光伏-氫燃料電池集成供電系統設計

瞿小廣，陳波，楊興林，沈晟吉

(江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212100)

0 引言

為了實現海上資源的進一步開發，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、穩定的能源供應系統[1]。太陽能制氫、金屬儲氫、燃料電池供電系統的集成運行，無需化石燃料作為驅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，因而能夠實現海島能量的自給自足，實現低品質能量轉換、高效的能量儲存和高品質的能量輸出。

國外的一些學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研發工作，實現了較小功率下的混合發電。太陽能制氫-金屬儲氫-燃料電池集成供電的關鍵技術在于如何低成本，有效地制氫、貯氫并向高品質電能轉換。目前電解水制氫主要方法為酸性或堿性電解質催化制氫。文獻[6-13]圍繞不同電解質、不同類型燃料電池以及貯氫方法進行了相關研究。

本文基于光伏發電、燃料電池技術，設計開發一套能夠穩定輸出2kW功率的太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池供電集成系統。系統包括：光伏發電系統、燃料電池制備、酸性電解水制氫設計與制備、金屬貯氫裝置設計與制備技術以及系統功能集成與電氣控制。系統通過太陽能陣列把光能轉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。當太陽光資源不足時，光伏陣列產生的電能小于負載供電需求，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電，滿足負載需求。該系統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 系統總體設計方案

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

光伏陣列在進行光-電能量轉換過程中，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，光伏陣列產生的電能超過用戶需求，用戶負載所需電能直接由光伏發電承擔，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，光伏陣列產生的電能小于負載供電需求，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電，滿足負載需求。

從控制器輸出的電，用于直流負載時，則直接連接直流負載，用于交流負載需要逆變器。逆變器把直流電源逆變為AC220 V頻率50Hz±2%交流電，供給交流負載。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 系統各模塊設計

2.1 光伏發電系統設計參數

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、電池組件串聯數、日負載耗電量及總充電電流等參數的計算，光伏發電系統的設計參數如表1所示。

表1 光伏發電系統設計參數

2.2 質子交換膜燃料電池制備

質子交換膜燃料電池中，膜電極是其運行中化學能轉換為電能的場所。膜電極的制備方法可大致分為兩類：氣體擴散層負載法(GDE)和膜負載法(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法遠好于GDE法。

圖2 CCM法和GDE法燃料電池性能對比

系統需提供2 kW的穩定電能，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。整個系統包括：燃料電池堆、風扇、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，其發電功率為3050W，達到了設計目標。

圖3 40層的燃料電池電堆

2.3 酸性電解水制氫系統設計與制備

酸性電解水制氫系統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等。圖4為酸性電解槽裝置。將12個電解槽以串聯的方式連接，組成酸性電解水裝置，總活化面積1200cm2。當電流密度為1A/cm2,單個電解槽的電壓約2V，總計產氫量0.5m3/h，4h可產生2m3氫氣。

圖4 酸性電解槽裝置組裝

2.4 金屬貯氫裝置設計與制備

采用吸放氫動態性能良好的LaNi5作為貯氫材料，建立Sieverts式貯氫性能測試系統并對樣品的貯氫性能進行測試，測試系統如圖5所示。測試環境溫度為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的壓力傳感器分別監測，其監測范圍分別為0～0.5MPa和0～20MPa。采用AI-706M型巡檢儀采集反應溫度及壓力變化的數據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固態儲氫裝置的實物照片。

圖6 固態儲氫裝置照片

2.5 系統功能集成與電氣控制技術

因太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池系統的組成較為復雜，各子系統的參數匹配設計及智能控制邏輯，將是系統集成的一個核心關鍵難題。同時如何在滿足負載需求的情況下，最大程度地降低發電系統的造價成本以及根據負載的需求對不同的子系統進行匹配設計，形成一體化的、有效協同的、高智能化的、低成本的產品，將是本系統另一個核心關鍵難題。

電控系統安裝柜主要用于安裝本設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-燃料電池系統控制總成

圖8 安裝柜的三維模型圖

3 系統測試

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如圖9所示。對該系統開展測試。測試目標為：光伏發電系統每天≥15kWh；平均每天產氫氣為3m3；平均每天產氧氣為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，系統提供最大功率為2.5kW的穩定電能，系統額定功率為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

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、制氫設備1臺、儲氧設備1臺。測試結果如表2所示。由測試結果可知，該系統符合預定設計目標，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測試結果

4 結語

1)針對遠海島嶼較難提供穩定電能的現狀，本文從太陽能發電出發，引入電解水制氫、金屬貯氫、燃料電池等新能源技術，提出了一種太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池集成供電系統方案。該系統從原理上能夠實現海島能量的自給自足、低品質能量轉換、高效的能量儲存和高品質的能量輸出。

2)基于2kW的設計目標，開展了光伏發電系統設計，酸性電解水制氫系統設計與制備，金屬貯氫裝置設計與制備以及系統功能集成與電氣控制方式設計，實現了相應模塊的功能。

3)基于各設計模塊，建立了太陽能制氫-金屬貯氫-燃料電池集成供電系統樣機，并開展了發電效率、發電功率、產氫、貯氫、淡水生成等指標的測試，測試結果滿足既定目標，為今后產業化提供了依據。