1、實驗四十 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,對環境無污染,單位體積氫的儲能密度遠高于現 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。1839年,英國人格羅夫(W. R . Grove 發明了燃料電池,歷經近兩百年,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

2、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。燃料電池的燃料氫可通過電解水獲得,也可由礦物或生物原料轉化制成,燃料氧可從 空氣中獲得。 本實驗包含太陽能電池發電 (光能-電能轉換 , 電解水制取氫氣 (電能-氫 能轉換 ,燃料電池發電(氫能-電能轉換幾個環節,形成了完整的能量轉換、儲存和使 用的鏈條。【 實驗目的 】1. 了解燃料電池的工作原理,觀察能量轉換的過程。2. 測量質子交換膜電解池的特性,驗證法拉第電解定律。3. 測量質子交換膜燃料電池的輸出特性。4. 測量太陽能電池的輸出特性。【 實驗原理 】質 子 交 換 膜 (PEM , Pro

3、tonExchange Membrane 燃料電池在 常溫下工作,具有啟動快速,結構 緊湊的優點,最適宜作汽車或其它 可移動設備的電源,近年來發展很快,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

4、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 負載電路氫氣 氧氣圖 1 質子交換膜燃料電池結構示意圖做流場板。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個氫離子,即質子,并釋放出 2個電子,陽極反應為:H 2 = 2H+2e (1氫離子以水合質子 H +(nH 2O 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,實現質子導電,質子的這種轉移導

5、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:O 2+4H+4e = 2H2O (2陰極反應使陰極缺少電子而帶正電,結果在陰陽極間產生電壓,在陰陽極間接通外電 路,就可以向負載輸出電能。總的化學反應如下:2H 2+O 2 = 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。產生 氧化反應的電極是陽極,產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。 在電解池中將水電解產生氫氣和氧氣 (作為燃料電池的燃料 , 與燃料電池中氫氣和氧 氣反應生成水互為逆

6、過程。水的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,在其上產生氧 化反應 2H 2O = O2+4H+4e。 左邊電極接電源負極形成電解的陰極, 陽極產生的氫離子通過 質子交換膜到達陰極后, 產生還原反應 2H +2e = H2。 即在右邊電極析出氧, 左邊電極析出 氫。燃料電池和電解池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, 而電解池需要盡快排出氣體。燃料電池陰極產生的水應隨時排出,以免阻塞氣體通道,而 電解池的陽極必須被水淹沒。太陽能電池利用半導體 P-N 結受光照射 時的光

7、伏效應發電,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量的空穴,幾乎 沒有自由電子。 N 型半導體中有相當數量的自由電子,幾乎沒有空穴。當兩種半導體結合在一起形成 P-N 結時, N 區的電子(帶負電向 P 區擴散, P 區的空穴(帶正電向 N 區擴散,在 P-N 結附近形成空間電荷區與 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。在空間電荷區內, P 區的空穴被來自 N 區的電子復合, N 區的電子被來自 P 區的空穴 復合,使該區內幾乎沒有能導電的載流子,又

8、稱為結區或耗盡區。當光電池受光照射時,部分電子被激發而產生電子-空穴對,在結區激發的電子和空 穴分別被勢壘電場推向 N 區和 P 區, 使 N 區有過量的電子而帶負電, P 區有過量的空穴而 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。空間電荷區 圖 2 半導體 P-N 結示意圖【 實驗儀器 】儀器的構成如圖 3所示。燃料電池,電解池,太陽能電池的原理見實驗原理部分。 圖 3 燃料電池綜合實驗儀質子交換膜,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,燃料不能傳導到質子交換膜參與反應。

9、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,我們的燃料電池正常工作時排 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,燃料電池輸出電 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,氣體產生的壓

10、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。區域 1 電流表部分:作為一個獨立的電流表使用。共有兩個檔位:2A 檔和 200mA 檔,可通過電流量程切換鍵選擇合適的電流檔位。 兩個測量通道:電流測量和電流測量。通過電流測量切換鍵可以同時測量兩個通 道的電流。區域 2

11、電壓表部分:作為一個獨立的電壓表使用。共有兩個檔位:20V 檔和 2V 檔,可通過電壓量程切換鍵選擇合適的電壓檔位。 區域 3 恒流源部分:為電解池提供一個從 0350mA 的可變恒流源。【 實驗內容 】 1. 質子交換膜電解池的特性測量理論分析表明, 若不考慮電解池的能量損失, 在電解池上加 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伏電解池才開始工作。電解池的效率為:1.48100%U =電解 輸入(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,通常使電解池輸入 電壓在 2伏左右。根據法拉第電解定律, 電解生成物的量與輸入電量成正比。

12、在標準狀態下 (溫度為零 C ,電解池產生的氫氣保持在 1個大氣壓 ,設電解電流為 I ,經過時間 t 生產的氫氣體積 (氧氣體積為氫氣體積的一半的理論值為:22.42It V F=氫氣 升 (5 式中 F = e ·N A = 9.65×104(庫侖 / 摩爾為法拉第常數, e = 1.602×10-19 C 為電子電 量, N A = 6.022×1023/mol為阿伏伽德羅常數; It /2F 為產生的氫分子的摩爾(克分子數, 22.4升為標準狀態下氣體的摩爾體積。區域 1區域 2區域 3圖 4 燃料電池測試儀前面板示意圖若實驗時的攝氏溫度為 T

13、,所在地區氣壓為 P ,根據理想氣體狀態方程,可對(5式 作修正:0273.1622.4273.162P T It V P F+=氫氣 升 (6 式中 P 0為標準大氣壓。 自然環境中, 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 1cm 3,故電解池消耗的水的體積為:353189.33102It V cm It cm F-=水 (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

14、, 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。將測試儀的恒流輸出端串連電流表后再接入電解池,將電壓表并聯到電解池兩端。 將氣水塔輸氣管止氣夾關閉, 調節恒流源輸出到最大 (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氣 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。根據表 1中的電解池輸入電流大小,調節恒流源的輸出電流,待 電解池輸出氣體穩定后 (約 1分鐘 , 關閉氣水塔輸氣管。 測量輸入電流, 輸入電壓及產生

15、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 室溫= 由 (6 式計算氫氣產生量的理論值。 與氫氣產生量的測量值比較。 若不管輸入電壓與 電流大小,氫氣產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. 質子交換膜燃料電池的輸出特性測量 在一定的溫度與氣體壓強下,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,

16、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改變,驅動電子輸出陽極或輸入陰極時,產生的部分 電壓會被損耗掉,這一段被稱為電化學極化區。輸出電壓的線性下降區的電壓降,主要是電子通過電極材料及各種連接部件,離子通 電壓電流 圖 5 燃料電池的極化特性曲線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。 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

17、極化區。 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： h電池 = P輸出 I電池 U輸出 × ´100% 100 I電解 1.48 1.48 ´ I電解 （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域面積，在使用 燃料電池時，應根據伏安特性曲線，選擇適當的負載匹配，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 0.300A，關閉風扇。 將測試儀的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、 氧氣輸氣管止氣夾，等待約 10 分鐘

18、，讓電池中的燃料濃度達到平衡值，電壓穩定后記錄開 路電壓值。 將電流量程鍵切換到 200mA。可變負載調至最大，電流測量端口與可變負載串聯后接 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值，只需相近即可） ，穩定后記錄輸出電壓和電流值。 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 不穩定的，重新恢復穩定需較長時間。為避免出現這種情況，輸出電流高于 210mA 后，每 次調節減小電阻 0.5，輸出電流高于 240mA 后，每次調節減小電阻 0.2，每測量一點的 平衡時間稍長一些（約需 5 分鐘） 。穩定后

19、記錄輸出電壓和電流值。 實驗完畢，關閉燃料電池與氣水塔之間的氫氣、氧氣輸氣管，切斷電解池輸入電源。 表 2 燃料電池輸出特性的測量 電解電流 A 輸出電壓 U（V） 輸出電流 I（mA） 功率 P=U× I（mW） 0 0 0.900 0.850 0.800 0.750 0.700 0.650 0.600 0.550 做出所測燃料電池的極化特性（伏安特性）曲線。 做出該燃料電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線。 該燃料電池的最大輸出功率是多少？最大輸出功率時對應的效率是多少？ 3. 太陽能電池的輸出特性測量 在一定的光照條件下，改變太陽能電 I 池負載電阻的大小，測量輸出電壓與輸出 Is

20、c 電流之間的關系，如圖 6 所示。 Im 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 Um Uoc 流 Im。 圖 6 太陽能電池的伏安特性曲線 表征太陽能電池特性的基本參數還包 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： FF = U Um Im U oc I sc （9） 它是評價太陽能電池輸出特性好壞的一個重要參數，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后接入太陽能電池的輸出端，將電壓表并聯到太陽能 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，測量輸出電壓和電流值，并計 算輸出功率，記入表 3 中。 表 3 太陽能電池輸出特性的測量 輸出電壓 U（V） 輸出電流 I（mA） 功率 P=U× （ I mW） 做出所測太陽能電池的伏安特性曲線。 做出太陽能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 和最大工作電流 Im 是多少？填充因子 FF 是多少？ 4. 觀察能量轉換過程 把太陽