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1、燃料电池综合特性的研究隋永德（中国海洋大学 地信11级 050422011034）摘要：燃料电池是一种清洁能源，通过实验了解燃料电池的工作原理，测量质子交换膜电解池特性，验证法拉第电解定律，测量燃料电池的输出特性。燃料电池通过电化学反应，直接将化学能转换成电能。关键词：质子交换膜电解池、燃料电池、输出特性、极化特性曲线引言：燃料电池（Fuel Cell）是一种将存在与燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。燃料电池由德国物理学及化学家尚班（C.F.Schonbein）于1838年提出，并刊登在当时著名的科学杂志。英国物理学家威廉葛洛夫（
2、W.R.Grove）于1839年2月同样发现了燃料电池现象并做了设计草图。燃料电池不污染环境，通过电化学反应，而不采用燃烧或储能方式。燃料电池只产生水和热。如果氢气通过可再生能源产生（光伏电池板、风能发电等），整个过程就不产生有害物质。燃料电池无噪音。按燃料电池使用的电解质或燃料类型，可将燃料电池分为以下六种：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。本实验研究了质子交换膜燃料电池，氢气用电解水获得。发展瓶颈：尽管燃料电池有诸多优势，但目前受燃料电池造价偏高、碳氢化合物燃料无法直接利用及氢气储存技术还不够发达，因此目前燃料电池还不
3、能广泛应用。1、 实验原理质子交换膜（Proton exchange membrane，简称PEM）燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两级都有加速电极化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于直流电源，其阳极为电源负极，阴极为电源正极。其基本结构如图1。阳极化学反应：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两个氢离子，即质子，并释放出两个电子，阳极反应式为：H2-2e=2H+氢离子以水合质子H+（nH2O）的形式，在质子交换膜中从一个磺酸基转移到
4、另一个磺酸基，最后到达阴极，实现质子导电，质子的这种转移导致阴极带负电。阴极化学反应：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，阴极反应式为：O2+4 H+4e=2H2O阴极反应使氧气得到氢离子和电子而还原为水，由于阴极上缺少电子而带正电，在阴极和阳极间产生电压，如果阴阳极接通外电路，就可以向负载输出电能。总的化学反应：2H2+O2=2 H2O图1 质子交换膜燃料电池结构示意图水的电解：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
5、，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，以免阻塞气体通道，而电解器的阳极必须被水淹没。实验仪器：图2测试仪：图32、 实验内容（1）、质子交换膜电解池的特性研究：理论分析表明，若不考虑电解池的能量损失，在电解池上加1.48V电压就可以使水分解为氢气和氧气，实际由于
6、各种损失，输入电压高于1.6V，电解池才开始工作。电解池的效率表达为：电解=1.48/ U输入*100% （2.1）输入电压较低时尽管能量利用率较高，但电流小，电解的速率低，通常使电解池输入电压在2V左右。根据法拉第电解定律，电解生成物的量与输入电压成正比。在标准状态下（温度为0，电解池内氢气在1个大气压），设电解电流I，经过时间t产生的氢气体积的理论值V氢气= It2F*22.4升 （2.2）式中F=eN;e=1.62*10-19库仑；N=6.022*1023mol-1（阿伏伽德罗常数）实验中，首先确认气水塔水位在水位上限与下限之间。将测试仪的恒流源输出端先串联电流表再接入电解池，将电压表并
7、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，让电解池迅速产生气体。当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输出管止水夹，排出气水塔下层的空气。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。测量不同的输出电流下（如100mA、200mA、300mA），输出电压的变化；在时间t内氢气的产生量与电量It的关系，氢气产生的测量值和理论值对比，进而验证法拉第定律。实验数据如下表1、表2：表1 不同输入电流下电压的变化I（mA）35630025020015010050U（V）2.722.642.162.082.021.971.91表2 在时间t内氢气
8、产生量I=300mAt(S)3306090V1（cm3）V2（cm3）7.516.87.89.58.010.5由式（2.2）得：V氢气= It2F*22.4升=300/1000*t/2/F/*22.4其计算结果记录在下表：输入电流I（A）输入电压U(V)时间t(s)输入电量It(C)H2产生量 (mL)H2理论值(mL)相对误差（%）0.32.64330999.311.519.1360181.72.119.0490272.53.119.35表3 处理后的数据由此可以看出，电解水产生的氢气理论值并不与测量值相当。可能是电能没有完全利用；电解反应中产生的氢气会将气水塔中的部分水压到上部，产生对氢气
9、的压力，都可能导致氢气体积测量值偏小。（2）燃料电池输出特性的研究理论分析表明，如果燃料电池的所有能量都转换成电能，李李翔电动势为1.48V。实际燃料的能量不可能全部转换成电能，总有部分转换成热能，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，驱动电子输出或输出阴极时，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，这种电压降与电流成比例，
10、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及输出电压与理想电动势的差异，燃料电池的效率定义为： 电池=I电池I电解U输出1.48*100%=P输出1.48*I电解*100%实验测量时，时电解池输入电流保持在300mA，关闭风扇。将电压测量接到燃料电池的输出端，打开燃料电池与气水塔之间的氢气、氧气连结阀，等待约10分钟，让电池中的燃料浓度达到平衡值，电压稳定后记录开路电压值。将电流表量程切换到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，改变可变
11、负载电阻大小，观测不同电压值，绘制极化特性曲线。注意，负载电阻猛然调的很低时，电流会猛然升高，甚至超过电解电流值，这种情况是不稳定的，重新稳定需要很长时间。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0.2，没测量一点的平衡时间稍长一些（约5min）。稳定后在记录。实验数据如下表：表4 电压与电流的变化电流I（mA）1.01.11.21.41.61.92.12.42.6电压U（V）0.9840.9780.9750.9720.9680.9640.9610.9580.954电流I（mA）2.83.23.33.43.53.63.84.0
12、4.1电压U（V）0.9520.9480.9460.9450.9440.9420.9410.9410.938电流I（mA）4.34.54.74.95.25.55.86.26.6电压U（V）0.9370.9360.9350.9330.9310.9290.9280.9260.924电流I（mA）7.17.78.39.210.211.412.915.017.9电压U（V）0.9220.9190.9170.9150.9140.9100.9050.9000.893电流I（mA）22.129.142.881.790.1100.2112.9129.6152.2电压U（V）0.8860.8750.8590.8
13、250.8190.8110.8010.7900.776电流I（mA）184.5211.0220.0241.0257.0273.0292.0310.0328.0电压U（V）0.7560.7380.7070.6980.6890.6770.6650.4830.425电流I（mA）350.0368.0378.0370电压U（V）0.3960.2590.2010.154欧姆极化区电化学极化区开路电压浓差极化区图4 燃料电池的极化特性曲线电池输出功率随电压变化，见下图图5 电池输出功率随电压变化曲线综上所述，该燃料电池的最大输出功率为0.1942w，相对应的电池效率为电池=37.49%。3、 结论从图中看出，燃料电池在电压较大时，功率随着电压的增大而减小。此时，燃料电池内部的电极部分存在一定的内阻，内阻消耗了部分的功率。在输出电压为0.665V时输出功率最大，输出电流为292mA，之后，随电压升高输出功率减小。此外，发现燃料电池的效率较低，考虑是由于氢气、氧气反应过程中产生部分热能，反应不充分，电池内阻影响等原因。但是其转化效率已经高于主流能源，值得大面积推广。4、 参考文献燃料电池及其优点 学科网大学物理综合设计实验氢氧燃料电池的研究进展 杜华 解磊
