近代物理實驗講義：燃料電池綜合實驗指導及操作說明書

1、ZKY-RLDC燃料電池綜合特性實驗儀實驗指導及操作說明書成 都 世 紀 中 科 儀 器 有 限 公 司地址：成都市人民南路四段9號中科院成都分院 郵編：610041電話：（028）85247006 85243932 傳真：（028）85247006網(wǎng)址；WWW.ZKY.Cn E-mail: ZKYZKY.Cn世紀中科 第 8頁(共8頁)燃料電池綜合特性實驗儀燃料電池以氫和氧為燃料，通過電化學反應直接產(chǎn)生電力，能量轉換效率高于燃燒燃料的熱機。燃料電池的反應生成物為水，對環(huán)境無污染，單位體積氫的儲能密度遠高于現(xiàn)有的其它電池。因此它的應用從最早的宇航等特殊領域，到現(xiàn)在人們積極研究將其應用到電動汽車

2、，手機電池等日常生活的各個方面，各國都投入巨資進行研發(fā)。1839年，英國人格羅夫（W. R . Grove）發(fā)明了燃料電池，歷經(jīng)近兩百年，在材料，結構，工藝不斷改進之后，進入了實用階段。按燃料電池使用的電解質或燃料類型，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，固體氧化物燃料電池6種主要類型，本實驗研究其中的質子交換膜燃料電池。燃料電池的燃料氫（反應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化制成。本實驗包含太陽能電池發(fā)電（光能電能轉換），電解水制取氫氣（電能氫能轉換），燃料電池發(fā)電（氫能電能轉換）幾

3、個環(huán)節(jié)，形成了完整的能量轉換，儲存，使用的鏈條。實驗內含物理內容豐富，實驗內容緊密結合科技發(fā)展熱點與實際應用，實驗過程環(huán)保清潔。能源為人類社會發(fā)展提供動力，長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。為了人類社會的持續(xù)健康發(fā)展，各國都致力于研究開發(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，而燃料電池將成為取代汽油，柴油和化學電池的清潔能源。實驗目的1、 了解燃料電池的工作原理2、 觀察儀器的能量轉換過程：光能太陽能電池電能電解池氫能(能量儲存)燃料電池電能3、 測量燃料電池輸出特性，作出所測燃料電池的伏安特性（極化）曲線，電池輸出功率隨輸出電壓

4、的變化曲線。計算燃料電池的最大輸出功率及效率4、 測量質子交換膜電解池的特性，驗證法拉第電解定律5、 測量太陽能電池的特性，作出所測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)實驗原理1、 燃料電池質子交換膜（PEM，Proton Exchange Membrane）燃料電池在常溫下工作，具有啟動快速，結構緊湊的優(yōu)點，最適宜作汽車或其它可移動設備的電源，近年來發(fā)展很快，其基本結構如圖1所示。目前廣泛采用的全氟璜酸質子交換膜為固體聚合物薄膜，厚度0.050.1mm，它提供氫離子（質子）從陽極到達陰極的通道，而電子

5、或氣體不能通過。催化層是將納米量級的的鉑粒子用化學或物理的方法附著在質子交換膜表面，厚度約0.03mm，對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，導電性能良好，其上的微孔提供氣體進入催化層的通道，又稱為擴散層。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聯(lián)在一起，流場板一般由導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。教學用燃料電池為直觀起見，采用有機玻璃做流場板。進入陽極的氫氣通過電極上的擴散層到達質子交換膜。氫分子在陽極催化劑的作用下解離為2個

6、氫離子，即質子，并釋放出2個電子，陽極反應為：H2 = 2H+2e （1）氫離子以水合質子H+（nH2O）的形式，在質子交換膜中從一個璜酸基轉移到另一個璜酸基，最后到達陰極，實現(xiàn)質子導電，質子的這種轉移導致陽極帶負電。在電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極擴散層到達陰極催化層，在陰極催化層的作用下，氧與氫離子和電子反應生成水，陰極反應為：O2+4H+4e = 2H2O （2）陰極反應使陰極缺少電子而帶正電，結果在陰陽極間產(chǎn)生電壓，在陰陽極間接通外電路，就可以向負載輸出電能?？偟幕瘜W反應如下：2H2O2 = 2H2O （3）（陰極與陽極：在電化學中，失去電子的反應叫氧化，得到電子的反應叫還原。產(chǎn)生氧

7、化反應的電極是陽極，產(chǎn)生還原反應的電極是陰極。對電池而言，陰極是電的正極，陽極是電的負極。）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生成水互為逆過程。水電解裝置同樣因電解質的不同而各異，堿性溶液和質子交換膜是最好的電解質。若以質子交換膜為電解質，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2H2O = O2+4H+4e。左邊電極接電源負極形成電解的陰極，陽極產(chǎn)生的氫離子通過質子交換膜到達陰極后，產(chǎn)生還原反應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，燃料電池的電極應利于氣體吸納，而電解器需要盡快

8、排出氣體。燃料電池陰極產(chǎn)生的水應隨時排出，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體P-N結受光照射時的光伏效應發(fā)電，太陽能電池的基本結構就是一個大面積平面P-N結，圖2為P-N結示意圖。P型半導體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導體中有相當數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導體結合在一起形成P-N結時，N區(qū)的電子（帶負電）向P區(qū)擴散， P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴散，在P-N結附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過P-N結的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的

9、電子復合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復合，使該區(qū)內幾乎沒有能導電的載流子，又稱為結區(qū)或耗盡區(qū)。當光電池受光照射時，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對，在結區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，P-N結兩端形成電壓，這就是光伏效應，若將P-N結兩端接入外電路，就可向負載輸出電能。儀器介紹儀器的構成如圖3所示。燃料電池太陽能電池氣水塔測試儀電解池風扇可變負載圖3 燃料電池綜合實驗儀燃料電池，電解池，太陽能電池的原理見實驗原理部分。質子交換膜必需含有足夠的水分，才能保證質子的傳導。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

10、能傳導到質子交換膜參與反應。如何保持良好的水平衡關系是燃料電池設計的重要課題。為保持水平衡，我們的電池正常工作時排水口打開，在電解電流不變時，燃料供應量是恒定的。若負載選擇不當，電池輸出電流太小，未參加反應的氣體從排水口泄漏，燃料利用率及效率都低。在適當選擇負載時，燃料利用率約為90。氣水塔為電解池提供純水（2次蒸餾水），可分別儲存電解池產(chǎn)生的氫氣和氧氣，為燃料電池提供燃料氣體。每個氣水塔都是上下兩層結構，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，下層近似充滿水，電解池工作時，產(chǎn)生的氣體會匯聚在下層頂部，通過輸氣管輸出。若關閉輸氣管開關，氣體產(chǎn)生的壓力會使水

11、從下層進入上層，而將氣體儲存在下層的頂部，通過管壁上的刻度可知儲存氣體的體積。兩個氣水塔之間還有一個水連通管，加水時打開使兩塔水位平衡，實驗時切記關閉該連通管。風扇作為定性觀察時的負載，可變負載作為定量測量時的負載。區(qū)域1區(qū)域2區(qū)域3圖4 燃料電池測試儀前面板示意圖測試儀面板如圖4所示。測試儀可測量電流，電壓。若不用太陽能電池作電解池的電源，可從測試儀供電輸出端口向電解池供電。實驗前需預熱15分鐘。如圖4所示為燃料電池實驗儀系統(tǒng)的測試儀前面板圖。區(qū)域1電流表部分：做為一個獨立的電流表使用。其中：兩個檔位：2A檔和200mA檔，可通過電流檔位切換開關選擇合適的電流檔位測量電流。兩個測量通道：電流

12、測量和電流測量。通過電流測量切換鍵可以同時測量兩條通道的電流。區(qū)域2電壓表部分：做為一個獨立的電壓表使用。共有兩個檔位：20V檔和2V檔，可通過電壓檔位切換開關選擇合適的電壓檔位測量電壓。區(qū)域3恒流源部分：為燃料電池的電解池部分提供一個從0350mA的可變恒流源。實驗內容與步驟1、質子交換膜電解池的特性測量理論分析表明，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）輸入電壓較低時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

13、的量與輸入電量成正比。在標準狀態(tài)下（溫度為零 °C，電解器產(chǎn)生的氫氣保持在1個大氣壓），設電解電流為I，經(jīng)過時間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 = e N = 9.65×104 庫侖/摩爾為法拉第常數(shù)，e = 1.602×10-19庫侖為電子電量，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升為標準狀態(tài)下氣體的摩爾體積。若實驗時的攝氏溫度為T，所在地區(qū)氣壓為P，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可對（5）式作修正： （6）式中P0為標準大氣壓。自然環(huán)境中，大氣壓受各種因素的

14、影響，如溫度和海拔高度等，其中海拔對大氣壓的影響最為明顯.由國家標準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）應當指出，（6），（7）式的計算對燃料電池同樣適用，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。確認氣水塔水位在水位上限與下限之間。將測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閉，調節(jié)恒流源輸出到最大（旋鈕順時針旋轉到底），讓電解池迅速的產(chǎn)生氣體。當氣水塔下層的氣體低于最低刻度線的時候，

15、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。根據(jù)表1中的電解池輸入電流大小，調節(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），關閉氣水塔輸氣管。測量輸入電流，電壓及產(chǎn)生一定體積的氣體的時間，記入表1中。表1 電解池的特性測量輸入電流I（A）輸入電壓（V）時間t（秒）電量It（庫侖）氫氣產(chǎn)生量測量值（升）氫氣產(chǎn)生量理論值010020030由（6）式計算氫氣產(chǎn)生量的理論值。與氫氣產(chǎn)生量的測量值比較。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，且測量值與理論值接近，即驗證了法拉第定律。2、 燃料電池輸出特性的

16、測量在一定的溫度與氣體壓力下，改變負載電阻的大小，測量燃料電池的輸出電壓與輸出電流之間的關系，如圖5所示。電化學家將其稱為極化特性曲線，習慣用電壓作縱坐標，電流作橫坐標。理論分析表明，如果燃料的所有能量都被轉換成電能，則理想電動勢為1.48伏。實際燃料的能量不可能全部轉換成電能，例如總有一部分能量轉換成熱能，少量的燃料分子或電子穿過質子交換膜形成內部短路電流等，故燃料電池的開路電壓低于理想電動勢。隨著電流從零增大，輸出電壓有一段下降較快，主要是因為電極表面的反應速度有限，有電流輸出時，電極表面的帶電狀態(tài)改變，驅動電子輸出陽極或輸入陰極時，產(chǎn)生的部分電壓會被損耗掉，這一段被稱為電化學極化區(qū)。輸出

17、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，燃料供應不足，電極表面的反應物濃度下降，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（恒流供應燃料時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勢的差異，燃料電池的效率為： （8）某一輸出電流時燃料電池的輸出功率相當于圖5中虛線圍出的矩形區(qū)，在使用燃料電池時，應根據(jù)伏安特性曲線，選擇適當?shù)呢撦d匹配，使效率與輸出功率達到最大。實驗時讓電解池輸入電流保持在300mA，關閉風扇。將電壓測量端口

18、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，等待約10分鐘，讓電池中的燃料濃度達到平衡值，電壓穩(wěn)定后記錄開路電壓值。將電流量程按鈕切換到200mA?？勺冐撦d調至最大，電流測量端口與可變負載串聯(lián)后接入燃料電池輸出端，改變負載電阻的大小，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。負載電阻猛然調得很低時，電流會猛然升到很高，甚至超過電解電流值，這種情況是不穩(wěn)定的，重新恢復穩(wěn)定需較長時間。為避免出現(xiàn)這種情況，輸出電流高于210mA后，每次調節(jié)減小電阻0.5，輸出電流高于240mA后，每次調節(jié)減小電阻0.2，每測量一點的平衡

19、時間稍長一些（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量 電解電流 mA輸出電壓U（V）0.900.850.800.750.70輸出電流I（mA）0功率P=U×I（mW）0作出所測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？最大輸出功率時對應的效率是多少？實驗完畢，關閉燃料電池與氣水塔之間的氫氣氧氣連接開關，切斷電解池輸入電源。3、 太陽能電池的特性測量在一定的光照條件下，改變太陽能電池負載電阻的大小，測量輸出電壓與輸出電流之間的關系，如圖6所示。Uoc代表開路電壓，Isc代表短路電流，圖4中虛線圍出的面積為太陽能電池的輸出功率。與最大功率對應的電壓稱為最大工作電壓Um，對應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)還包括光譜響應特性，光電轉換效率，填充因子等。填充因子FF定義為： （9）它是評價太陽能電池輸出特性好壞的一個重要參數(shù)，它的值越高，表明太陽能電池輸出特性越趨近于矩形，電池的光電轉換效率越高。將電流測量端口與可變負載串聯(lián)后接入太陽能電池的輸出端，將電壓表并聯(lián)到太陽能電池兩端。保持光