实验2 燃料电池综合特性实验仪.doc

负载电路—阴极流场板阳极催化层 质子交换膜 阴极催化层图 1 质子交换膜燃料电池结构示意图氧气实验四十 燃料电池综合特性实验仪燃料电池以氢和氧为燃料，通过电化学反应直接产生电力，能量转换效率高于燃烧燃 料的热机燃料电池的反应生成物为水，对环境无污染，单位体积氢的储能密度远高于现 有的其它电池因此它的应用从最早的宇航等特殊领域，到现在人们积极研究将其应用到 电动汽车，电池等日常生活的各个方面，各国都投入巨资进行研发1839年，英国人格罗夫（W. R . Grove）发明了燃料电池，历经近两百年，在材料， 结构，工艺不断改进之后，进入了实用阶段按燃料电池使用的电解质或燃料类型，可将 现在和近期可行的燃料电池分为碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池， 磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池6 种主要类型，本实验研究其 中的质子交换膜燃料电池燃料电池的燃料氢可通过电解水获得，也可由矿物或生物原料转化制成，燃料氧可从 空气中获得本实验包含太阳能电池发电（光能－电能转换），电解水制取氢气（电能－氢 能转换），燃料电池发电（氢能－电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换、储存和使 用的链条。

实验目的】1. 了解燃料电池的工作原理，观察能量转换的过程2. 测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律3. 测量质子交换膜燃料电池的输4. 测量太阳能电池的输出特性实验原理】1．燃料电池质子 交换 膜（ PEM， ProtonExchange Membrane）燃料电池在 常温下工作，具有启动快速，结构 紧凑的优点，最适宜作汽车或其它 可移动设备的电源，近年来发展很 快，其基本结构如图 1 所示目前广泛采用的全氟璜酸质子 交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.05〜0.1mm,它提供氢离子（质子） 从阳极到达阴极的通道，而电子或 气体不能通过催化层是将纳米量级的铂粒子 用化学或物理的方法附着在质子交 换膜表面，厚度约0.03mm,对阳 极氢的氧化和阴极氧的还原起催化 作用膜两边的阳极和阴极由石墨化导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的的碳纸或碳布做成，厚度 0.2〜0.5mm 通道，又称为扩散层商品燃料电池为了提供足够的输出电压和功率，需将若干单体电池串连或并联在一起， 流场板一般由导电良好的石墨或金属做成，与单体电池的阳极和阴极形成良好的电接触， 称为双极板，其上加工有供气体流通的通道。

教学用燃料电池为直观起见，采用有机玻璃做流场板进入阳极的氢气通过电极上的扩散层到达质子交换膜氢分子在阳极催化剂的作用下 解离为 2 个氢离子，即质子，并释放出2 个电子，阳极反应为：H2= 2H++2e （1）氢离子以水合质子H+ （nH2O）的形式，在质子交换膜中从一个璜酸基转移到另一个 璜酸基，最后到达阴极，实现质子导电，质子的这种转移导致阳极带负电在电池的另一端，氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用 下，氧与氢离子和电子反应生成水，阴极反应为：O2+4H++4e = 2H2O （2）阴极反应使阴极缺少电子而带正电，结果在阴阳极间产生电压，在阴阳极间接通外电 路，就可以向负载输出电能总的化学反应如下：2H2＋O2= 2H2O （3）（阴极与阳极：在电化学中，失去电子的反应叫氧化，得到电子的反应叫还原产生 氧化反应的电极是阳极，产生还原反应的电极是阴极对电池而言，阴极是电的正极，阳 极是电的负极2．水的电解 在电解池中将水电解产生氢气和氧气（作为燃料电池的燃料），与燃料电池中氢气和氧 气反应生成水互为逆过程水的电解装置同样因电解质的不同而各异，碱性溶液和质子交换膜是最好的电解质。

若以质子交换膜为电解质，可在图1 右边电极接电源正极形成电解的阳极，在其上产生氧 化反应2H2O = O2+4H++4e左边电极接电源负极形成电解的阴极，阳极产生的氢离子通过 质子交换膜到达阴极后，产生还原反应2H++2e = H2即在右边电极析出氧，左边电极析出 氢燃料电池和电解池的电极在制造上通常有些差别，燃料电池的电极应利于气体吸纳， 而电解池需要尽快排出气体燃料电池阴极产生的水应随时排出，以免阻塞气体通道，而 电解池的阳极必须被水淹没3．太阳能电池太阳能电池利用半导体P-N结受光照射 时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构 就是一个大面积平面P-N结，图2为P-N结 示意图P 型半导体中有相当数量的空穴，几乎 没有自由电子 N 型半导体中有相当数量的 自由电子，几乎没有空穴当两种半导体结 合在一起形成 P-N 结时， N 区的电子（带负 电）向 P 区扩散， P 区的空穴（带正电）向 N 区扩散，在 P-N 结附近形成空间电荷区与 势垒电场势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡 使流过 P-N 结的净电流为零在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴 复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。

当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子－空穴对，在结区激发的电子和空 穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而 带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负 载输出电能实验仪器】仪器的构成如图3 所示燃料电池，电解池，太阳能电池的原理见实验原理部分图 3 燃料电池综合实验仪质子交换膜，必需含有足够的水分，才能保证质子的传导但水含量又不能过高，否 则电极被水淹没，水阻塞气体通道，燃料不能传导到质子交换膜参与反应如何保持良好 的水平衡关系是燃料电池设计的重要课题为保持水平衡，我们的燃料电池正常工作时排 水口打开，在电解电流不变时，燃料供应量是恒定的若负载选择不当，燃料电池输出电 流太小，未参加反应的气体从排水口泄漏，燃料利用率及效率都低在适当选择负载时， 燃料利用率约为 90％气水塔，为电解池提供纯水（2 次蒸馏水），可分别储存电解池产生的氢气和氧气，为 燃料电池提供燃料气体每个气水塔都是上下两层结构，上下层之间通过插入下层的连通 管连接，下层顶部有一输气管连接到燃料电池初始时，下层近似充满水，电解池工作时， 产生的气体会汇聚在下层顶部，通过输气管输出。

若关闭输气管开关，气体产生的压力会 使水从下层进入上层，而将气体储存在下层的顶部，通过管壁上的刻度可知储存气体的体 积两个气水塔之间还有一个水连通管，加水时打开使两塔水位平衡，实验时切记关闭该 连通管风扇，作为定性观察时的负载；可变负载，作为定量测量时的负载测试仪面板如图4 所示测试仪可测量电流，电压若不用太阳能电池作电解池的电 源，可从测试仪供电输出端口向电解池供电实验前需预热15 分钟区域 1——电流表部分：作为一个独立的电流表使用共有两个档位：2A档和200mA档，可通过电流量程切换键选择合适的电流档位两个测量通道：电流测量I和电流测量II通过电流测量切换键可以同时测量两个通 道的电流区域 2——电压表部分：作为一个独立的电压表使用共有两个档位： 20V 档和 2V 档，可通过电压量程切换键选择合适的电压档位区域3——恒流源部分：为电解池提供一个从0〜350mA的可变恒流源电克甜*0电流表电压表■ “n电注刑*I 1电克■程电盅謝■ II-电 r-hlg恒締.输匕350 mA咸即 世纪 中科倶器 右限处 司电 r-h>jl电迢节jj^yititarnM燃料电池综合特性实验仪区域1区域2区域3图4燃料电池测试仪前面板示意图【实验内容】1. 质子交换膜电解池的特性测量 理论分析表明，若不考虑电解池的能量损失，在电解池上加 1.48 伏电压就可使水分解 为氢气和氧气，实际由于各种损失，输入电压高于1.6 伏电解池才开始工作。

1.484）电解池的效率为：耳 = x100%电解 U输入输入电压较低时虽然能量利用率较高，但电流小，电解的速率低，通常使电解池输入 电压在 2 伏左右根据法拉第电解定律，电解生成物的量与输入电量成正比在标准状态下（温度为零°C,电解池产生的氢气保持在1个大气压），设电解电流为I,经过时间t生产的氢气体积氧气体积为氢气体积的一半）的理论值为：V氢气二It2Fx 22.4升5)式中F = e・N = 9.65x104 （库仑/摩尔）为法拉第常数，e = 1.602x10-19C为电子电A量，N = 6.022x1023/mol为阿伏伽德罗常数；It/2F为产生的氢分子的摩尔（克分子）数，A22.4 升为标准状态下气体的摩尔体积若实验时的摄氏温度为T所在地区气压为P,根据理想气体状态方程，可对（5）式作修正：V氢气273.16 + T P It • ―0 * 273.16 P 2FX 22.4 升6)式中P0为标准大气压自然环境中，大气压受各种因素的影响，如温度和海拔高度等, 其中海拔对大气压的影响最为明显由国家标准GB4797.2-2005可查到，海拔每升高1000 米，大气压下降约 10％。

由于水的分子量为18,且每克水的体积为1cm3，故电解池消耗的水的体积为：V = x18 cm3 = 9.33Itx 10-5 cm3 （7）水 2F应当指出，（6），（7）式的计算对燃料电池同样适用，只是其中的I代表燃料电池输出 电流，V氢气代表燃料消耗量，V 水代表电池中水的生成量氢气 水确认气水塔水位在水位上限与下限之间 将测试仪的恒流输出端串连电流表后再接入电解池，将电压表并联到电解池两端 将气水塔输气管止气夹关闭，调节恒流源输出到最大（旋钮顺时针旋转到底），让电解 池迅速的产生气体当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输气管止气 夹，排出气水塔下层的空气如此反复2〜3次后，气水塔下层的空气基本排尽，剩下的就 是纯净的氢气和氧气了根据表1 中的电解池输入电流大小，调节恒流源的输出电流，待 电解池输出气体稳定后（约1 分钟），关闭气水塔输气管测量输入电流，输入电压及产生定体积的气体的时间，记入表1 中表1 电解池的特性测量室温= °C输入电流（（A）输入电压（V）时间t电量It （库仑）氢气产生量测量值氢气产生量理论值0. 1000. 2000. 300由（6）式计算氢气产生量的理论值。

与氢气产生量的测量值比较若不管输入电压与电流大小，氢气产生量只与电量成正比，且测量值与理论值接近，即验证了法拉第定律2. 质子交换膜燃料电池的输出特性测量在一定的温度与气体压强下，改变负 载电阻的大小，测量燃料电池的输出电压 与输出电流之间的关系，如图5所示电 化学家将其称为极化特性曲线，习惯用电 压作纵坐标，电流作横坐标理论分析表明，如果燃料的所有能量 都被转换成电能，则理想电动势为1.48伏 实际燃料的能量不可能全部转换成电能， 例如总有一部分能量转换成热能，少量的 燃料分子或电子穿过质子交换膜形成内部电压1.2」'丿开路电压1.0-；辿化学极化区 欧姆极化区0・8 .^：：：：：：：^^^06「 一忙0.4 _ 浓差极化区 ；10.2 - ； ►电流图 5 燃料电池的极化特性曲线短路电流等，故燃料电池的开路。