太阳能电池电解水制氢系统.pdf

太阳能电池电解水制氢系统，该系统包含太阳能电池、水电解池、水路子系统、气路子系统、开关组和控制装置；水电解池包含至少两个制氢能力相同或者不同的单元电解池，每个单元电解池分别通过开关组中的开关与太阳能电池相连，每个开关分别控制各个单元电解池投入或断开工作状态。控制装置6根据太阳能电池的输入功率使不同组合的单元电解池投入工作。本发明可以根据太阳能电池在不同太阳辐射能条件下的功率变化，自动调节投入工作的水电解池容量，以实现太阳能电池与水电解池之间的直接匹配来电解水制氢。本发明公开的电解水制氢系统能够应用在太阳能利用、氢气生产等可再生能源领域。

1.  太阳能电池电解水制氢系统，它包含太阳能电池(1)、水电解池(3)、水路子系统(4)、气路子系统(5)和控制装置(6)，其特征在于：该系统还包括一个开关组(2)，所述的水电解池(3)包含至少两个制氢能力相同或者不同的单元电解池(7)，每个单元电解池分别通过开关组(2)中的开关(8)与太阳能电池(1)相连；太阳能电池(1)、开关组(2)、水电解池(3)、水路子系统(4)以及气路子系统(5)均通过模拟信号线和控制信号线与控制装置(6)相连，该控制装置(6)根据太阳能电池(1)的输入功率使不同组合的单元电解池(7)投入工作。

2.  按照权利要求1所述的太阳能电池电解水制氢系统，其特征在于：所述的单元电解池(7)为电解池单体或是由多个电解池单体串联而成的电解池堆。

3.  按照权利要求1所述的太阳能电池电解水制氢系统，其特征在于：所述的水电解池(3)为碱性电解池或固体聚合物电解质电解池。

太阳能电池电解水制氢系统
技术领域
本发明属于可再生能源利用及氢能技术领域，尤其是指利用太阳能电池电解水制氢技术。
背景技术
化石能源也许是上帝赐予人类的礼物，开采并简单加工后就可以使用。然而这些礼物用完之后，人类就不得不考虑使用那些不那么方便的可再生能源了。太阳能、风能、小水电、潮汐能、地热能等可再生能源资源丰富，环境友好，取之不尽用之不竭，然而其缺点也非常明显：能量密度低，不稳定性强，利用成本高。利用可再生能源发电，电力供应时有时无，时大时小，使用起来很不方便，必须经过削峰填谷的能量调整。目前小规模的可再生能源发电可以并入电网，其不稳定性被电网的巨大容量所淹没，显现不出其不利影响。然而，如果今后大规模的利用可再生能源发电，就会带来大规模的电力削峰填谷难题。虽然目前已有多种电力储存技术在研究中，例如压缩空气蓄能、泵水储能电站、蓄电池、液流储能电池、超级电容等等，然而电网规模的储电仍然是一大技术难题。迫于这样的压力，科学家找到了另外一种技术途径，利用氢气作为二次能源，成为电能的有力补充，称为氢能。电力过剩时，可以通过电解水制备氢气，输送到终端用户使用，也可以进行储存；电力不足时，可以利用氢气发电，补充电力需求。氢能也可以成为与电能并行的二次能源，利用不稳定的可再生能源制备氢能，通过氢气的储存与输送管网来调峰。气体能源的输送调峰要比电力的调峰问题简单得多，在我国的天然气西气东输工程中就得到了很好的应用。所以，作为有效的可再生能源载体，氢能是应与可再生能源取得同步发展的。
利用太阳能和风能发电电解水制氢是两种研究的较多的制氢方法，风能的不连续性比太阳能更强，控制起来更为复杂。利用太阳能制氢的技术有多种，包括太阳能光分解水制氢、太阳能热分解水制氢等，基本都处于基础研究阶段，离实用化尚有很长距离。太阳能电池电解水制氢是一种比较现实的可再生能源制氢技术，虽然目前仍然面临制氢成本高等困难，但技术成熟度已经可以做到一定规模进行工业生产。目前需要进一步降低系统复杂性，提高太阳能制氢效率，降低系统成本等。可以预计，在不远的将来，太阳能电池电解水制氢技术将会成为氢气生产的一种重要技术得到广泛应用。
利用太阳能电池电解水制氢技术中，太阳能电池的发电容量与电解池容量之间的匹配问题是一个关键的问题。为了达到最大效率，电解池的容量应该适合消耗太阳能电池板产生的所有能量。但是太阳能电池的发电量随着太阳辐射强度而变化，太阳能电池的最大发电功率是随着辐射强度而发生改变的。要更大限度的利用太阳能，需要对太阳能电池和电解池进行功率匹配。这种匹配分为并网型与离网型两种，如图1所示。对于如图1a中所示的并网型电解水制氢系统而言，也有并网正反馈、并网负反馈等多种连接方式，都可以通过电网来平衡太阳能发电的不稳定性(Solar Energy，2005，78：661-669)。对于图1b中所示的离网型太阳能电解制氢系统，需要进行功率匹配以使电解池能够有效的运行。一种比较简单的功率匹配方法是为太阳能电池匹配一个功率比太阳能电池最大功率稍小的电解池，再配备蓄电池进行能量存储。当太阳能电池功率过剩时利用一部分太阳能电力进行电解，剩余部分进行电池充电；太阳能电池功率不足时通过蓄电池进行功率补充。例如美国专利US20060088739A1公开的太阳能制氢系统中，通过蓄电池的充放电来平衡太阳能电。这种功率匹配方式虽然简单可行，但系统中需要蓄电池，增大了系统的复杂性，提高了成本。而且，蓄电池的寿命是目前最大的问题，一般只有数百次循环，这大大限制了太阳能电解制氢系统中的实用化。
直接将太阳能电池与容量适合的电解池相连，可以不必使用能量匹配的蓄电池系统，有利于降低系统复杂性与成本。Arriaga等(Int.J.Hydrogen Energy，2007，32：2247-2252)就将2.7kW的太阳能电池与一个具有25个单池、总功耗为5.6kW的PEM电解槽直接相连，结果显示在辐射能为600~800W/m²范围内时，电解池与太阳能电池之间能够较好的实现功率匹配，工作点在太阳能电池的最大功率点附近。图2所示的是该系统的太阳能电池工作曲线与电解池的工作曲线。可以看到，当太阳辐射能较低时，电解池与太阳能电池之间的匹配性变差，这会造成很大一部分太阳能无法得到利用，导致系统效率较低。
直接将电解池与太阳能电池相连还会带来其他的问题。当太阳能电池功率很小时，产生的氢气量甚至少于气体透过电解质膜的渗透量，这会造成氢气氧气在电解池内部的混合，带来安全隐患。特别对于高压系统而言，氢气的渗透量更大。同时，直接相连时，由于太阳能的不稳定，会带来电解池的热管理问题，电解池在设计功率范围以下操作时电解效率降低。
研究系统优化的太阳能电池直接与电解池连接技术是太阳能电池电解制氢技术的发展新方向，既能够简化制氢系统，又能够提高系统的制氢效率。最新的文献报道(Int.J.Hydrogen Energy，2008，33：490-498)，采用通过改变太阳能电池组的串并联方式和电解池组的串并联方式，能够使电解池的工作曲线在电流-电压关系图中左右平移，以达到和太阳能最大功率曲线相匹配的目的。图3中所示的是该文报道的系统中通过改变太阳能电池组和电解池组的串并联方式得到的工作曲线。通过改变4组75W太阳能电池和5组50W的PEM电解池组的串并联方式，使得总体能量转化效率可以达到95％。通过此方法优化，太阳能电池直接与PEM电解池连接能够提高制氢效率，但这种优化方式不够理想，实际系统中控制串并联方式的改变不容易实现。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种高效的直接利用太阳能电池电解水的制氢系统，通过简单有效的控制，使得太阳能电池能够即能够满足直接与水电解池连接的系统简单性，又能够满足不同太阳能发电情况下电解池的有效运行，使得水电解池的工作电尽量逼近太阳能电池的最大功率电，以使系统具有最高能量转换效率。
本发明的技术方案如下：
太阳能电池电解水制氢系统，它包含太阳能电池1、水电解池3、水路子系统4、气路子系统5和控制装置6，其特征在于：该系统还包括一个开关组2，所述的水电解池3包含至少两个制氢能力相同或者不同的单元电解池7，每个单元电解池分别通过开关组2中的开关8与太阳能电池1相连；太阳能电池1、开关组2、水电解池3、水路子系统4以及气路子系统5均通过模拟信号线和控制信号线与控制装置6相连，该控制装置6根据太阳能电池1的输入功率使不同组合的单元电解池7投入工作。
本发明太阳能电池电解水制氢系统中，所述的水电解池为碱性电解池或者固体聚合物电解质电解池。所述的水电解池包含的多个单元电解池既可以是电解池单体，也可以是有多个电解池单体串联而成的电解池堆。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①太阳能电池与水电解池可以直接相连，避免使用蓄电池作为能量匹配介质，能够大大降低系统复杂性，减少系统投资又避免了蓄电池的寿命短的问题，使得制氢系统使用寿命大大延长；②不管太阳辐照强度如何，都可以通过改变投入工作的单元电解池组合来利用太阳能电池进行电解制氢，能够使太阳能电池所发电力得到充分利用；③通过改变投入工作的单元电解池组合，能够改变电解池的工作曲线，使得电解池的工作曲线尽量逼近太阳能电池的最大功率曲线，以提高系统能量转换效率；④以最合适的水电解池容量来消耗太阳能电池所发电力，能够简化电解池的利用不稳定的太阳能电的热管理，同时，可以有效降低水电解池的氢气、氧气互相渗透的问题，提高系统安全性。
附图说明
图1a)是并网型太阳能电池电解水制氢系统示意图。
图1b)是离网型太阳能电池电解水制氢系统示意图。
图2是文献报道的太阳能电池与水电解池直接匹配的工作曲线图。
图3是文献报道的经过优化的太阳能电池与水电解池直接匹配的工作曲线图。
图4是本发明太阳能电池电解水系统示意图。
图5是本发明太阳能电池与水电解池性能匹配示意图。
图6是本发明太阳能电池制氢系统模拟性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构和具体实施方式作进一步的说明。
图4为本发明太阳能电池电解水制氢系统示意图，该太阳能电池电解水制氢系统包含太阳能电池1、水电解池3、水路子系统4、气路子系统5、开关组2和控制装置6，水电解池3包含至少两个制氢能力相同或者不同的单元电解池7，每个单元电解池分别通过开关组2中的开关8与太阳能电池1相连，开关8分别控制各个单元电解池投入或断开工作状态；太阳能电池1、开关组2、水电解池3、水路子系统4以及气路子系统5均通过模拟信号线和控制信号线与控制装置6相连，该控制装置6根据太阳能电池1的输入功率使不同组合的单元电解池7投入工作，即根据太阳电池发电功率的大小判断投入工作的单元电解池组合，从而发出指令闭合开关组2中的相应开关8。单元电解池7可采用电解池单体或是采用由多个电解池单体串联而成的电解池堆。水电解池3可以采用碱性电解池，也可采用固体聚合物电解质电解池。
早晨太阳升起，随着太阳辐照度逐渐升高，当控制装置6检测到太阳能电池发电功率达到最小的单元电解池的正常工作功率范围时，控制相应开关闭合，开始利用相应电能电解水制氢；随着太阳辐照能提高，太阳能电池发电能力逐渐增大，投入工作的电解池数目逐渐增多，直至接近太阳能最大发电量时全部电解池投入工作。当太阳能辐照能逐渐降低时，逐渐断开相应电解池时系统负载降低。通过这种控制方式，能够充分利用太阳能电池所发的电力电解制氢，从太阳辐照能很低到最大都可以充分利用太阳能。
本实施例中，太阳能电池的短路电流30A、开路电压16V、峰值功率320W。水电解池3由四个固体聚合物电解质单元电解池构成，每个单元电解池均为电解池堆，工作电压为12V，包含4个电解池单体，每个电解池单体工作电压3V。四个单元电解池的内阻分别为0.4Ω、0.2Ω、0.1Ω和0.05Ω，电解制氢能力呈2倍关系增长分别为60mL/min、120mL/min、240mL/min、480mL/min。图5中所示的是太阳能电池的工作曲线和各单元电解池的工作曲线。太阳能电池发电量很小时，第一组单元电解池投入工作，电解池工作曲线与最下端的虚线重合；当太阳能电池发电量增大到一定程度，第二组电解池开始投入工作，此时电解池工作曲线跃迁到下端第二条虚线，形成一个锯齿；太阳能电池发电量进一步增大时，随着投入工作的单元电解池数量增多，电解池工作曲线形成更多锯齿。从图5可以看出，锯齿形的电解池工作曲线比任意一条单元电解池工作曲线都更加逼近太阳能电池的最大功率曲线，由此可见本发明提出的控制方法能够提高太阳能电池电解水制氢的效率。
图6中所示的是模拟的采用本发明的太阳能电池制氢系统在一天中随着太阳能辐照能的变化电解池的工作状态。从电解电压可以看到，采用本法明后，通过调整投入工作的单元电解池组合，能够将电解电压维持在水电解池正常工作范围以内，电解总电流基本呈现平稳变化趋势。从图中可以看出，太阳能电池的发电量在低至10～20W到超过300W的宽广范围以内，水电解池都能正常的利用太阳能电池所发电力电解制氢。这充分本发明的太阳能电池电解制氢系统的有效性。