世纪中科-燃料电池综合实验说明书

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1、ZKY-RLDC燃料电池综合特性实验仪实验指导及操作说明书成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司地址：成都市人民南路四段9号中科院成都分院 邮编：610041电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006网址；n E-mail: ZKYZKY.Cn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，手机电池等日常生活的各个方面，各国都投入巨资

2、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（反应所需的氧可从空气中获得）可电解水获得，也可由矿物或生物原料转化制成。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，使用的链条

3、。实验内含物理内容丰富，实验内容紧密结合科技发展热点与实际应用，实验过程环保清洁。能源为人类社会发展提供动力，长期依赖矿物能源使我们面临环境污染之害，资源枯竭之困。为了人类社会的持续健康发展，各国都致力于研究开发新型能源。未来的能源系统中，太阳能将作为主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然气，而燃料电池将成为取代汽油，柴油和化学电池的清洁能源。实验目的1、 了解燃料电池的工作原理2、 观察仪器的能量转换过程：光能太阳能电池电能电解池氢能(能量储存)燃料电池电能3、 测量燃料电池输出特性，作出所测燃料电池的伏安特性（极化）曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。计算燃料电池的最大输出功率及效率4

4、、 测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律5、 测量太阳能电池的特性，作出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。获取太阳能电池的开路电压，短路电流，最大输出功率，填充因子等特性参数实验原理1、 燃料电池质子交换膜（PEM，Proton Exchange 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0.050.1mm，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的铂粒子用

5、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的碳纸或碳布做成，厚度0.20.5mm，导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的通道，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：

6、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：2H2O2 = 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。

7、对电池而言，阴极是电的正极，阳极是电的负极。）2、水的电解将水电解产生氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气反应生成水互为逆过程。水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。作燃料电池或作电解器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，而电解器需要尽快排出气体。燃料电池阴极产生的水应随时排出，以免

8、阻塞气体通道，而电解器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

9、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。仪器介绍仪器的构成如图3所示。燃料电池太阳能电池气水塔测试仪电解池风扇可变负载图3 燃料电池综合实验仪燃料电池，电解池，太阳能电池的原理见实验原理部分。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

10、衡关系是燃料电池设计的重要课题。为保持水平衡，我们的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，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

11、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。区域1区域2区域3图4 燃料电池测试仪前面板示意图测试仪面板如图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。如图4所示为燃料电池实验仪系统的测试仪前面板图。区域1电流表部分：做为一个独立的电流表使用。其中：两个档位：2A档和200mA档，可通过电流档位切换开关选择合适的电流档位测量电流。两个测量通道：电流测量和电流测量。通过电流测量切换键可以同时测量

12、两条通道的电流。区域2电压表部分：做为一个独立的电压表使用。共有两个档位：20V档和2V档，可通过电压档位切换开关选择合适的电压档位测量电压。区域3恒流源部分：为燃料电池的电解池部分提供一个从0350mA的可变恒流源。实验内容与步骤1、质子交换膜电解池的特性测量理论分析表明，若不考虑电解器的能量损失，在电解器上加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伏电解器才开始工作。电解器的效率为： （4）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，通常使电解器输入电压在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

13、C，电解器产生的氢气保持在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： （5）式中F = e N = 9.65104 库仑/摩尔为法拉第常数，e = 1.60210-19库仑为电子电量，N = 6.0221023为阿伏伽德罗常数，It/2F为产生的氢分子的摩尔（克分子）数，22.4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： （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

14、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： （7）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。确认气水塔水位在水位上限与下限之间。将测试仪的电压源输出端串连电流表后接入电解池，将电压表并联到电解池两端。将气水塔输气管止水夹关闭，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水夹，排出气水塔下层的空气。如此反复23次后，气水塔下层的空气基本排尽，剩下

15、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，电压及产生一定体积的气体的时间，记入表1中。表1 电解池的特性测量输入电流I（A）输入电压（V）时间t（秒）电量It（库仑）氢气产生量测量值（升）氢气产生量理论值010020030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、 燃料电池输出特性的测量在一定的温度与气体压力下，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，

16、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短路电流等，故燃料电池的开路电压低于理想电动势。随着电流从零增大，输出电压有一段下降较快，主要是因为电极表面的反应速度有限，有电流输出时，电极表面的带电状态改变，驱动电子输出阳极或输入阴极时，产生的部分电压会被损耗掉，这一段被称为电化学极化区。输出电压的线性下降区的电压降，主要是电子通过电极材料及各种连接部件，离子通过电解质的阻力引起的，这

17、种电压降与电流成比例，所以被称为欧姆极化区。输出电流过大时，燃料供应不足，电极表面的反应物浓度下降，使输出电压迅速降低，而输出电流基本不再增加，这一段被称为浓差极化区。综合考虑燃料的利用率（恒流供应燃料时可表示为燃料电池电流与电解电流之比）及输出电压与理想电动势的差异，燃料电池的效率为： （8）某一输出电流时燃料电池的输出功率相当于图5中虚线围出的矩形区，在使用燃料电池时，应根据伏安特性曲线，选择适当的负载匹配，使效率与输出功率达到最大。实验时让电解池输入电流保持在300mA，关闭风扇。将电压测量端口接到燃料电池输出端。打开燃料电池与气水塔之间的氢气、氧气连接开关，等待约10分钟，让电池中的燃

18、料浓度达到平衡值，电压稳定后记录开路电压值。将电流量程按钮切换到200mA。可变负载调至最大，电流测量端口与可变负载串联后接入燃料电池输出端，改变负载电阻的大小，使输出电压值如表2所示（输出电压值可能无法精确到表中所示数值，只需相近即可），稳定后记录电压电流值。负载电阻猛然调得很低时，电流会猛然升到很高，甚至超过电解电流值，这种情况是不稳定的，重新恢复稳定需较长时间。为避免出现这种情况，输出电流高于210mA后，每次调节减小电阻0.5，输出电流高于240mA后，每次调节减小电阻0.2，每测量一点的平衡时间稍长一些（约需5分钟）。稳定后记录电压电流值。表2 燃料电池输出特性的测量 电解电流 mA

19、输出电压U（V）0.900.850.800.750.70输出电流I（mA）0功率P=UI（mW）0作出所测燃料电池的极化曲线。作出该电池输出功率随输出电压的变化曲线。该燃料电池最大输出功率是多少？最大输出功率时对应的效率是多少？实验完毕，关闭燃料电池与气水塔之间的氢气氧气连接开关，切断电解池输入电源。3、 太阳能电池的特性测量在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量输出电压与输出电流之间的关系，如图6所示。Uoc代表开路电压，Isc代表短路电流，图4中虚线围出的面积为太阳能电池的输出功率。与最大功率对应的电压称为最大工作电压Um，对应的电流称为最大工作电流Im。表征太阳能电池特性

20、的基本参数还包括光谱响应特性，光电转换效率，填充因子等。填充因子FF定义为： （9）它是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋近于矩形，电池的光电转换效率越高。将电流测量端口与可变负载串联后接入太阳能电池的输出端，将电压表并联到太阳能电池两端。保持光照条件不变，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量输出电压电流值，并计算输出功率，记入表3中。表3 太阳能电池输出特性的测量输出电压U（V）输出电流I（mA）功率P=UI（mW）作出所测太阳能电池的伏安特性曲线。作出该电池输出功率随输出电压的变化曲线。该太阳能电池的开路电压Uoc，短路电流Isc是多少？最大输出

21、功率pm是多少？最大工作电压Um，最大工作电流Im是多少？填充因子FF是多少？【注意事项】1. 使用前应首先详细阅读说明书。2. 该实验系统必须使用去离子水或二次蒸馏水，容器必须清洁干净，否则将损坏系统。3. PEM电解池的最高工作电压为6V，最大输入电流为1000mA，否则将极大地伤害PEM电解池。4. PEM电解池所加的电源极性必须正确，否则将毁坏电解池并有起火燃烧的可能。5. 绝不允许将任何电源加于PEM燃料电池输出端，否则将损坏燃料电池。6. 气水塔中所加入的水面高度必须在上水位线与下水位线之间，以保证P EM燃料电池正常工作。7. 该系统主体系有机玻璃制成，使用中需小心，以免打坏和损伤。 8. 太阳能电池板和配套光源在工作时温度很高，切不可用手触摸，以免被烫伤。9. 绝不允许用水打湿太阳能电池板和配套光源，以免触电和损坏该部件。 10. 配套“可变负载”所能承受的最大功率是1W，只能使用于该实验系统中。11. 电流表的输入电流不得超过2A，否则将烧毁电流表。 12. 电压表的最高输入电压不得超过25V，否则将烧毁电压表。13. 实验时必须关闭两个气水塔之间的连通管。