燃料電池綜合實(shí)驗(yàn)

1、燃料電池綜合實(shí)驗(yàn)馬新鑫 物基2011301020001【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私馊剂想姵氐墓ぷ髟?；觀察儀器的能量轉(zhuǎn)換過程；測(cè)量燃料電池輸出特性，作出所測(cè)燃料電池的伏安特性（極化）曲線，電池輸出功率隨輸 出電壓的變化曲線；測(cè)量質(zhì)子交換膜電解池的特性，驗(yàn)證法拉第電解定律?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、燃料電池主要包括三部分：質(zhì)子交換膜、催化層、陽(yáng)極和陰極。質(zhì)子交換膜，它提供氫離子（質(zhì)子）從陽(yáng)極到達(dá)陰極的通道，而電子或氣體不能通過。 催化層是將納米量級(jí)的的鉑粒子用化學(xué)或物理的方法附著在質(zhì)子交換膜表面，厚度約 0.03mm，對(duì)陽(yáng)極氫的氧化和陰極氧的還原起催化作用。膜兩邊的陽(yáng)極和陰極由石墨化的碳 紙或碳布做成，厚度0.20.

2、5mm，導(dǎo)電性能良好，其上的微孔提供氣體進(jìn)入催化層的通道， 又稱為擴(kuò)散層。進(jìn)入陽(yáng)極的氫氣通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)質(zhì)子交換膜。氫分子在陽(yáng)極催化劑的作用下解 離為2個(gè)氫離子，即質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為：H2= 2H+2e氫離子以水合質(zhì)子H+（nH2O）的形式，通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電。在 電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層，在陰極催化層的作用下，氧與 氫離子和電子反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：O2+4H+4e = 2H2O陰極反應(yīng)使陰極缺少電子而帶正電，結(jié)果在陰陽(yáng)極間產(chǎn)生電壓，在陰陽(yáng)極間接通外電路， 就可以向負(fù)載輸出電能。總的化學(xué)反應(yīng)如下：22= 2H2O理論分析表

3、明，若不考慮電解器的能量損失，在電解器上加1.48伏電壓就可使水分解 為氫氣和氧氣，實(shí)際由于各種損失，輸入電壓高于1.6伏電解器才開始工作。電解器的效率為：門=擋8 x 100%電解 U輸入根據(jù)法拉第電解定律，電解生成物的量與輸入電量成正比。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度為零 C，電解器產(chǎn)生的氫氣保持在1個(gè)大氣壓），設(shè)電解電流為I，經(jīng)過時(shí)間t生產(chǎn)的氫氣體積（氧氣體積為氫氣體積的一半）的理論值為:v =氫氣v =氫氣It2Fx 22.4式中F = e N = 9.65X104庫(kù)侖/摩爾為法拉第常數(shù)，e = 1.602X10-19庫(kù)侖為電子電量，N =6.022X1023為阿伏伽德羅常數(shù)，It/2F為產(chǎn)生的氫

4、分子的摩爾（克分子）數(shù)，22.4升為標(biāo) 準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的摩爾體積。若實(shí)驗(yàn)時(shí)的攝氏溫度為T，所在地區(qū)氣壓為P，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可對(duì)（5）式 作修正：V氫氣273.16 + V氫氣-0 - x 22.4273.16 P 2F式中P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。 電解器的效率為：門=148 x 100%電解 U輸入2、水的電解將水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，與燃料電池中氫氣和氧氣反應(yīng)生成水互為逆過程。陽(yáng)極上產(chǎn)生氧化反應(yīng)2H2O = O 2+4H+4e。陽(yáng)極產(chǎn)生的氫離子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極 后，產(chǎn)生還原反應(yīng)2H+2e = H2。理論分析表明，如果燃料的所有能量都被轉(zhuǎn)換成電能，則理想電動(dòng)勢(shì)為1.48伏。實(shí)際 燃料的能量

5、不可能全部轉(zhuǎn)換成電能，例如總有一部分能量轉(zhuǎn)換成熱能，少量的燃料分子或電 子穿過質(zhì)子交換膜形成內(nèi)部短路電流等，故燃料電池的開路電壓低于理想電動(dòng)勢(shì)。隨著電流從零增大，輸出電壓有一段下降較快，主要是因?yàn)殡姌O表面的反應(yīng)速度有限， 有電流輸出時(shí)，電極表面的帶電狀態(tài)改變，驅(qū)動(dòng)電子輸出陽(yáng)極或輸入陰極時(shí)，產(chǎn)生的部分電 壓會(huì)被損耗掉，這一段被稱為電化學(xué)極化區(qū)。輸出電壓的線性下降區(qū)的電壓降，主要是電子通過電極材料及各種連接部件，離子通過 電解質(zhì)的阻力引起的，這種電壓降與電流成比例，所以被稱為歐姆極化區(qū)。輸出電流過大時(shí)，燃料供應(yīng)不足，電極表面的反應(yīng)物濃度下降，使輸出電壓迅速降低， 而輸出電流基本不再增加，這一段被稱

6、為濃差極化區(qū)。綜合考慮燃料的利用率（恒流供應(yīng)燃料時(shí)可表示為燃料電池電流與電解電流之比）及輸 出電壓與理想電動(dòng)勢(shì)的差異，燃料電池的效率為：門=1電池U輸出x 100%= P輸出一100%電池 I電解1.481.48 x I電解某一輸出電流時(shí)燃料電池的輸出功率相當(dāng)于圖5中虛線圍出的矩形區(qū)，在使用燃料電池 時(shí)，應(yīng)根據(jù)伏安特性曲線，選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載匹配，使效率與輸出功率達(dá)到最大。3、太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)就 是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo) 體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)光電池受光

7、照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴 分別被勢(shì)壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過量的空穴而帶 正電，P-N結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸 出電能。【實(shí)驗(yàn)器材】ZKY-RLDC燃料電池綜合特性實(shí)驗(yàn)儀、太陽(yáng)能電池、燃料電池?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1）電解池的特性測(cè)量1、確認(rèn)氣水塔水位在水位上限與下限之間。2、將測(cè)試儀的電壓源輸出端串連電流表后接入電解池，將電壓表并聯(lián)到電解池兩端。3、將氣水塔輸氣管止水夾關(guān)閉，調(diào)節(jié)恒流源輸出到最大（旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底），讓電解池 迅速的產(chǎn)生氣體。4、當(dāng)氣水塔下層的氣體低于最低刻度線的

8、時(shí)候，打開氣水塔輸氣管止水夾，排出氣水塔下 層的空氣。如此反復(fù)23次后，氣水塔下層的空氣基本排盡，剩下的就是純凈的氫氣和氧 氣了。5、根據(jù)表1中的電解池輸入電流大小，調(diào)節(jié)恒流源的輸出電流，待電解池輸出氣體穩(wěn)定后 （約1分鐘），關(guān)閉氣水塔輸氣管。6、測(cè)量輸入電流，電壓及產(chǎn)生一定體積的氣體的時(shí)間，記入表19-1中。2）燃料電池輸出特性的測(cè)量1、實(shí)驗(yàn)時(shí)讓電解池輸入電流保持在300mA，關(guān)閉風(fēng)扇。2、將電壓測(cè)量端口接到燃料電池輸出端。打開燃料電池與氣水塔之間的氫氣、氧氣連接開 關(guān)，等待約10分鐘，讓電池中的燃料濃度達(dá)到平衡值，電壓穩(wěn)定后記錄開路電壓值。3、將電流量程按鈕切換到200mA。可變負(fù)載調(diào)至最

9、大，電流測(cè)量端口與可變負(fù)載串聯(lián)后接 入燃料電池輸出端，改變負(fù)載電阻的大小，使輸出電壓值如表19-2所示（輸出電壓值可能 無(wú)法精確到表中所示數(shù)值，只需相近即可），穩(wěn)定后記錄電壓電流值。4、負(fù)載電阻猛然調(diào)得很低時(shí)，電流會(huì)猛然升到很高，甚至超過電解電流值，這種情況是不 穩(wěn)定的，重新恢復(fù)穩(wěn)定需較長(zhǎng)時(shí)間。為避免出現(xiàn)這種情況，輸出電流高于210mA后，每次 調(diào)節(jié)減小電阻0.5Q，輸出電流高于240mA后，每次調(diào)節(jié)減小電阻0.2Q，每測(cè)量一點(diǎn)的平衡 時(shí)間稍長(zhǎng)一些（約需5分鐘）。穩(wěn)定后記錄電壓電流值。5、實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉燃料電池與氣水塔之間的氫氣氧氣連接開關(guān)，切斷電解池輸入電源。3）太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線測(cè)量

10、1、連接好電路，電阻箱的阻值跳到最大。2、啟動(dòng)太陽(yáng)能電池，讓光近似垂直照射在太陽(yáng)能電板上。3、改變電阻箱的阻值：從最大的量程開始降低阻值，直到最大量程顯示為0；接著降低阻值較小的量程。4、每改變一次阻值，記下相應(yīng)的電壓和電流。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】表1燃料電池輸出特性的測(cè)量溫度=15 C壓力=1個(gè)大氣壓I(mA)00.93.227.47685.6105.2U(V)0.90.880.830.780.710.660.5P(mW)00.7922.65621.37253.9656.49652.6表2電解池的特性測(cè)量I (mA)U (V)t (s)q (C)氫氣產(chǎn)量測(cè)量值（L）氫氣產(chǎn)生量理論值（L）1001.92

11、26926.93.03.1222001.9719839.64.54.5963512.0012945.2795.05.255太陽(yáng)能電池輸出特性的測(cè)量U(V)3.293.23.123.062.862.742.672.542.241.740.76I(mA)04.577.5151.8281383434496544558585P(mW)0142424648041050116012601220970444【數(shù)據(jù)處理與結(jié)論】燃料電池輸出特性曲線為燃料電池輸出特性020406080100120電流020406080100120電流(mA)結(jié)論：1）開路電壓約為結(jié)論：1）開路電壓約為0.9V,比理想值1.48V

12、要小的多，有很大的一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為其他能量，此時(shí)效率為0.91480.9148=61%曲線的趨勢(shì)定性上與理論相符，內(nèi)阻先降低后增加。 燃料電池的輸出功率隨電壓的變化曲線為：0.50.60.70.80.9電壓0.50.60.70.80.9電壓(V)結(jié)論：在U=0.65V附近，輸出功率達(dá)到最大值。電解池的特性曲線為:理論理論ISILm 氫產(chǎn)間時(shí)位單0.0450.040ISILm 氫產(chǎn)間時(shí)位單0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.010100150200250300350電流(mA)結(jié)論：當(dāng)電流較大時(shí)，產(chǎn)氫量與理論值相差較大；小電流的效率最高。 太陽(yáng)能電池輸出特性曲線為：O60O50O60O50o o o o O o o o O 4 3 2 1kMmua 電0.50.51.01.52.0電壓(V)2.53.03.