下。此外,使用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置還有一系列的缺點(diǎn):1.1使用壽命短1鉛酸蓄電池的使用壽命比較短,大概只有23a 左右。這增加了光伏發(fā)電系統(tǒng)的后期維護(hù)工作,進(jìn)而增加發(fā)電成本。影響鉛酸蓄電池使用壽命的因素很多

3、,主要有以下幾個(gè)方面:(1過充的影響。當(dāng)鉛酸蓄電池被過度充電后,電池端電壓會(huì)加速跌落,導(dǎo)致電池內(nèi)部大量的硫酸鉛被吸附到蓄電池的陰極表而,在陰極造成“硫酸鹽化”。作為絕緣體的硫酸鉛對(duì)蓄電池的充、放電性能產(chǎn)生很大的負(fù)面影響,最終導(dǎo)致蓄電池?zé)o法充滿,容量大幅度下降,蓄電池使用壽命下降。(2過放的影響。普通鉛酸蓄電池在充電初期,電池端電壓較低,無氫氧氣體析出。當(dāng)鉛酸蓄電池的電壓上升到一定數(shù)值時(shí),電池就會(huì)析出大量的氣體(正極析氧,負(fù)極析氫,致使蓄電池因失水而失效。同時(shí),當(dāng)水大量流失時(shí),蓄電池中的H+濃度增加,導(dǎo)致正極附近的酸度增加,板柵因腐蝕而變薄,影響蓄電池的壽命。(3溫度的影響。外部環(huán)境溫度對(duì)鉛酸蓄

4、電池的影響非常明顯。鉛酸蓄電池最合理的工作溫度是25。在低溫條件下,電解液的擴(kuò)散能力變差,電解液粘度增大,電池內(nèi)阻增大,蓄電池的容量降低。同時(shí)在低溫時(shí)充電,會(huì)引起氣體析出,造成蓄電池內(nèi)部壓力增大和電解液減少,縮短蓄電池壽命。當(dāng)外部環(huán)境溫度上升之后,電池內(nèi)部溫度也隨會(huì)之升高,使蓄電池的輸出容量增大。但當(dāng)溫度持續(xù)時(shí)間超過一定上限時(shí),蓄電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生過熱現(xiàn)象,致使電池內(nèi)阻下降。當(dāng)電池內(nèi)阻下降后,充電電流會(huì)進(jìn)一步升高,導(dǎo)致內(nèi)阻進(jìn)一步降低,形成惡性循環(huán),直到熱失控使電池殼體嚴(yán)重變形、漲裂。1.2環(huán)境污染作為世界上產(chǎn)量最大的電池產(chǎn)品,鉛酸蓄電池的生產(chǎn)量占全部電池總量的50%,占充電電池的70%,是當(dāng)代社會(huì)

5、不可缺少的產(chǎn)品。但因其含有鉛和硫酸,數(shù)量巨大的鉛酸蓄電池已逐漸成為對(duì)環(huán)境危害最大的物品之一。在回收利用時(shí),鉛酸蓄電池會(huì)產(chǎn)生大量鉛蒸汽、鉛塵、二氧化硫等廢氣,污染大氣。甚至有不少回收人員直接將蓄電池的廢液向泥土、河流中傾倒,不但嚴(yán)重污染土壤和水源,對(duì)空氣環(huán)境、生態(tài)平衡造成破壞,還會(huì)引發(fā)人體代謝、生殖及神經(jīng)等方面的疾病。2燃料電池的可行性基于鉛酸蓄電池的上述缺點(diǎn),科學(xué)家提出了一種新的儲(chǔ)能方案:使用燃料電池代替蓄電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置。具體如圖1所示。燃料電池(Fuel Cell,FC 的概念是1839年G.R.Grove 提出的,至今大約已有170a 歷史。燃料電池是一種電化學(xué)裝置,是將連

6、續(xù)供給的燃料的化學(xué)能直接變換為電能,從而連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置2。燃料電池具有諸多優(yōu)點(diǎn):(1能量轉(zhuǎn)換效率高。這是燃料電池的主要優(yōu)點(diǎn)。在正常工作情況下,燃料的化學(xué)能絕大部分都能轉(zhuǎn)化為電能,且發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒,因而不受卡諾循環(huán)的限制,能量轉(zhuǎn)換率可高達(dá)50%60%。此外,通過對(duì)余熱的二次利用,其總的轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)80%85%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蓄電池組的轉(zhuǎn)換效圖1光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖可再生能源ISSN1672-9064 CN35-1272/TK率。(2效率隨輸出變化的特性好。部分功率下運(yùn)行效率可達(dá)60%,短時(shí)過載能力可達(dá)到200%的額定功率。(3無污染。燃料電池在工作過程中只產(chǎn)生少量的廢熱和水,不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)

7、生污染。(4構(gòu)造簡(jiǎn)單,便于維護(hù)保養(yǎng)。基于燃料電池的上述優(yōu)點(diǎn),該光伏發(fā)電系統(tǒng)在理論上優(yōu)于使用蓄電池的普通光伏發(fā)電系統(tǒng)。但在實(shí)際應(yīng)用中,還存在一系列問題有待解決,如:電解水的方法的選擇、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。其中,最急需解決的問題就是:使用何種方法將水分解成氫氣、氧氣。雖然,只要有足夠大的電流,已經(jīng)有很多方法讓水分解,但是這些方法需要的能量可能比其生成的氫氣能產(chǎn)生的能量還要高許多。為了減少電解水時(shí)所需要的能量,增大其轉(zhuǎn)換效率,科學(xué)家嘗試在水里添加特定的化學(xué)物品來達(dá)到該目的。麻省理工大學(xué)(MIT的諾塞拉(Daniel Nocera和卡南(Matthew Kanan在水中加上鈷離子和磷酸鹽,然后

8、用一個(gè)玻璃電極在溶液中通上輕微的太陽能電池電流,成功地在該電極處獲得氧氣,而自由移動(dòng)的氫離子便移至第二個(gè)由鉑制成的電極中,接著轉(zhuǎn)變成氫氣3。使用該方法,可以輕易地將在白天獲得的多余電力用來將水分解成氫氣和氧氣,并將氫氣儲(chǔ)存起來。晚上,氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化為燃料用來發(fā)電,生成水。整個(gè)過程發(fā)生在正常的大氣壓環(huán)境和溫度內(nèi),并不產(chǎn)生任何污染性氣體。3燃料電池3.1燃料電池結(jié)構(gòu)以及分類從基本結(jié)構(gòu)上來說,燃料電池和一般的電池單體一樣,也是由正負(fù)兩個(gè)電極(陽極即輸入燃料的電極;陰極即輸入氧化劑的電極以及電解質(zhì)組成。但從本質(zhì)上來說,燃料電池和一般電池單體是有區(qū)別的:一般電池單體的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部,限制了電池容

9、量;而燃料電池的陽、陰極本身不包含活性物質(zhì),只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件,可盡量避免在轉(zhuǎn)換過程中的能量損失。在理想條件下,只要反應(yīng)物不斷輸入,反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除,燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。燃料電池的分類方法有很多種。如依據(jù)燃料電池工作溫度可分為低溫型、常溫型和高溫型燃料電池;依據(jù)燃料的類型分為有機(jī)燃料電池和氣體燃料電池;還可依據(jù)電解質(zhì)的不同,將燃料電池分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池等。3.2燃料電池工作原理目前,最實(shí)用的燃料電池是以氫或富含氫的氣體燃料電池。在本光伏發(fā)電系統(tǒng)中,使用的質(zhì)子交換膜燃料電池4就是其中的一種。它的工作原理如圖2所示:將氫

10、氣送到負(fù)極,經(jīng)過催化劑(貴金屬鉑的作用,氫原子中兩個(gè)電子被分離出來,這兩個(gè)電子在正極的吸引下,經(jīng)外部電路產(chǎn)生直流電,失去電子的氫離子可穿過質(zhì)子交換膜(即固體電解質(zhì),在正極與氧原子和電子重新結(jié)合為水?？偡磻?yīng)為:1/2O2+H2H2O(1反應(yīng)結(jié)果是氫和氧發(fā)生電化學(xué)燃燒,生成水和產(chǎn)生電能。由熱力學(xué)變量可以得出理論電動(dòng)勢(shì)和理論熱效率公式:Eo=-(G/2F=1.23V(2=G/H=83.0%(3式中:G和H分別為自由能變化量和熱焓變化量,F 是法拉第常數(shù)。由公式2可知,當(dāng)以陽極為參考時(shí),陰極電位為1.23V。即質(zhì)子交換膜燃料電池單體的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí),輸出電壓取決于輸出電流密度

11、,通常在0.51V 之間。將多個(gè)燃料電池單體層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆。通常,燃料電池堆、氫氧供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電壓變換調(diào)整系統(tǒng)和控制系統(tǒng)就可以構(gòu)成一套完整的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),反應(yīng)氣體(氫氣和氧氣分別通過氫氧供應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)壓閥、加濕器(加濕、升溫后進(jìn)入電堆,發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生直流電,再經(jīng)電壓變換調(diào)整系統(tǒng)后供給負(fù)載。發(fā)電過程中產(chǎn)生的水由陰極過量的氧氣流帶出。未反應(yīng)的氫氣和氧氣流出電堆后,經(jīng)汽水分離器除水,可經(jīng)過循環(huán)泵重新進(jìn)入燃料電池堆循環(huán)使用。在質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中,水熱管理系統(tǒng)是必不可少的環(huán)節(jié)之一。由于質(zhì)子交換膜燃料電池在80左右運(yùn)行效能最好,因此反應(yīng)氣體進(jìn)入燃料電池堆前需要預(yù)加熱;燃料電池堆發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量將使其自身溫度升高,故還必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施,以保持燃料電池堆工作溫度穩(wěn)定。此外,燃料電池堆運(yùn)行時(shí),質(zhì)子交換膜需要保持一定的濕度,反應(yīng)生成的水需要排除。這些問題分別可以用水熱管理系統(tǒng)中的熱交換器與純水增濕裝置進(jìn)行調(diào)節(jié),并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。4結(jié)論基于燃料電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于各種原因,目前還不能正式投入生產(chǎn)使用,但卻以其特有的高效率和環(huán)保性引起了