燃料电池综合特性实验报告.docx

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燃料电池综合特性实验报告

燃料电池综合特性实验

一、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：

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.测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律

二、实验原理：

1、燃料电池

质子交换膜燃料电池（如上图）在常温下工作，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0.05~0.1mm，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。

膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.2~0.5mm，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。

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：

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：

2H2＋O2=2H2O（3）

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，以免阻塞气体通道，而电解器的阳极必须被水淹没。

实验仪器：

仪器的构成如上图所示。

燃料电池，电解池，太阳能电池的原理见实验原理部分。

3、质子交换膜

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％。

4、气水塔

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。

5、测试仪

测试仪面板如上图所示。

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。

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0～350mA的可变恒流源。

三、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=eN=9.65×104库仑/摩尔为法拉第常数，e=1.602×10-19库仑为电子电量，N=6.022×1023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。

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

0．10

0．20

0．30

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。

1、

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，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0.5Ω，输出电流高于240mA后，每次调节减小电阻0.2Ω，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

输出电压U（V）

0.90

0.85

0.80

0.75

0.70

输出电流I（mA）

0

功率P=U×I（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。

【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PEM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。

四、实验数据记录表格：

压强:

1009.0hpa

温度:

24.5℃

1电解池特性测量

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

0．10

1.90

420

42.0

0.005

0.0053

0．20

1.96

206

41.2

0.005

0.0054

0．30

2.01

140

42.0

0.005

0.0053

2燃