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燃料电池综合实验一、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：光能—太阳能电池—电能—电解池—氢能（能量存储）—燃料电池—电能。3.测量燃料电池的输出特性，作出燃料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，计算燃料电池的最大输出功率和效率。4.测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律。5.测量太阳能电池的特性，作太阳能电池的伏安特性曲线以及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。二、实验原理1、燃料电池负载电路阳极阴极氢气e氧气H+eO2H+2H2H+阳极流场板阴极流场板H+2H2O阳极催化层质子交换膜阴极催化层图2质子交换膜燃料电池结构示意图质子交换膜（PEM，ProtonExchangeMembrane）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2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。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0.03mm，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0.2~0.5mm，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。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：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）（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。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2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。N势垒电场方向空间电荷区P图3半导体P-N结示意图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，如图3所示，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。三、实验仪器实验仪器主要由实验主机以及实验装置组成，另外配有水容器，注射器、秒表等配件。如下图所示：图4燃料电池特性综合实验装置仪器使用简介主机操作说明：液晶屏显示电流源输出电压和输出电流，可以通过主机前面板中“电流源”“增大“和”减小“按键调节输出电流的大小（连续可调，范围为0-300mA），“电流源”方框下部有红黑两个小手枪插座可以连接至电解池（注意电源正负不要接反）。另外，主机前面板上有“可变电阻”是由1K欧姆和100欧姆可变电位器串接而成，下方有红黑小手枪接线座，当连接至电路时，液晶屏上显示“输入电压”和“输入电流”表示电位器两端电压和电位器电路中的电流。主机前面板“电源”开关控制整个主机电源通断。主机后面板“光源电源”航空插座可通过航空连接线与实验装置上射灯相连，“光源开关”控制射灯的通断（注意，在主机“电源”开关打开的前提下）。实验装置操作说明：质子交换膜必须含有足够的水分，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，电池电流输出太小，未参加反应的气体从排水口泄露，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（二次蒸馏水），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，上下层之间通过中间的连通管相连接，下层顶部有一输气管连接到燃料电池，初始时，两个气水塔的下层两个通水管都与电解池相连，电解池充满水，气水塔下层也近似充满水，电解池工作，产生的气体会汇聚在下层底部，通过输气管输出至燃料电池。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。通过上层顶部管壁上的刻度可知储存气体的体积（上层水上升的体积也即是氢气产生的体积）。小风扇作为定性观察时的负载（可以将燃料电池的红黑输出端与小风扇相连，看是否转动来判断燃料电池是否工作），主机面板上“可变电阻”作为定量测量时的负载。四、实验任务1．了解燃料电池的工作原理。2．观察能量转换过程：光能—太阳能电池—电能—电解池—氢能（能量存储）—燃料电池—电能。3．测量燃料电池的输出特性，作出燃料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，计算燃料电池的最大输出功率和效率。4．测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律。5．测量太阳能电池的特性，作太阳能电池的伏安特性曲线以及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。注意事项1.使用前请首先详细阅读本说明书。2.该实验系统必须使用去离子水或者二次蒸馏水，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4V，最大输入电流为300mA，超量程使用将极大地损害电解池。4.PEM电解池所加的电源极性必须正确，否则将损坏电解池并有起火燃烧的可能。5.绝对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出气管高度以下，以保证PEM燃料电池正常工作。7.该实验装置主体由有机玻璃制成，使用中必须小心，以免损伤。8.太阳能电池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能能电池和配套光源，以免触电和损坏该部件。五、数据处理要求1．燃料电池输出特性的测量：测量燃料电池输出电流和输出电压，列表记录数据，并作燃料电池的极化特性曲线和燃料电池输出功率随输出电压的变化曲线，由图线确定燃料电池的效率；2．质子交换膜电解池的特性测量：测量电解池在电流为100mA、200mA、300mA时，在一定时间内产生的氢气量（每5s记录一次），列表记录数据，作图或者直线拟合，得到氢气产生率，并与理论氢气产生率比较，计算测量误差，分析误差产生原因；3．太阳能电池的特性测量：测量太阳能电池的输出电流和电压，列表记录数据，作该电池的伏安特性曲线，作该电池输出功率随输出电压的变化曲线，由图线确定太阳能电池的最大输出功率和对应的最大工作电压Um、最大工作电流Im、开路电压Uoc、短路电流Isc、填充因子FF；4．实验总结