[发明专利]太阳能电池电解水制氢系统

说明书

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。