燃料电池综合特性研究.docx
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燃料电池综合特性研究
燃料电池综合特性研究
燃料电池综合特性研究
2014级光电信息科学与工程李盼园
摘要
燃料电池是基于氧化还原反应的能源产生装置，包括基于质子交换膜的水电解过程和燃料电池反应。
本实验利用电解、气水塔等试验装置对质子交换膜电解池特性及燃料电池输出特性进行验证。
实验目的：
1.了解燃料电池的工作原理；
2.测量质子交换膜电解池特性，验证法拉第电解定律；
3.测量燃料电池的输出特性。
实验原理：
1.燃料电池
质子交换膜（PEM）燃料电池，在原理上相当于电解水的逆装置，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，两级都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。
工作时相当于直流电源，其阳极为电源正极，阴极为电源负极。
基本结构如图1-1.
阳极的化学反应：
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成两个氢离子，即质子，并释放出两个电子，阳极反应式为：
（1-1）
氢离子以水合质子
（nH2O）的形式，通过质子交换膜到达阴极，实现质子导电，质子的转移使阳极带负电。
阴极化学反应：
氧气或者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，氧和氢离子和电子反应生成水，阴极反应式为：
（1-2）.
阴极反应使氧气得到氢离子和电子变成水，由于阴极上缺少电子而带正电，在阴极和阳极之间产生电压，如果阴阳极接通外电路，就可以向负载输出电能。
总的化学反应式为：
（1-3）
图1-1
质子交换膜的优点是：
发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环限制，转化效率高；不产生污染，无噪声。
他是一种清洁高效的绿色环保能源。
2.水的电解
燃料电池和电解池在电极制造上通常有些差别，燃料电池的电极应该更有利于气体吸纳，而电解池应尽快排出气体。
燃料电池的水应该尽快排出，以免堵塞气体通道，而电解池的阳极必须淹没。
电解水的化学反应式为：
（1-4）
图1-2
实验仪器
实验仪器由实验主板、测试仪、可变负载、太阳能电池组成。
如图1-3.
实验主板由气水塔、燃料电池、电解池、负载组成。
氢气和氧气的水塔为电解池提供纯水（二次蒸馏水），同时储存电解池产生的氧气和氢气，为燃料电池提供燃料。
测试仪可测量电流和电压，可以从供电输出端口向电解池供电。
可变负载的变化范围为0.1~999.9Ω，最小间隔为0.1Ω。
时间t内氢气的产生量与电量It的关系，氢气产生的测量值与理论值之间的关系。
若不管输入电压和电流的大小，氢气产生的测量值与理论值成正比，且相近，即可验证法拉第定律。
1.燃料电池输出特性研究
燃料电池的输出电压和输出电流的关系，在电化学上称为极化特性曲线。
如图1-4
图1-4
由于燃料电池的能量不能完全转换为电能，总有一部分转换为热能，燃料分子形成短路电流等原因，燃料的开路电压低于理想电动势。
燃料的极化特性曲线由电化学极化区、欧姆极化区，浓差极化区构成。
综合考虑燃料电池的利用率（恒流供应燃料时可表示为燃料电池电流和电解电流之比），及输出电压和理想电动势之间的差异，燃料电池的效率定义为
（1-6）。
实验测量时，使电解池的输入电流保持在300mA，关闭风扇。
将电压测量端口接到燃料电池的输出端，打开燃料电池和水汽塔之间的氢气、氧气连接阀，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，改变负载电阻的大小，调整不同的电压值，读出相应的电流值，绘制极化特性曲线。
实验要求：
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变化曲线；测出该燃料电池最大输出功率为多少？
最大输出功率对应的效率是多少？
实验数据记录及处理
1.电解池特性研究
实验数据及处理如下表
表1-1
说明：
由公式
计算氢气产生理论值，取T=17K，P0=P,统一以mL为单位。
分析：
对比氢气产生的测量值和理论值，可以看出氢气产生理论量与电量成正比，而测量值由于实验存在误差而无明显相关性；氢气产生量的理论值与测量值的最大误差为3.3%，平均误差为1.6%，测量值与理论值基本接近，可大致验证法拉定律。
2.燃料电池输出特性研究
极化曲线：
开路电压为1.0V。
输出功率随输出电压变化曲线
由曲线可得，燃料电池的最大输出功率为U=0.439V,P=65.3671W。
电解电流为300mA，对应的效率由公式1-6计算得
。
思考讨论
１.误差分析
在电解池的测量中，测量氢气的产生量时由于主观因素的作用误差较大，实验可通过测量较多的氢气产生量来减小误差;在燃料电池的实验中输出电流并不稳定，给读数带来了不便，实验时应在电流表示数相对稳定时进行读数。
２.电解池产生氢气量和氧气量是什么关系?
关闭氧气水塔与燃料电池的输气管，让燃料电池是否还可以继续发电？
根据电解池的化学反应式可得产生的氢气和氧气量是２:
１的关系。
关闭氧气水塔和输气管后，输气管中还存有未反应的氧气，可以继续与氢气发生反应，消耗完后将停止反应。
3.为什么实验系统需要用去离子水或二次蒸馏水？
减少杂质离子和气体对实验的干扰。
燃料电池的实质是
与氧气发生反应，而
来自与氢气的分解，若水中含有较多离子，则会对氢气的测定产生干扰，若水中含有气体，也会对实验中气体的测定产生干扰。
附录：
实验数据
燃料电池的综合特性
I（mA）
U（V）
P*10-3（W）
1.3
1.01
1.313
3.3
0.93
3.069
4.9
0.893
4.3757
8.9
0.831
7.3959
12.5
0.8
10
17.4
0.764
13.2936
30.6
0.701
21.4506
34.7
0.687
23.8389
38
0.676
25.688
39
0.674
26.286
40.3
0.669
26.9607
42.1
0.665
27.9965
43
0.662
28.466
44.2
0.658
29.0836
46.8
0.65
30.42
49.9
0.643
32.0857
53.3
0.634
33.7922
57.2
0.624
35.6928
58
0.621
36.018
61.7
0.612
37.7604
63.7
0.606
38.6022
67.2
0.6
40.32
73.9
0.586
43.3054
82
0.569
46.658
92.3
0.548
50.5804
106
0.523
55.438
123.9
0.489
60.5871
148.9
0.439
65.3671
192.3
0.298
57.3054
198.4
0.188
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