世紀(jì)中科-燃料電池綜合實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)

ZKY-RLDC燃料電池綜合特性試驗(yàn)儀試驗(yàn)指導(dǎo)及操作說(shuō)明書(shū)成都世紀(jì)中科儀器有限公司地址：成都市人民南路四段9號(hào)中科院成都分院 〔02〕85247006 85243932 〔02〕85247006網(wǎng)址；“://ZKY.Cn/“ZKY.Cn E-mail:“mailto:ZKY@ZKY.Cn“ZKY@ZKY.Cn世紀(jì)中科第1世紀(jì)中科第1頁(yè)(8頁(yè))燃料電池綜合特性試驗(yàn)儀燃料電池以氫和氧為燃料，通過(guò)電化學(xué)反響直接產(chǎn)生電力，能量轉(zhuǎn)換效率高于燃燒燃料的熱機(jī)。燃料電池的反響生成物為水，對(duì)環(huán)境無(wú)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別領(lǐng)域，到現(xiàn)在人們樂(lè)觀爭(zhēng)論將其應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)，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)展研發(fā)。1839年，英國(guó)人格羅夫〔W.R.Grove〕制造了燃料電池，歷經(jīng)近兩百年，在材料，構(gòu)造，工藝不斷改進(jìn)之后，進(jìn)入了有用階段。按燃料電池使用的電解質(zhì)或燃料類(lèi)型，可將現(xiàn)在和近期熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池6種主要類(lèi)型，本試驗(yàn)爭(zhēng)論其中的質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池的燃料氫〔反響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〔光能－電能轉(zhuǎn)換〔電能－氫能轉(zhuǎn)換〔氫能－電能轉(zhuǎn)換試驗(yàn)內(nèi)含物理內(nèi)容豐富，試驗(yàn)內(nèi)容嚴(yán)密結(jié)合科技進(jìn)展熱點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用，試驗(yàn)過(guò)程環(huán)保清潔。能源為人類(lèi)社會(huì)進(jìn)展供給動(dòng)力，長(zhǎng)期依靠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(lèi)社會(huì)的持續(xù)安康進(jìn)展，各國(guó)都致力于爭(zhēng)論開(kāi)發(fā)型能源。將來(lái)的能源系統(tǒng)中，太陽(yáng)能將作為主要的一次能源替代目前的煤，石油和自然氣，而燃料電池將成為取代汽油，柴油和化學(xué)電池的清潔能源。試驗(yàn)?zāi)康?2光能→太陽(yáng)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(xiàn)，電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線(xiàn)。計(jì)算燃料電池的最大輸出功率及效率45、測(cè)量太陽(yáng)能電池的特性，作出所測(cè)太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線(xiàn)，電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線(xiàn)。獵取太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓，短路電流，最大輸出功率，填充因子等特性參數(shù)試驗(yàn)原理1質(zhì)子交換膜〔PEM，ProtonExchangeMembrane〕燃料電池在常溫下工作，具有啟動(dòng)快速，構(gòu)造緊湊的優(yōu)點(diǎn)，最適宜作汽車(chē)或其它可移動(dòng)設(shè)備的電源，近年來(lái)進(jìn)展很快，其根本構(gòu)造如圖1所示。目前廣泛承受的全氟璜酸質(zhì)子交換膜為固體聚合物薄膜，厚度0.05~0.1mm，它供給氫離子〔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)。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)子交換膜外表，厚度約0.03mm，對(duì)陽(yáng)極氫的氧化和陰極氧的復(fù)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0.2~0.5mm，導(dǎo)電性能良好，其上的微孔供給氣體進(jìn)入催化層的通道，又稱(chēng)為集中層。商品燃料電池為了供給足夠的輸出電壓和功率，需將假設(shè)干單體電池串連或并聯(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(yáng)極和陰極形成良好的電接觸，稱(chēng)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(jiàn)，承受有機(jī)玻璃做流場(chǎng)板。負(fù)載電路陽(yáng)極 陰極氫氣 e 氧氣H+e O2H+2H2H+陽(yáng)極流場(chǎng)板 陰極流場(chǎng)板H+2HO2陽(yáng)極催化層 質(zhì)子交換膜 陰極催化層圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)造示意圖進(jìn)入陽(yáng)極的氫氣通過(guò)電極上的集中層到達(dá)質(zhì)子交換膜。氫分子在陽(yáng)極催化劑的作用下解離22個(gè)電子，陽(yáng)極反響為：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，最終到達(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。在電池的另一端，氧氣或空氣通過(guò)陰極集中層到達(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響生成水，陰極反響為：O2+4H++4e=2H2O 〔2〕陰極反響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?？偟幕瘜W(xué)反響如下：2H2＋O2=2H2O 〔3〕〔陰極與陽(yáng)極：在電化學(xué)中，失去電子的反響叫氧化，得到電子的反響叫復(fù)原。產(chǎn)生氧化反響的電極是陽(yáng)極，產(chǎn)生復(fù)原反響的電極是陰極。對(duì)電池而言，陰極是電的正極，陽(yáng)極是電的〕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響生成水互為逆過(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)。假設(shè)以質(zhì)12HO2=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)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異，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，以免堵塞氣體通道，而電解器的陽(yáng)極必需被水漂浮。3、太陽(yáng)能電池NP太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體P-NNP一個(gè)大面積平面P-N結(jié)圖2為P-N結(jié)示意圖。勢(shì)壘電場(chǎng)方向 空間電荷區(qū)P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒(méi)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(méi)有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一2半導(dǎo)體P-N結(jié)示意圖P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子〔帶負(fù)電〕向P區(qū)集中，P區(qū)的空穴〔帶正電〕NP-N結(jié)四周形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向集中的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終集中與漂移到達(dá)平衡，使流過(guò)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(lái)自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來(lái)自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒(méi)有能導(dǎo)電的載流子，又稱(chēng)為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照耀時(shí)，局部電子被激發(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(guò)量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過(guò)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)，假設(shè)將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。儀器介紹測(cè)試儀太陽(yáng)能電池氣水塔可變負(fù)載風(fēng)扇測(cè)試儀太陽(yáng)能電池氣水塔可變負(fù)載風(fēng)扇燃料電池電解池3燃料電池綜合試驗(yàn)儀燃料電池，電解池，太陽(yáng)能電池的原理見(jiàn)試驗(yàn)原理局部。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，否則電極被水漂浮，水堵塞氣體通道，燃料不能傳導(dǎo)到質(zhì)子交換膜參與反響。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)排水口翻開(kāi)，在電解電流不變時(shí)，燃料供給量是恒定的。假設(shè)負(fù)載選擇不當(dāng)，電池輸出電流太小，未參與反響的氣體從排水口泄漏，燃料利用率及效率都低。在適中選擇負(fù)載時(shí)，燃料利用率約為90％。氣水塔為電解池供給純水2次蒸餾水池供給燃料氣體。每個(gè)氣水塔都是上下兩層構(gòu)造，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)，下層近似布滿(mǎn)水，電解池工作時(shí)，產(chǎn)生的氣體會(huì)會(huì)聚在下層頂部，通過(guò)輸氣管輸出。假設(shè)關(guān)閉輸氣管開(kāi)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(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)翻開(kāi)使兩塔水位平衡，試驗(yàn)時(shí)切記關(guān)閉該連通管。風(fēng)扇作為定性觀看時(shí)的負(fù)載，可變負(fù)載作為定量測(cè)量時(shí)的負(fù)載。123測(cè)試儀面板如圖4所示。測(cè)試儀可測(cè)量電流，電壓。假設(shè)不用太陽(yáng)能電池作電解池的電源，123圖圖4 燃料電池測(cè)試儀前面板示意圖如圖4所示為燃料電池試驗(yàn)儀系統(tǒng)的測(cè)試儀前面板圖。區(qū)域1——電流表局部：做為一個(gè)獨(dú)立的電流表使用。其中：兩個(gè)檔位：2A200mA兩個(gè)測(cè)量通道：電流測(cè)量Ⅰ和電流測(cè)量Ⅱ。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20V檔和2V通過(guò)電壓檔位切換開(kāi)關(guān)選擇適宜的電壓檔位測(cè)量電壓。區(qū)域3——恒流源局部：為燃料電池的電解池局部供給一個(gè)從0～350mA的可變恒流源。試驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、質(zhì)子交換膜電解池的特性測(cè)量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(kāi)頭工作。電解器的效率為： 1.48100% 〔4〕電解 U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，通常使電解器輸入電壓2伏左右?！矞囟葹榱鉉，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，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：ItV 22.4升 〔5〕氫氣 2FF=eN=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。假設(shè)試驗(yàn)時(shí)的攝氏溫度為T(mén)，所在地區(qū)氣壓為P，依據(jù)抱負(fù)氣體狀態(tài)方程，可對(duì)〔5〕式作修正：273.16T PV

It 22.4升 〔6〕氫氣 273.16 P 2F式中P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0GB4797.2-2005100010％。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：ItV 水 2F

18cm39.33It105cm3 〔7〕應(yīng)當(dāng)指出〔6〔I代表燃料電池輸出電流，V 代表燃料消耗量，V 代表電池中水的生成量。氫氣 水確認(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?！残o順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底的產(chǎn)生氣體。當(dāng)氣水塔下層的氣體低于最低刻度線(xiàn)的時(shí)候，翻開(kāi)氣水塔輸氣管止水夾，排出2～31中的電解池輸入電流大小，調(diào)整恒流源的輸出電流，待電解池輸出氣體穩(wěn)定后〔約1分鐘1中。表1 電解池的特性測(cè)量輸入電壓0．100．200．30

時(shí)間t〔秒〕

氫氣產(chǎn)生量

理論值由〔6〕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。2在肯定的溫度與氣體壓力下，轉(zhuǎn)變負(fù)載電阻的大小，測(cè)量燃料電池的輸出電壓5所示。電化學(xué)家將其稱(chēng)為極化特性曲線(xiàn)，習(xí)慣用電壓作縱坐標(biāo)，電流作橫坐標(biāo)。理論分析說(shuō)明，假設(shè)燃料的全部能量1.48伏。

電壓開(kāi)路電壓電化學(xué)極化區(qū)開(kāi)路電壓電化學(xué)極化區(qū)歐姆極化區(qū)濃差極化區(qū)1.00.2電流實(shí)際燃料的能量不行能全部轉(zhuǎn)換成電能， 圖5 燃料電池的極化特性曲線(xiàn)例如總有一局部能量轉(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)部短路電流等隨著電流從零增大，輸出電壓有一段下降較快，主要是由于電極外表的反響速度有限，有電流輸出時(shí)，電極外表的帶電狀態(tài)轉(zhuǎn)變，驅(qū)動(dòng)電子輸出陽(yáng)極或輸入陰極時(shí)，產(chǎn)生的局部電壓會(huì)被損耗掉，這一段被稱(chēng)為電化學(xué)極化區(qū)。輸出電壓的線(xiàn)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(chēng)為歐姆極化區(qū)。輸出電流過(guò)大時(shí)，燃料供給缺乏，電極外表的反響物濃度下降，使輸出電壓快速降低，而輸出電流根本不再增加，這一段被稱(chēng)為濃差極化區(qū)。綜合考慮燃料的利用率〔恒流供給燃料時(shí)可表示為燃料電池電流與電解電流之比〕及輸出電壓與抱負(fù)電動(dòng)勢(shì)的差異，燃料電池的效率為：I U P 電池電池 I電解

輸出 100％ 〔8〕1.48 1.48I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(xiàn)圍出的矩形區(qū)應(yīng)依據(jù)伏安特性曲線(xiàn)，選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載匹配，使效率與輸出功率到達(dá)最大。試驗(yàn)時(shí)讓電解池輸入電流保持在300mA，關(guān)閉風(fēng)扇。10分鐘，讓電池中的燃料濃度到達(dá)平衡值，電壓穩(wěn)定后記錄開(kāi)路電壓值。將電流量程按鈕切換到200mA?？勺冐?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，轉(zhuǎn)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)法準(zhǔn)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，這種狀況是不穩(wěn)210mA后，每次調(diào)整減0.5Ω240mA0.2Ω，每測(cè)量一點(diǎn)的平衡時(shí)間稍長(zhǎng)一些〔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輸出電壓輸出電壓U〔V〕輸出電流I〔mA〕功率P=U×I〔mW〕0.900.850.800.750.7000作出所測(cè)燃料電池的極化曲線(xiàn)。作出該電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線(xiàn)。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？試驗(yàn)完畢，關(guān)閉燃料電池與氣水塔之間的氫氣氧氣連接開(kāi)關(guān)，切斷電解池輸入電源。3在肯定的光照條件下，轉(zhuǎn)變太陽(yáng)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6所示。U 代表開(kāi)路電壓，Ioc

代表短路電流， I4中虛線(xiàn)圍出的面積為太陽(yáng)能電池的輸出功率。與最大功率對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為最大

IscIm工作電壓U

mI。m表征太陽(yáng)能電池特性的根本參數(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：

Um Uoc U圖6 太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線(xiàn)U IFF mm 〔9〕U Iocsc它是評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池輸出特性好壞的一個(gè)重要參數(shù)，它的值越高，說(shuō)明太陽(yáng)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(cè)