簡介
燃料電池發電技術是氫能利用與開發的重要研究方向，在電源研究領域有著良好的套用前景。燃料電池堆是發電系統的核心部分，其輸出性能品質直接影響系統能否正常工作，因此，可靠有效的輸出性能分析評價方法，是燃料電池理論和套用研究的關鍵技術之一。經過長期使用，單電池或電堆的部分組件會出現一定程度的損耗和功能性退化。如催化層與擴散電極逐漸剝離、催化劑中毒退化、電化學反應面積減小、質子膜酸化污染、冷卻介質雜質污染膜電極等。事實證明，在這種組件退化過程中，由於單電池的電化學反應能力和電子的產生能力衰減，會引起電堆輸出性能品質的下降。然而，又由於組件退化是一個較為漫長的過程，在繼續使用過程中隨時分析評價輸出性能，監控下降程度，對防止由於性能下降造成的發電系統故障有著重要意義。此外，通過分別對極化段、歐姆段和濃差段特性的分析評價，也能夠為獲得操作條件調整原則和研究輸出性能控制方法提供理論指導。
近年來，針對電堆輸出性能檢測分析的研究，主要集中在伏–安(V-I)特性方法和交流阻抗方法2方面。前者通過分析V-I特性曲線變化，研究操作條件對電堆輸出性能的影響作用，反映堆內電化學和傳質傳熱過程。後者採用電化學阻抗譜法，根據不同頻率範圍的電堆交流阻抗變化情況，建立等效電路模型，研究操作條件對質子膜水合狀態和質子導通能力的影響規律，分析堆內水熱平衡狀態。
V-I特性方法直觀簡便，利用易於獲得的過程變數，表現輸出性能變化，具有良好的實時性。但是，通過曲線形狀或趨勢變化分析，只能獲得一些定性結論，無法定量描述性能變化程度。交流阻抗方法通過檢測膜電極和雙極板的歐姆阻抗，組件之間的接觸電阻，以及質子導通阻抗，能夠清晰地反映堆內電化學、傳質傳熱過程。但是，設備昂貴和檢測分析過程複雜是主要不足之處，而且未能進一步涉及性能變化的定量計算和評價等方面。此外，在電堆工作一定周期後，單純的根據輸出電壓下降幅度，評價電堆組件退化狀態，既沒有考慮電流變化因素，也未能分別針對極化段、歐姆段和濃差段給出客觀深入的分析結論。因此，無法科學全面的分析評價電堆組件退化對輸出性能的影響作用。另外，電堆輸出性能與負載特性密切相關，可分為瞬態性能和穩態性能。以電子負載模擬真實負載，利用V-I特性表征電堆輸出性能，偏重分析穩定狀態下電堆輸出性能變化。本論文基於V-I特性法的特徵變數易於獲得和實時性良好等優點，提出一種基於曲線函式比較的數學方法，分析評價極化段、歐姆段和濃差段的V-I特性變化，進而實現輸出性能下降程度的定量計算。
組件退化對輸出性能影響的機制分析
從堆內電化學反應機制分析組件退化現象，對電堆輸出性能的影響可分為3個方面。
其一是造成電化學反應能力的削弱，如催化劑中毒，電化學反應面積減小等因素是其主要體現。
其二，由於質子膜的污染和酸化等因素，導致質子導通率和水飽和程度能力不足，體現為電子產生能力的下降。
其三，由於催化層與擴散電極逐漸剝離，膜電極污染等因素，引起接觸阻抗、歐姆阻抗的變化，體現為電堆或單電池的內阻增大。
此外，上述各種因素在堆內的氣體傳輸和熱量傳遞過程中也產生了不良影響。組件退化現象通過影響堆內過程，直接影響輸出性能，並在V-I特性表現形式上得以體現。電化學反應能力的削弱，使V-I曲線中不同特性段的電壓均有不同程度下降，尤其在極化段相同電流輸出時的電壓降更為明顯；電子產生能力的下降，表現在濃差段相同電壓輸出時電流的明顯減小；電堆或單電池內阻的增大，能夠表現在相同功率輸出時，歐姆段特性曲線斜率增大。由此可見，組件退化的加劇程度對輸出性能品質影響，可利用數學方法，通過V-I特性曲線形狀和趨勢的比較，實現性能下降程度的量化計算。
太陽能組件原理簡介
太陽能光伏發電的能量轉換器是太陽能電池（Solar Cell），又稱光伏電池。太陽能電池發電的原理是光生伏打效應（Photovoltaic Effect）。當太陽光照射在太陽能電池上時，電池吸收光能，產生光生電子-空穴對。在電池內建電場作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應”。若在內建電場的兩側引出電極並接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可以使用的電能。
在相同的溫度下，光照強度對電池板的影響：光照強度越大，太陽能電池板的開路電壓和短路電流越大，最大輸出功率也越大，同時可以看出開路電壓隨輻照強度的變化不如短路電流隨輻照強度的變化明顯。
在相同的光照強度下，溫度對電池板的影響：當太陽能電池的溫度升高時，其輸出開路電壓隨溫度明顯減小，短路電流略有升高，總趨勢是最大輸出功率變小。
