燃料电池在光伏发电系统中的应用

换率可高达 50%～60%。 此外，通过对余热的二次利用，其总
的转换效率可高达 80%～85%， 远远高于蓄电池组的转换效
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率。 （2）效率随输出变化的特性好。 部分功率下运行效率可
达 60%，短时过载能力可达到 200%的额定功率。 （3）无污染。 燃料电池在工作过程中只产生少量的废热
实际负载需要的燃料电池堆。
通常，燃料电池堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电压
变换调整系统和控制系统就可以构成一套完整的质子交换
膜燃料电池发电系统。 该发电系统运行时，反应气体（氢气和
氧气）分别通过氢氧供应系统的调压阀、加湿器（加湿、升温）
后进入电堆，发生反应产生直流电，再经电压变换调整系统
后供给负载。 发电过程中产生的水由阴极过量的氧气流带
占全部电池总量的 50%，占充电电池的 70%，是当代社会不
可缺少的产品。 但因其含有铅和硫酸，数量巨大的铅酸蓄电
池已逐渐成为对环境危害最大的物品之一。
在回收利用时，铅酸蓄电池会产生大量铅蒸汽、铅尘、二
氧化硫等废气，污染大气。 甚至有不少回收人员直接将蓄电
池的废液向泥土、河流中倾倒，不但严重污染土壤和水源，对
1 蓄电池的缺点
在光伏发电系统中， 特别是在独立光伏发电系统中，蓄 电池组是必不可少的组成部分。蓄电池组是光伏发电系统的 主要储能装置，其作用是将电池方阵发出的多余电力储存起 来，在晚间或阴雨天时供负载使用。 目前常用的是铅酸蓄电 池组。但把光伏发电系统产生的电力存储在铅酸蓄电池组中 价格昂贵而且效率低下。 此外，使用铅酸蓄电池作为储能装 置还有一系列的缺点： 1.1 使用寿命短［1］
（2）
η=ΔG/ΔH=83.0％
（3）
式中：ΔG 和 ΔH 分别为自 由能变化量和热焓 变化量 ，F
是法拉第常数。
由公式 2 可知，当以阳极为参考时，阴极电位为 1.23V。
即质子交换膜燃料电池单体的发电电压理论上限为 1.23V。
接有负载时，输出电压取决于输出电流密度，通常在 0.5～1V
之间。将多个燃料电池单体层叠组合就能构成输出电压满足
池是一种电化学装置，是将连续供给的燃料的化学能直接变
换为电能，从而连续获得电力的发电装置 ［2］。 燃料电池具有
诸多优点：
（1）能 量 转 换 效 率 高 。 这 是 燃 料 电 池 的 主 要 优 点 。 在 正 常
工作情况下，燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，且发
电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转
使用该方法，可以轻易地将在白天获得的多余电力用来 将水分解成氢气和氧气，并将氢气储存起来。 晚上，氢气和氧 气转化为燃料用来发电，生成水。 整个过程发生在正常的大 气压环境和温度内，并不产生任何污染性气体。
3 燃料电池
3.1 燃料电池结构以及分类 从基本结构上来说， 燃料电池和一般的电池单体一样，
也是由正负两个电极（阳极即输入燃料的电极；阴极即输入 氧化剂的电极）以及电解质组成。 但从本质上来说，燃料电池 和一般电池单体是有区别的：一般电池单体的活性物质贮存 在电池内部，限制了电池容量；而燃料电池的阳、阴极本身不 包含活性物质，只是个催化转换元件，可尽量避免在转换过 程中的能量损失。 在理想条件下，只要反应物不断输入，反应 产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。
中 图 分 类 号 ：TM911.4
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1672-9064(2010)02－0086－02
对太阳能光伏发电的研究已经走过了很长一段路，获得 了巨大的进步，但对多 余电力的存储依然 难以解决。 目前，通 常把电力存储在蓄电池组中，但该方法代价昂贵而且效率低 下。 因此，为了取得真正 的成功，太阳能行业 需要找到另一种 更有效的方法来存储电力，以供负载在晚上或阴雨天使用。
了全世界的关注，具有关阔的前景，在不久的将来，必将替代
使用蓄电池的普通光伏发电系统。
参考文献 1 宋雷鸣，牟晓卉. 浅析影响铅酸蓄电池使用寿命的主要因素和注意
事项. 电源世界，2009（01） 2 衣宝廉. 燃料电池的原理、技术状态与展望. 电池工业，2003（01） 3 http://kbs.cnki.net/forums/70079/ShowThread.aspx 4 白玉霞，邱新平.质子交换膜燃料电池中的相关基础性问题. 物理，
命 。 当外部环境温度上升 之后，电池内部温度 也随会之升高，
使蓄电池的输出容量增大。但当温度持续时间超过一定上限
时，蓄电池内部会产生过热现象，致使电池内阻下降。 当电池
内阻下降后，充电电流会进一步升高，导致内阻进一步降低，
形成恶性循环，直到热失控使电池壳体严重变形、涨裂。
1.2 环境污染
作为世界上产量最大的电池产品，铅酸蓄电池的生产量
和水，不会对环境产生污染。 （4）构 造 简 单 ，便 于 维 护 保 养 。 基于燃料电池的上述优点，该光伏发电系统在理论上优
于使用蓄电池的普通光伏发电系统。 但在实际应用中，还存 在一系列问题有待解决，如：电解水的方法的选择、燃料电池 发电系统结构的简化。 其中，最急需解决的问题就是：使用何 种方法将水分解成氢气、氧气。 虽然，只要有足够大的电流， 已经有很多方法让水分解，但是这些方法需要的能量可能比 其生成的氢气能产生的能量还要高许多。
ISSN1672-9064 CN35-1272/TK
可再生能源
燃料电池在光伏发电系统中的应用
刘松 杨鹏 （扬州大学 江苏扬州 225127）
摘要 介绍铅酸蓄电池的不足之处及其替代品— ——燃料电池的基本工作原理， 简单分析基于燃料电池的光伏发电系统 存在的一些缺陷，并介绍可行的解决方案。
关键词 光伏发电 铅酸蓄电池 燃料电池 电解水
目前，最 实用的燃料 电池是以氢 或富含氢的 气体燃料电 图 2 质子交换膜燃料电池工作原理
可再生能源
ISSN1672-9064 CN35-1272/TK
池。 在本光伏发电系统中，使用的质子交换 膜燃料电池 ［4］就
是其中的一种。 它的工作原理如图 2 所示：将氢气送到负极，
经过催化剂（贵金属铂）的作用，氢原子中两个电子被分离出
燃料电池的分类方法有很多种。如依据燃料电池工作温 度可分为低温型、常温型和高温型燃料电池；依据燃料的类 型分为有机燃料电池和气体燃料电池；还可依据电解质的不 同，将燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳 酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池 等。
3.2 燃 料 电 池工作原理
来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生直流电，失
去电子的氢离子可穿过质子交换膜（即固体电解质），在正极
与氧原子和电子重新结合为水。 总反应为：
1/2 O2＋H2→H2O
（1）
反应结果是氢和氧发生电化学燃烧， 生成水和产生电
能。 由热力学变量可以得出理论电动势和理论热效率公式：
Eo=-（ΔG/2F）=1.23V
（2）过放的影响。 普通铅酸蓄电池在充电初期，电池端电 压较低，无氢氧气体析出。 当铅酸蓄电池的电压上升到一定 数值时，电池就会析出大量的气体（正极析氧，负极析氢），致 使蓄电池因失水而失效。同时，当水大量流失时，蓄电池中的 H+浓度增加， 导致正极附近的酸度增加， 板栅因腐蚀而变 薄，影响蓄电池的寿命。
出。 未反应的氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，可
经过循环泵重新进入燃料电池堆循环使用。
在质子交换膜燃料电池发电系统中，水热管理系统是必
不可少的环节之一。 由 于质子交换膜燃料 电池在 80℃左右
运行效能最好， 因此反应气体进入燃料电池堆前需要预加
热； 燃料电池堆发电时产生的热量将使其自身温度升高，故
空气环境、生态平衡造成破坏，还会引发人体代谢、生殖及神
经等方面的疾病。
2 燃料电池的可行性
基于铅酸蓄电池的上述缺点，科学家提出了一种新的储
能方案：使用燃料电池代替蓄电池作为光伏发电系统的储能
装置。 具体如
图 1 所示。
燃料电
池 （Fuel Cell, FC）的概念 是
图 1 光伏发电系统框图
1839 年 G.R.Grove 提出的，至今大约已有 170 a 历史。燃料电
（3）温度的影响。 外部环境温度对铅酸蓄电池的影响非 常明显。 铅酸蓄电池最合理的工作温度是 25℃。 在低温条件 下，电解液的扩散能力变差，电解液粘度增大，电池内阻增 大，蓄电池的容量降低。 同时在低温时充电，会引起气体析
作者简介：刘松，硕士研究生，研究方向：太阳能光伏发电。
出，造成蓄电池内部压力增大和电解液减少，缩短蓄电池寿
为了减少电解水时所需要的能量， 增大其转换效率，科 学家尝试在水里添加特定的化学物品来达到该目的。麻省理 工大 学 （MIT） 的 诺 塞 拉 （Daniel Nocera） 和 卡 南 （Matthew Kanan）在 水 中 加 上 钴 离 子 和 磷 酸 盐 ，然 后 用 一 个 玻 璃 电 极 在 溶液中通上轻微的太阳能电池电流，成功地在该电极处获得 氧气， 而自由移动的氢离子便移至第二个由铂制成的电极 中 ，接 着 转 变 成 氢 气 ［3］。
铅酸蓄电池的使用寿命比较短，大概只有 2～3a 左右。 这 增加了光伏发电系统的后期维护工作， 进而增加发电成本。 影响铅酸蓄电池使用寿命的因素很多， 主要有以下几个方 面：
（1）过充的影响。 当铅酸蓄电池被过度充电后，电池端电 压会加速跌落，导致电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池 的阴极表而，在阴极造成“硫酸盐化”。 作为绝缘体的硫酸铅 对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，最终导致蓄 电池无法充满，容量大幅度下降，蓄电池使用寿命下降。
还必须采取适当的冷却措施，以保持燃料电池堆工作温度稳
定。 此外，燃料电池堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿
度，反应生成的水需要排除。 这些问题分别可以用水热管理
系统中的热交换器与纯水增湿装置进行调节，并由计算机进
行பைடு நூலகம்调控制。
4 结论
基于燃料电池的光伏发电系统由于各种原因，目前还不
能正式投入生产使用，但却以其特有的高效率和环保性引起
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