1、燃料電池綜合特性實驗論文作者：宋東輝學號：03482015010單位：二十二連二區隊A組燃料電池綜合特性實驗一、實驗目的：了解燃料電池的工作原理觀察儀器的能量轉換過程：電能電解池 氫能(能量儲存)燃料電池電能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的變化曲線。計算燃料電池的最大輸出功率及效率測量質子交換膜電解池的特性，驗證法拉第電解定律二、實驗原理：1、燃料電池質子交換膜燃料電池（如上圖）在常溫下工作，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

2、不能通過。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。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：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

3、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：2H2O2 = 2H2O （3）水的電解將水電解產生氫氣和氧氣，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。作燃料電池或作電解器的電極在制造上通常有些

4、差別，燃料電池的電極應利于氣體吸納，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。實驗儀器：儀器的構成如上圖所示。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。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

5、負載時，燃料利用率約為90。氣水塔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 測試儀面板如上圖所示。測試儀

6、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：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。三、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

7、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。在標準狀態下（溫度為零 C，電解器產生的氫氣保持在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： （5）式中F = e N = 9.65104 庫侖/摩爾為法拉第常數，e = 1.60210-19庫侖為電子電量，N = 6.0221023為阿伏伽德羅常數，It/2F為

8、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。若實驗時的攝氏溫度為T，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： （6）式中P0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

9、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，將電壓表并聯到電解池兩端。將氣水塔輸氣管止水夾關閉，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，電壓及產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）氫氣產生量測量值（升

10、）氫氣產生量理論值010020030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。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

11、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： （8）某

12、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，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300mA，關閉風扇。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，等待約10分鐘，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。將電流量程按鈕切換到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），穩定后記錄電壓電流值。負載電阻猛然調得很低時，電流會猛然升

13、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=UI（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

14、源。【注意事項】1. 使用前應首先詳細閱讀說明書。2. 該實驗系統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。3. PEM電解池的最高工作電壓為6V，最大輸入電流為1000mA，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P EM燃料電池正常工作。7. 該系統主體系有機玻璃制成，使用中需小心，以免打壞和損傷。 8. 太陽能電池板和配套光源在工作時溫度很高，切不可用手觸摸，以免被

15、燙傷。9. 絕不允許用水打濕太陽能電池板和配套光源，以免觸電和損壞該部件。 10. 配套“可變負載”所能承受的最大功率是1W，只能使用于該實驗系統中。11. 電流表的輸入電流不得超過2A，否則將燒毀電流表。 12. 電壓表的最高輸入電壓不得超過25V，否則將燒毀電壓表。13. 實驗時必須關閉兩個氣水塔之間的連通管。四、實驗數據記錄表格：壓強:1009.0hpa 溫度:24.51電解池特性測量表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）氫氣產生量測量值 （升）氫氣產生量理論值 0101.9042042.00.0050.00530201.9620641.20.0

16、050.00540302.0114042.00.0050.00532燃料電池輸出特性的測量表2 燃料電池輸出特性的測量 電解電流300 mA輸出電壓U/V0.9590.90.850.80.750.70.689輸出電流I/mA01.35.826.686.9161.4181功率P/mW01.174.9321.2865.175112.98124.7090.6750.6570.6430.5570.4990.4470.3930.3390.286204233273273273273273273273137.7153.081175.539152.061136.227122.031107.28992.5477

17、8.078五、數據處理:燃料電池極化特性曲線燃料電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線P最大=153.66mW 電壓=0.643V附錄資料：不需要的可以自行刪除玻璃幕墻安裝施工工藝流程1、施工準備設計方案送甲方審核，明確鋼板、鋼拉桿材斷面，以便備料；送材料樣品供甲方認可，以便設計、加工；協調處理現場施工相關事項；與土建交接基準線；編制詳細的可行的材料計劃、加工計劃和施工進度計劃，并保證實施；根據現場情況和設計要求，編制局部分項施工方案（如鋼架等），并進行交底；確定水平和垂直運輸路線以及施工臨時堆放處；了解施工用電分布情況，確定電源的走道方式；檢查安裝所需用機具及安全設施；10、附件及其他物資準備。1

18、1、根據現場情況和施工方案提出腳手架方面的配合要求；12、進行現場辦公、加工、材料存放保管、食宿、通訊等安排布置；13、做好技術交底工作。2、測量放線放線時，測量人員必須熟悉有關的施工圖紙和甲方給出的現場基準軸線控制網和水平基準線，選擇合適的測設方法進行測設。軸線放測時首先應找出相關建筑軸線與軸線的交點，找出所需的樓層控制標高位置，以此為依據進行放線。測量放線使用的測量儀器和測量工具應經檢定合格結構使用。水平線的放測采用LNA10激光水準儀，垂直線的放測應采用JD2激光經緯儀，在異形部位可采用電腦輔助方法進行。測量時風力不應大于四級，放線應沿樓板及屋架定出幕墻平面的基準線，從基準線外反一定距離

19、作為幕墻平面，以此線為基準確定桁架構件及玻璃的前后位置，確定整片幕墻位置。 3、預埋件檢查、連接件安裝測量放線完成后，應對事先做好的預埋件進行檢查，對補充的預埋件進行安裝，預埋件安裝應確保預埋件標高偏差：；表面深淺偏差；表面平整偏差：。在預埋件處理完畢后，即可進行連接件安裝。連接件除了不銹鋼和輕金屬材料以外，其他金屬材料必須經過熱鍍鋅防腐處。4、現場焊接工藝流程坡口檢查記錄坡口檢查記錄焊接安全設施的準備、檢查焊接設備、材料準備定位焊接襯墊、引弧板坡口檢查坡口表面清理預 熱焊 接焊接外觀及超聲波探傷檢查檢查、驗收記錄焊接施工記錄焊接時應采取有效措施，避免或減少焊接變形，消除積累誤差。焊接完成后，

20、依照有關焊接標準對焊縫進行檢查驗收，驗收時現場監理工程師應在場并簽署驗收意見，作為中間隱蔽工程驗收。6、施工順序：腳手架搭設測量放線鋼結構安裝拉桿安裝、調整玻璃安裝、調整打膠玻璃清潔工程驗收成品保護。7、施工方法1）、腳手架搭設在玻璃內、外面各搭設雙排鋼管腳手架。外架距離玻璃面450mm；內架距離玻璃面650mm。等玻璃清潔完并經過驗收后，腳手架才可以拆除。拆除腳手架時要注意成品的保護。2）測量放線測量放線前要求甲方提供有關的軸位線、水平標高等基準線。根據圖紙提供的尺寸，放出玻璃的進出控制線及標高線；再根據各鋼立柱的軸線放出玻璃分格線及各鋼板鉸接座的控制線，同時測量各立柱的垂直度，以便鉸接座加

21、工時可以預留調整量。3）預埋件安裝質量支承結構屋面（樓板）梁（懸梁）上的預埋件應重點檢測預埋標高。地錨預埋件，應重點檢測標高以保證地錨底板面上的地坪裝飾層厚牢的要求，并作必要的拉撥試驗。4）支承鋼柱、梁安裝質量縱向鋼柱：檢測縱橫軸線位置，尤其應檢查上錨墩及地錨位置偏差，以保證日后安裝鋼桿桁架的垂直精度及幕墻立面定位精度。鋼桿施加預應力將使梁產生撓曲，在控制主梁標高時，應予以反變形預調控制，以保證幕墻安裝完成后，索桁架上端在同一水平位置上。5）地錨的安裝質量檢查其軸線位置及其與上錨墩間位置偏差以保證索桁架的垂直精度及墻體定位；檢查地錨筋板孔的標高是否致；檢查地錨底板與預埋件、底板與筋板的焊接質量

22、。c. 玻璃提升就位玻璃的提升采用汽車吊輔以電動吸盤進行，對于汽車吊無法達到的部位，可以利用結構設專用導軌架設電動葫蘆，利用電動葫蘆輔以電動吸盤進行提升。玻璃的就位采用人工方法進行就位。夾具不能直接和玻璃接觸，應加設橡膠墊圈。對于最底下一層玻璃，在安裝前應在駁接玻璃底部的U型槽中放入氯丁橡膠墊塊后，才可將玻璃插入。d.調整、固定玻璃初步固定后應進行板塊調整。玻璃調整的標準為“橫平、豎直、面平”，橫平即橫向膠縫應水平，豎直即豎向膠縫應垂直，面平即各玻璃處于同一平面上。另外還應檢查膠縫大小是否一致，如不一致應進行調整。玻璃板塊調整完成后應馬上進行固定，之后進行玻璃外豎縫鋁合金片豎向裝飾線條安裝。8

23、、鋁合金玻璃幕墻安裝安裝程序如下：1）連接鐵件安裝為了保證幕墻安裝后處在規定的平面上，準確地焊接安裝連接件很重要。一般要求連接件位置精確度為標高偏差不大于3mm，左右位置偏差不大于3mm，平面外偏差不應大于2mm，為了保證上述安裝準確度，在焊接固定連接角鋼之前，需在幕墻的上下兩端之間用經緯儀或重型線錘定位，確定出控制用垂直平面的上下兩條邊線。用以控制、檢測安裝尺寸，在確定的上下邊線位置設置固定懸挑點，拉設鉛絲位置線，用以控制一列連接角鋼的位置。在連接角鋼的安裝中應隨時依據控制鉛絲測量鐵件位置，使所有連接的安裝孔或安裝平面做到垂直、平整，誤差在允許的范圍以內。連接角鋼焊接時，應先點焊，找正后再焊

24、接固定。2）橫梁安裝A、連接角鋼準確安裝就位后，即可安裝鋁合金立柱，安裝時將已加工、鉆孔后的立柱嵌入連接角鋼內，并且在角鋼與立柱接觸處設PVC襯墊隔離，防止電位差腐蝕。用不銹鋼螺栓初步固定立柱，螺母與角鋼間要加設足夠強度的不銹鋼彈簧墊圈。根據控制通線對立柱進行復核，調整立柱的垂直、平整度，達到要求后再將螺母最終擰緊固定。立柱每段之間的接頭應有一定的空隙，不要頂緊，采用套筒連接法，以適應和消除建筑受力變形和溫度變形的影響。立柱的安裝應下自上逐層進行，每安裝完一層，均應進行檢查校正。B、安裝橫梁時可根據設計位置，在立柱外面拉橫線，控制安裝質量，但由于橫梁的安裝偏差主要取決于立柱的加工精度和安裝精度，立柱上固定橫梁的定位螺孔位置基本上已決定了橫梁的位置，所以必須在立柱制作及安裝時嚴格控制各項偏差，才能保證橫梁安裝的準確。同一層橫梁的安裝應由下向上進行。當安裝完一層時，應進行檢查、調整、校正后再固定，以保證達到質量標準的要求。C、幕墻框架安裝質量除了加工精度控制之外，安裝質量也是確保幕墻性能的重要環節，幕墻框架安裝質量偏差控制應符合下表要求。 單位：mm序號項 目尺寸范圍允許偏差檢查方法1相鄰兩豎向構件間距尺寸（固定端頭）2.0鋼卷尺2相鄰