燃料电池的综合特性实验

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1、燃料电池的综合特性实验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。由于燃料电池不经过热机作用，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率可高达 40%60%。此外，燃料电池不产生硫化物和氮化物的排放。因此，燃料电池技术的研究和 开发广受关注，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,被认为是 21 世纪首选的洁净、高效发电技术。质子交换膜燃料 电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、

2、 固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使 得质子经过交换膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此 质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着重要作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。【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_太阳能电池一电能一电解池一氢能（能量储存）一燃料电池一电能3. 掌握质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律。4. 掌握燃料电池输出特性。【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

3、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化学或物理的方法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03m m,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。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。教学用燃料

4、电池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：H 二 2H + + 2e(1)O + 2H = 2H O(3)2 2 22. 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 2H O = O + 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2

5、2子交换膜到达阴极后，产生还原反应2H + + 2e = H，即在右边电极析出氧，左边电极析出2氢。燃料电池与电解器的电极在制造上是不同的，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。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然而实际应用中由于各种损失，输入电压高于1.6 伏电解器才开始工作。电解器效率为：1.48耳=xlOO%（4）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，通常使电解器输入电压在 2 伏左右。3. 法拉第电解定律根据法拉第

6、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)V =丄 x 22.4升氢气 2F式中F = eN = 9.65x 1Q库仑/摩尔为法拉第常数，e = 1.602x 10-19库仑为电子电量， n = 6022 x1023N=6心1023为阿伏伽德罗常数，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：V氢气6)2716 + 丁 . P 上

7、x 22.4升273.16 P 2F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 =x 18 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。4燃料电池的输出特性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

8、的输出电压与输出电 流之间的关系，如图 2 所示，该曲线又称为极化特性曲线。理论分析表明，如果燃料电池的 所有能量都转换成电能，则理想电动势为1.48 伏。然而，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。从图 2 曲线中，可以看到随着电流从零增大，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

9、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，所以被称为欧姆极化 区。当输出电流过大时，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。电池-电解UP输出x100%=输出1.481.48 x I电解1008）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：某一输出电流时燃料电池的输出功率相当于图 2 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。【实验仪器】燃料电池测试面板

10、，有机玻璃实验仪，可变负载，太阳能电池，导线（四根红线，四根 黑线）。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

11、，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。燃料电池的测试仪面板一共分为三个区域，并用蓝色矩形框区分。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。测试

12、面板三个区的功能如下：区域I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I和 电流测量II。通过电流测量切换键可以同时测量两条通道的电流。区域II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III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。【实验内容和步骤】1实验开始前的准备实验开始前，需要打开燃料电池测试面板的测量开关（开关在仪器后方），预热 1520 分钟，同时将测试面板上电流调

13、节的旋钮逆时针旋到底。检查有机玻璃实验仪中的气水塔水 位，确认在水位上限与下限之间。关闭两个气水塔之间的止水夹，并确保实验中不再打开 将气水塔通往燃料电池的输气管止水夹关闭，关闭风扇。2. 验证法拉第电解定律连接电路，将燃料电池测试仪面板上的恒流调节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。设置电流表量程为2A,电压表量程为20V。第一步：排气。目的是排净气水塔中的残留空气，收集纯净的氢气和氧气。具体的操作为：调节测试仪面板上电流调节旋钮，到电流表读数为0.3A，观察电解池迅速产生气体及氢气气水塔水面的下降，待气体产生速率稳定后，开始排气。当氢气气水塔水面下降四格时， 打开气水

14、塔通往燃料电池的输气管止水夹，排出气水塔下层的气体，此时气水塔下层水面会 再次回升，关闭输气管止水夹。如此反复3 次后，气水塔下层的空气基本排尽，可以开始收 集纯净的氢气和氧气。第二步：测量。按照表1 中的输入电流的大小调整测试仪面板上电流调节的旋钮，同时 记录下此时电压表读数，填入表1 中。关闭气水塔输气管止水夹的同时，按下秒表，开始计 时。观测氢气气水塔中水面下降 6 格，即产生 6 毫升氢气所用的时间，并记录入表 1 中。表 1 电解池的特性测量输入电流（A）输入电压（V）时间（s）电量（C）0. 100. 200. 30氢气产生量氢气产生量测量值（L）理论值（L）6x103计算表 1中

15、的电量，参照实验原理中的公式（5）计算出氢气产生量的理论值。将氢气产生的理论值与产生测量值做比较，验证法拉第电解定律。第三步：观察。打开有机玻璃实验仪左端的风扇开关，并将气水塔通往燃料电池的止水 夹保持打开状态。此时燃料电池将为风扇供电，观察风扇的转动。3. 测试燃料电池的输出特性在上一个实验电路基础上，调节电流调节的旋钮，使得电流表读数为0.3A,关闭有机 玻璃实验仪左端的风扇开关。打开燃料电池与气水塔之间输气管的止水夹。拆除上个实验的电路连接，特别要注意，在随后实验中不能再旋动测试面板上电流调节的旋钮，保持 0.3A 的电解电流不变。连接电路，将恒流输出源接入电解池供电。采用燃料电池作为供源，连接可变负载，并 串联入电流表。将电压表并联到燃料电池输出端，用以测量燃料电池的输出电压。设置电流表量程为200mA，电压表量程为2V。调整可变负载的电阻，使输出电压值如表2所示，待读数稳定后，记录电流和可变负载 的数值，填入表2中。注意，如果测量过程中，电流读数超过200mA，需要及时更改测试 仪面板上电流的量程到2A,之后继续测量。为纵轴，电压为横轴）。实验完毕后，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 关闭测试仪面