燃料電池綜合特性實驗報告

燃料電池綜合特性實驗【實驗背景】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(zhuǎn)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(lǐng)域，到現(xiàn)在人們積極研究將其應用到電動汽車，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)。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，固體氧化物燃料電池6種主要類型，本實驗研究其中的質(zhì)子交換膜燃料電池。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?！菊咳剂想姵赜绕涫琴|(zhì)子交換膜燃料電池(PEM)以其高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、可低溫啟動、環(huán)境友好等突出優(yōu)點而受到矚目。本實驗包含太陽能電池發(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）幾個環(huán)節(jié)，形成了完整的能量轉(zhuǎn)換，儲存，使用的鏈條。本實驗通過研究燃料電池的工作原理，測量其輸出特性，計算燃料電池的最大輸出功率及效率并驗證法拉第電解定律。測量太陽能電池的特性，做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，最大輸出功率等。【關(guān)鍵詞】燃料電池，電解池，太陽能電池【正文】一、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(zhuǎn)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，做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(zhì)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，做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)。二、實驗原理：1、燃料電池質(zhì)子交換膜(PEM，ProtonExchangeMembrane)燃料電池在常溫下工作，具有啟動快速，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，最適宜作汽車或其它可移動設(shè)備的電源，近年來發(fā)展很快，其基本結(jié)構(gòu)如圖l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腆，厚度0.05~0.lmm，它提供氫離子（質(zhì)子）從陽極到達陰極的通道，而電子或氣體不能通過。催化層是將納米量級的鉑粒子用化學或物理的方法附著在質(zhì)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0.2～0.5mm，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。教學用燃料電池采用有機玻璃做流場板。衡關(guān)系是燃料電池設(shè)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(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，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(guān)閉輸氣管開關(guān)，氣體產(chǎn)生的壓力會使水從下層進入上層，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(guān)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。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。圖4燃料電池測試儀前面板示意圖如圖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l——電流表部分：作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(guān)選擇合適的電流檔位測量電流。兩個測量通道：電流測量I和電流測量II。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(guān)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0~350mA的可變恒流源。四、實驗內(nèi)容與步驟：1、質(zhì)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：η=×100%(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，電解生成物的量與輸入電量成正比。在標準狀態(tài)下（溫度為零℃，電解器產(chǎn)生的氫氣保持在1個大氣壓），設(shè)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：V=×22.4升(5)式中F=eN=9.65×10庫侖/摩爾為法拉第常數(shù)，e=1.602×10庫侖為電子電量，N=6.022×10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升為標淮狀態(tài)下氣體的摩爾體積。若實驗時攝氏溫度為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：V=(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lcm，故電解池消耗的水的體積為：V=(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(guān)閉，調(diào)節(jié)恒流源輸出到最大（旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)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，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2～3次后，氣水塔下層的空氣基本排盡，剩下的就足純凈的氫氣和氧氣了。根據(jù)表l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。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(guān)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(zhuǎn)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(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(qū)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，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：η=×100%=×100%(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(guān)閉風扇。將電壓測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(diào)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(diào)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2l0mA后，每次調(diào)節(jié)減小電阻0.5Ω，輸出電流高于240mA后，每次調(diào)節(jié)減小電阻0.2Ω，每測量一點的平衡時間稍長一些（約需5分鐘）。穩(wěn)定后記錄電壓電流值。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(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(guān)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(zhuǎn)換效率，填充因子等。填充因子FF定義為：FF=(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(zhuǎn)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。保持光照條件不變，改變太陽能電池負載電阻的大小，測量輸出電壓電流值，并計算輸出功率，記入表3中。作出所測太陽能電池的伏安特性曲線。作出該電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線。該太陽能電池的開路電壓Uoc，短路電流Isc是多少？最大輸出功率Pm是多少？最大工作電壓Um，最大工作電流Im是多少？填充因子FF是多少？五、實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理：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0.101.95171.5317.1530.0020.001990.202.01183.2336.6460.0040.004250.302.06168..8550.6570.0060.00588三次氫氣產(chǎn)生量的相對誤差分別是：e1=0.50%e2=5.88%e3=2.00%同時由上表可以看出氫氣產(chǎn)生量的理論值與測量值接近。且不管輸入電壓與電流的大小，氫氣產(chǎn)生量只與電量成正比，此即驗證了法拉第定律。表2燃料電池輸出特性的測量電解電流=300mA輸出電壓U(V)0.900.850.800.750.700.650.600.550.50輸出電流I(mA)03.112.240.1107.5210255261265266功率P=U×I(mW)02.7910.3732.0880.63147.0165.75156.6145.75133從圖中看出，燃料電池在電壓較大時，功率隨著電壓的增大而減小。此時燃料電池的內(nèi)部存在一定內(nèi)阻，消耗了部分功率。當電壓在0.65V左右時，輸出功率最大，最大輸出功率為165.75mW，此事的輸出電流為255mA。綜合考慮燃料的利用率及輸出電壓與理想電動勢的差異，最大輸出功率時對應的效率為：η=×100%=×100%=43.9%表3太陽能電池輸出特性的測量輸出電壓U(V)0.040.130.210.300.410.52輸出電流I(mA)0.2860.2850.2840.2840.2830.283功率P=U×I(mW)0.011440.037050.059640.08520.116030.14716輸出電壓U(V)0.660.801.372.713.043.11輸出電流I(mA)0.2830.2830.2810.2750.2360.196功率P=U×I(mW)0.186780.22640.384970.745250.717440.60956輸出電壓U(V)3.203.233.263.283.283.28輸出電流I(mA)0.1190.0810.0460.0160.0100.008功率P=U×I(mW)0.38080.261630.149960.052480.03280.02624輸出電壓U(V)3.283.28輸出電流I(mA)0.0040.003功率P=U×I(mW)0.013120.00984從曲線中可以分析發(fā)現(xiàn)，在輸出電流較大時，電流下降很快，即曲線斜率的絕對值較大。該太陽能電池的開路電壓Uoc是_3.28V_，短路電流Isc是_0.286mA_，最大輸出功率Pm是_0.74525mW_，最大工作電壓Um是_2.71V_，最大工作電流Im是_0.275mA_，填充因子FF==79.44%六、實驗注意事項：1．使用前應首先詳細閱讀說明書。2．該實驗系統(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l000mA，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PE