燃料電池綜合特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告

燃料電池綜合特性實(shí)燃料電池綜合特性實(shí) 驗(yàn)論文驗(yàn)論文 作者 宋東輝作者 宋東輝 學(xué)號(hào) 學(xué)號(hào) 0348201501003482015010 單位 二十二連二區(qū)隊(duì)單位 二十二連二區(qū)隊(duì) A A 組組 1 燃料電池綜合特性實(shí)驗(yàn)燃料電池綜合特性實(shí)驗(yàn) 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 了解燃料電池的工作原理 2 觀察儀器的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程 電能 電解池 氫能 能量?jī)?chǔ)存 燃料電池 電能 3 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 計(jì)算燃料電池的最大輸出功率及效率 4 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 二 實(shí)驗(yàn)原理 二 實(shí)驗(yàn)原理 1 1 燃料電池 燃料電池 負(fù)載電路 陽(yáng)極 陰極 氫氣 e 氧氣 H e O2 H 2H2 H 陽(yáng)極流場(chǎng)板 陰極流場(chǎng)板 H 2H2O 陽(yáng)極催化層 質(zhì)子交換膜 陰極催化層 圖 1 質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖 質(zhì)子交換膜燃料電池 如上圖 在常溫下工作 其基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 目前廣泛采用的全氟璜酸質(zhì)子交換膜為固體聚合物薄膜 厚度 0 05 0 1mm 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(guò) 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 2 0 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(guò)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 1 氫離子以水合質(zhì)子 H nH2O 的形式 在質(zhì)子交換膜中從一個(gè)璜酸基轉(zhuǎn) 移到另一個(gè)璜酸基 最后到達(dá)陰極 實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電 質(zhì)子的這種轉(zhuǎn)移導(dǎo)致陽(yáng)極 帶負(fù)電 2 在電池的另一端 氧氣或空氣通過(guò)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 2 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 2H2 O2 2H2O 3 2 2 水的電解水的電解 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(guò) 程 水電解裝置同樣因電解質(zhì)的不同而各異 堿性溶液和質(zhì)子交換膜是最好的 電解質(zhì) 若以質(zhì)子交換膜為電解質(zhì) 可在圖 1 右邊電極接電源正極形成電解的 陽(yáng)極 在其上產(chǎn)生氧化反應(yīng) 2H2O O2 4H 4e 左邊電極接電源負(fù)極形成電解 的陰極 陽(yáng)極產(chǎn)生的氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極后 產(chǎn)生還原反應(yīng) 2H 2e H2 即在右邊電極析出氧 左邊電極析出氫 作燃料電池或作電解器的電極在制造上通常有些差別 燃料電池的電極應(yīng) 利于氣體吸納 而電解器需要盡快排出氣體 燃料電池陰極產(chǎn)生的水應(yīng)隨時(shí)排 出 以免阻塞氣體通道 而電解器的陽(yáng)極必須被水淹沒(méi) 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)儀器 儀器的構(gòu)成如上圖所示 燃料電池 電解池 太陽(yáng)能電池的原理見(jiàn)實(shí)驗(yàn)原 理部分 3 3 質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜 質(zhì)子交換膜必需含有足夠的水分 才能保證質(zhì)子的傳導(dǎo) 但水含量又不能 過(guò)高 否則電極被水淹沒(méi) 水阻塞氣體通道 燃料不能傳導(dǎo)到質(zhì)子交換膜參與 反應(yīng) 如何保持良好的水平衡關(guān)系是燃料電池設(shè)計(jì)的重要課題 為保持水平衡 我們的電池正常工作時(shí)排水口打開 在電解電流不變時(shí) 燃料供應(yīng)量是恒定的 若負(fù)載選擇不當(dāng) 電池輸出電流太小 未參加反應(yīng)的氣體從排水口泄漏 燃料 利用率及效率都低 在適當(dāng)選擇負(fù)載時(shí) 燃料利用率約為 90 4 4 氣水塔氣水塔 氣水塔為電解池提供純水 2 次蒸餾水 可分別儲(chǔ)存電解池產(chǎn)生的氫氣和 氧氣 為燃料電池提供燃料氣體 每個(gè)氣水塔都是上下兩層結(jié)構(gòu) 上下層之間 通過(guò)插入下層的連通管連接 下層頂部有一輸氣管連接到燃料電池 初始時(shí) 下層近似充滿水 電解池工作時(shí) 產(chǎn)生的氣體會(huì)匯聚在下層頂部 通過(guò)輸氣管 輸出 若關(guān)閉輸氣管開關(guān) 氣體產(chǎn)生的壓力會(huì)使水從下層進(jìn)入上層 而將氣體 3 儲(chǔ)存在下層的頂部 通過(guò)管壁上的刻度可知儲(chǔ)存氣體的體積 兩個(gè)氣水塔之間 還有一個(gè)水連通管 加水時(shí)打開使兩塔水位平衡 實(shí)驗(yàn)時(shí)切記關(guān)閉該連通管 風(fēng)扇作為定性觀察時(shí)的負(fù)載 可變負(fù)載作為定量測(cè)量時(shí)的負(fù)載 5 5 測(cè)試儀測(cè)試儀 測(cè)試儀面板如上圖所示 測(cè)試儀可測(cè)量電流 電壓 若不用太陽(yáng)能電池作 電解池的電源 可從測(cè)試儀供電輸出端口向電解池供電 實(shí)驗(yàn)前需預(yù)熱 15 分鐘 區(qū)域 1 電流表部分 做為一個(gè)獨(dú)立的電流表使用 其中 兩個(gè)檔位 2A 檔和 200mA 檔 可通過(guò)電流檔位切換開關(guān)選擇合適的電流 檔位測(cè)量電流 兩個(gè)測(cè)量通道 電流測(cè)量 和電流測(cè)量 通過(guò)電流測(cè)量切換鍵可以同時(shí) 測(cè)量?jī)蓷l通道的電流 區(qū)域 2 電壓表部分 做為一個(gè)獨(dú)立的電壓表使用 共有兩個(gè)檔位 20V 檔和 2V 檔 可通過(guò)電壓檔位切換開關(guān)選擇合適的電壓檔位測(cè)量電壓 區(qū)域 3 恒流源部分 為燃料電池的電解池部分提供一個(gè)從 0 350mA 的可變恒流源 三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 1 1 質(zhì)子交換膜電解池的特性測(cè)量 質(zhì)子交換膜電解池的特性測(cè)量 理論分析表明 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 4 1 48 100 U 電解 輸入 輸入電壓較低時(shí)雖然能量利用率較高 但電流小 電解的速率低 通常使 4 電解器輸入電壓在 2 伏左右 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(guò) 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 5 22 4 2 It V F 氫氣 升 式中 F e N 9 65 104 庫(kù)侖 摩爾為法拉第常數(shù) e 1 602 10 19庫(kù)侖為 電子電量 N 6 022 1023為阿伏伽德羅常數(shù) It 2F 為產(chǎn)生的氫分子的摩爾 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 6 0 273 16 22 4 273 162 PTIt V PF 氫氣 升 式中 P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 自然環(huán)境中 大氣壓受各種因素的影響 如溫度和 海拔高度等 其中海拔對(duì)大氣壓的影響最為明顯 由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB4797 2 2005 可 查到 海拔每升高 1000 米 大氣壓下降約 10 由于水的分子量為 18 且每克水的體積為 1cm3 故電解池消耗的水的體積 為 7 353 189 3310 2 It VcmItcm F 水 應(yīng)當(dāng)指出 6 7 式的計(jì)算對(duì)燃料電池同樣適用 只是其中的 I 代表燃 料電池輸出電流 V氫氣代表燃料消耗量 V水代表電池中水的生成量 確認(rèn)氣水塔水位在水位上限與下限之間 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 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 當(dāng)氣水塔下層的氣體低于最低刻度線的時(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) 2 3 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 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 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 1 中 表 1 電解池的特性測(cè)量 輸入電流 I A 輸入電壓 V 時(shí)間 t 秒 電量 It 庫(kù) 侖 氫氣產(chǎn)生 量 測(cè)量值 升 氫氣產(chǎn)生 量 理論值 0 10 0 20 0 30 由 6 式計(jì)算氫氣產(chǎn)生量的理論值 與氫氣產(chǎn)生量的測(cè)量值比較 若不管 輸入電壓與電流大小 氫氣產(chǎn)生量只與電量成正比 且測(cè)量值與理論值接近 即驗(yàn)證了法拉第定律 5 1 燃料電池輸出特性的測(cè)量燃料電池輸出特性的測(cè)量 在一定的溫度與氣體壓力下 改 變負(fù)載電阻的大小 測(cè)量燃料電池的 輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系 如 圖 5 所示 電化學(xué)家將其稱為極化特 性曲線 習(xí)慣用電壓作縱坐標(biāo) 電流 作橫坐標(biāo) 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(guò) 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(guò)電極材料及各種連接部 件 離子通過(guò)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(guò)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 8 100 100 1 481 48 UPI II 輸出輸出電池 電池 電解電解 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 實(shí)驗(yàn)時(shí)讓電解池輸入電流保持在 300mA 關(guān)閉風(fēng)扇 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 將電流量程按鈕切換到 200mA 可變負(fù)載調(diào)至最大 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 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 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(guò)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 5 輸出電流高于 240mA 后 每次 調(diào)節(jié)減小電阻 0 2 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 表 2 燃料電池輸出特性的測(cè)量 電解電流 mA 輸出電壓0 90 80 80 70 7 電壓 1 2 開路電壓 1 0 電化學(xué)極化區(qū) 歐姆極化區(qū) 0 8 0 6 0 4 濃差極化區(qū) 0 2 電流 圖 5 燃料電池的極化特性曲線 6 U V 05050 輸出電流 I mA 0 功率 P U I mW 0 作出所測(cè)燃料電池的極化曲線 作出該電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線 該燃料電池最大輸出功率是多少 最大輸出功率時(shí)對(duì)應(yīng)的效率是多少 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 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 1 使用前應(yīng)首先詳細(xì)閱讀說(shuō)明書 2 該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須使用去離子水或二次蒸餾水 容器必須清潔干凈 否則 將損壞系統(tǒng) 3 PEM 電解池的最高工作電壓為 6V 最大輸入電流為 1000mA 否則將極 大地傷害 PEM 電解池 4 PEM 電解池所加的電源極性必須正確 否則將毀壞電解池并有起火燃燒 的可能 5 絕不允許將任何電源加于 PEM 燃料電池輸出端 否則將損壞燃料電池 6 氣水塔中所加入的水面高度必須在上水位線與下水位線之間 以保證 P EM 燃料電池正常工作 7 該系統(tǒng)主體系有機(jī)玻璃制成 使用中需小心 以免打壞和損傷 8 太陽(yáng)能電池板和配套光源在工作時(shí)溫度很高 切不可用手觸摸 以免被 燙傷 9 絕不允許用水打濕太陽(yáng)能電池板和配套光源 以免觸電和損壞該部件 10 配套 可變負(fù)載 所能承受的最大功率是 1W 只能使用于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 中 11 電流表的輸入電流不得超過(guò) 2A 否則將燒毀電流表 12 電壓表的最高輸入電壓不得超過(guò) 25V 否則將燒毀電壓表 13 實(shí)驗(yàn)時(shí)必須關(guān)閉兩個(gè)氣水塔之間的連通管 四 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格四 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格 壓強(qiáng) 1009 0hpa 溫度 24 5 1 1 電解池特性測(cè)量電解池特性測(cè)量 表 1 電解池的特性測(cè)量 輸入電流 I A 輸入電壓 V 時(shí)間 t 秒 電量 It 庫(kù) 侖 氫氣產(chǎn)生 量 測(cè)量值 升 氫氣產(chǎn)生 量 理論值 0 101 9042042 00 0050 0053 0 201 9620641 20 0050 0054 7 0 302 0114042 00 0050 0053 2 2 燃料電池輸出特性的測(cè)量燃料電池輸出特性的測(cè)量 表 2 燃料電池輸出特性的測(cè)量 電解電流 300 mA 輸出電壓 U V 0 9590 90 850 80 750 70 689