燃料電池綜合特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1、燃料電池綜合特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)燃料電池以氫和氧為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電力，能量轉(zhuǎn)換效率高于燃燒燃料的熱機(jī)。燃料電池的反應(yīng)生成物為水，對(duì)環(huán)境無污染，單位體積氫的儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的其它電池。因此它的應(yīng)用從最早的宇航等特殊領(lǐng)域，到現(xiàn)在人們積極研究將其應(yīng)用到電動(dòng)汽車，手機(jī)電池等日常生活的各個(gè)方面，各國(guó)都投入巨資進(jìn)行研發(fā)。1839年，英國(guó)人格羅夫（w.r.grove）發(fā)明了燃料電池，歷經(jīng)近兩百年，在材料，結(jié)構(gòu)，工藝不斷改進(jìn)之后，進(jìn)入了實(shí)用階段。按燃料電池使用的電解質(zhì)或燃料類型，可將現(xiàn)在和近期可行的燃料電池分為堿性燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池，磷酸燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧

2、化物燃料電池6種主要類型，本實(shí)驗(yàn)研究其中的質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池的燃料氫（反應(yīng)所需的氧可從空氣中獲得）可電解水獲得，也可由礦物或生物原料轉(zhuǎn)化制成。本實(shí)驗(yàn)包含太陽能電池發(fā)電（光能電能轉(zhuǎn)換），電解水制取氫氣（電能氫能轉(zhuǎn)換），燃料電池發(fā)電（氫能電能轉(zhuǎn)換）幾個(gè)環(huán)節(jié)，形成了完整的能量轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存，使用的鏈條。實(shí)驗(yàn)內(nèi)含物理內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合科技發(fā)展熱點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)過程環(huán)保清潔。能源為人類社會(huì)發(fā)展提供動(dòng)力，長(zhǎng)期依賴礦物能源使我們面臨環(huán)境污染之害，資源枯竭之困。為了人類社會(huì)的持續(xù)健康發(fā)展，各國(guó)都致力于研究開發(fā)新型能源。未來的能源系統(tǒng)中，太陽能將作為主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然氣，而燃

3、料電池將成為取代汽油，柴油和化學(xué)電池的清潔能源。一、實(shí)驗(yàn)要求1、 了解燃料電池的工作原理2、 觀察儀器的能量轉(zhuǎn)換過程：光能太陽能電池電能電解池氫能(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5、 測(cè)量太陽能電池的特性，作出所測(cè)太陽能電池的伏安特性曲線，電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線。獲取太陽能電池的開路電壓，短路電流，最大輸出功率，填充因子等特性參數(shù)二、實(shí)驗(yàn)原理1、 燃料電池質(zhì)子交換膜（pem，protonexchangemem

4、brane）燃料電池在常溫下工作，具有啟動(dòng)快速，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，最適宜作汽車或其它可移動(dòng)設(shè)備的電源，近年來發(fā)展很快，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0.050.1mm，它提供氫離子（質(zhì)子）從陽極到達(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)陽極氫的氧化和陰極氧的還原起催化作用。膜兩邊的陽極和陰極由石墨化的碳紙或碳布做成，厚度0.20.5mm，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。商品燃料電池為了提供足夠的輸出電壓和功率，需將若干單體電池串連或并

5、聯(lián)在一起，流場(chǎng)板一般由導(dǎo)電良好的石墨或金屬做成，與單體電池的陽極和陰極形成良好的電接觸，稱為雙極板，其上加工有供氣體流通的通道。教學(xué)用燃料電池為直觀起見，采用有機(jī)玻璃做流場(chǎng)板。進(jìn)入陽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)致陽極帶負(fù)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

6、+4e=2h2o（2）陰極反應(yīng)使陰極缺少電子而帶正電，結(jié)果在陰陽極間產(chǎn)生電壓，在陰陽極間接通外電路，就可以向負(fù)載輸出電能?？偟幕瘜W(xué)反應(yīng)如下：2h2o2=2h2o（3）（陰極與陽極：在電化學(xué)中，失去電子的反應(yīng)叫氧化，得到電子的反應(yīng)叫還原。產(chǎn)生氧化反應(yīng)的電極是陽極，產(chǎn)生還原反應(yīng)的電極是陰極。對(duì)電池而言，陰極是電的正極，陽極是電的負(fù)極。）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。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極，在其上產(chǎn)生氧化反應(yīng)2h2o=o2+4h+4e。左

7、邊電極接電源負(fù)極形成電解的陰極，陽極產(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。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，而電解器的陽極必須被水淹沒。3、太陽能電池太陽能電池利用半導(dǎo)體p-n結(jié)受光照射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面p-n結(jié)，圖2為p-n結(jié)示意圖。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)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成p-n結(jié)時(shí)，n區(qū)的

8、電子（帶負(fù)電）向p區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)的空穴（帶正電）向n區(qū)擴(kuò)散，在p-n結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過p-n結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，p區(qū)的空穴被來自n區(qū)的電子復(fù)合，n區(qū)的電子被來自p區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對(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。三、儀器介紹儀器的構(gòu)成如圖3所

9、示。燃料電池太陽能電池氣水塔測(cè)試儀電解池風(fēng)扇可變負(fù)載圖3燃料電池綜合實(shí)驗(yàn)儀燃料電池，電解池，太陽能電池的原理見實(shí)驗(yàn)原理部分。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)。但水含量又不能過高，否則電極被水淹沒，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。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

10、結(jié)構(gòu)，上下層之間通過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，而將氣體儲(chǔ)存在下層的頂部，通過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。測(cè)試儀面板如圖4所示。測(cè)試儀可測(cè)量電流，電壓。若不用太陽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。如圖4所示為燃料電池實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)的測(cè)試儀前面板圖。區(qū)域

11、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0350ma的可變恒流源。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、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。

12、電解器的效率為：（4）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）式中f=en=9.65104庫侖/摩爾為法拉第常數(shù)，e=1.60210-19庫侖為電子電量，n=6.0221023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）

13、式作修正：（6）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）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

14、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。測(cè)量當(dāng)電解池輸入電流分別為100ma、200ma、300ma大小時(shí)的電解池輸入電壓，產(chǎn)生一定體積氫氣所需要的時(shí)間，自主設(shè)計(jì)表格記錄數(shù)據(jù)。注意在改變恒流源的輸出電流后，需要待電解池輸出氣體穩(wěn)定后（約1分鐘），方可關(guān)閉氣水塔輸氣管。2、 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

15、.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

16、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）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?？勺冐?fù)載調(diào)至最大，改變負(fù)載電阻的大小，使輸出電壓值分別為0.90v

17、、085v、0.80v、0.75v、0.70v（輸出電壓值可能無法精確該數(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。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、 太陽能電池的特性測(cè)量在一定的光照條件下，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測(cè)量輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系，如圖6

18、所示。uoc代表開路電壓，isc代表短路電流，圖6中虛線圍出的面積為太陽能電池的輸出功率。與最大功率對(duì)應(yīng)的電壓稱為最大工作電壓um，對(duì)應(yīng)的電流稱為最大工作電流im。表征太陽能電池特性的基本參數(shù)還包括光譜響應(yīng)特性，光電轉(zhuǎn)換效率，填充因子等。填充因子ff定義為：（9）保持光照條件不變，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測(cè)量輸出電壓電流值，并計(jì)算輸出功率，自主設(shè)計(jì)表格記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。4、 注意事項(xiàng)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)。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。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。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。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pem燃料電池正常工作。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。太陽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。絕不允許用水打濕太陽能電池板和配套光源，以免觸電和損壞該部件。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。電流表的輸入電流不得超過2a，否則將燒毀電流表。電壓表的最高輸入電壓不得超過25v，否則將燒毀電壓表。實(shí)