燃料電池綜合特性實驗報告

1、燃料電池綜合特性實驗論文作者：宋東輝學號：03482015010單位：二十二連二區(qū)隊A組燃料電池綜合特性實驗一、實驗目的：1. 了解燃料電池的工作原理2. 觀察儀器的能量轉(zhuǎn)換過程：電能電解池 氫能(能量儲存)燃料電池電能3. 測量燃料電池輸出特性，作出所測燃料電池的伏安特性（極化）曲線，電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線。計算燃料電池的最大輸出功率及效率4. 測量質(zhì)子交換膜電解池的特性，驗證法拉第電解定律二、實驗原理：1、燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池（如上圖）在常溫下工作，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前廣泛采用的全氟璜酸質(zhì)子交換膜為固體聚合物薄膜，厚度0.050.1mm，它提供氫離子（質(zhì)子）從陽極到達

2、陰極的通道，而電子或氣體不能通過。膜兩邊的陽極和陰極由石墨化的碳紙或碳布做成，厚度0.20.5mm，導電性能良好，其上的微孔提供氣體進入催化層的通道，又稱為擴散層。進入陽極的氫氣通過電極上的擴散層到達質(zhì)子交換膜。氫分子在陽極催化劑的作用下解離為2個氫離子，即質(zhì)子，并釋放出2個電子，陽極反應為：H2 = 2H+2e （1）氫離子以水合質(zhì)子H+（nH2O）的形式，在質(zhì)子交換膜中從一個璜酸基轉(zhuǎn)移到另一個璜酸基，最后到達陰極，實現(xiàn)質(zhì)子導電，質(zhì)子的這種轉(zhuǎn)移導致陽極帶負電。在電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極擴散層到達陰極催化層，在陰極催化層的作用下，氧與氫離子和電子反應生成水，陰極反應為：O2+4H+4e

3、 = 2H2O （2）陰極反應使陰極缺少電子而帶正電，結(jié)果在陰陽極間產(chǎn)生電壓，在陰陽極間接通外電路，就可以向負載輸出電能?？偟幕瘜W反應如下：2H2O2 = 2H2O （3）2、 水的電解將水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，與燃料電池中氫氣和氧氣反應生成水互為逆過程。水電解裝置同樣因電解質(zhì)的不同而各異，堿性溶液和質(zhì)子交換膜是最好的電解質(zhì)。若以質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)，可在圖1右邊電極接電源正極形成電解的陽極，在其上產(chǎn)生氧化反應2H2O = O2+4H+4e。左邊電極接電源負極形成電解的陰極，陽極產(chǎn)生的氫離子通過質(zhì)子交換膜到達陰極后，產(chǎn)生還原反應2H+2e = H2。即在右邊電極析出氧，左邊電極析出氫。作燃料電池或

4、作電解器的電極在制造上通常有些差別，燃料電池的電極應利于氣體吸納，而電解器需要盡快排出氣體。燃料電池陰極產(chǎn)生的水應隨時排出，以免阻塞氣體通道，而電解器的陽極必須被水淹沒。實驗儀器：儀器的構(gòu)成如上圖所示。燃料電池，電解池，太陽能電池的原理見實驗原理部分。3、 質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜必需含有足夠的水分，才能保證質(zhì)子的傳導。但水含量又不能過高，否則電極被水淹沒，水阻塞氣體通道，燃料不能傳導到質(zhì)子交換膜參與反應。如何保持良好的水平衡關系是燃料電池設計的重要課題。為保持水平衡，我們的電池正常工作時排水口打開，在電解電流不變時，燃料供應量是恒定的。若負載選擇不當，電池輸出電流太小，未參加反應的氣體從排水口泄

5、漏，燃料利用率及效率都低。在適當選擇負載時，燃料利用率約為90。4、 氣水塔氣水塔為電解池提供純水（2次蒸餾水），可分別儲存電解池產(chǎn)生的氫氣和氧氣，為燃料電池提供燃料氣體。每個氣水塔都是上下兩層結(jié)構(gòu)，上下層之間通過插入下層的連通管連接，下層頂部有一輸氣管連接到燃料電池。初始時，下層近似充滿水，電解池工作時，產(chǎn)生的氣體會匯聚在下層頂部，通過輸氣管輸出。若關閉輸氣管開關，氣體產(chǎn)生的壓力會使水從下層進入上層，而將氣體儲存在下層的頂部，通過管壁上的刻度可知儲存氣體的體積。兩個氣水塔之間還有一個水連通管，加水時打開使兩塔水位平衡，實驗時切記關閉該連通管。風扇作為定性觀察時的負載，可變負載作為定量測量時的

6、負載。5、 測試儀 測試儀面板如上圖所示。測試儀可測量電流，電壓。若不用太陽能電池作電解池的電源，可從測試儀供電輸出端口向電解池供電。實驗前需預熱15分鐘。區(qū)域1電流表部分：做為一個獨立的電流表使用。其中：兩個檔位：2A檔和200mA檔，可通過電流檔位切換開關選擇合適的電流檔位測量電流。兩個測量通道：電流測量和電流測量。通過電流測量切換鍵可以同時測量兩條通道的電流。區(qū)域2電壓表部分：做為一個獨立的電壓表使用。共有兩個檔位：20V檔和2V檔，可通過電壓檔位切換開關選擇合適的電壓檔位測量電壓。區(qū)域3恒流源部分：為燃料電池的電解池部分提供一個從0350mA的可變恒流源。三、實驗內(nèi)容與步驟1、質(zhì)子交換

7、膜電解池的特性測量理論分析表明，若不考慮電解器的能量損失，在電解器上加1.48伏電壓就可使水分解為氫氣和氧氣，實際由于各種損失，輸入電壓高于1.6伏電解器才開始工作。電解器的效率為： （4）輸入電壓較低時雖然能量利用率較高，但電流小，電解的速率低，通常使電解器輸入電壓在2伏左右。根據(jù)法拉第電解定律，電解生成物的量與輸入電量成正比。在標準狀態(tài)下（溫度為零 °C，電解器產(chǎn)生的氫氣保持在1個大氣壓），設電解電流為I，經(jīng)過時間t生產(chǎn)的氫氣體積（氧氣體積為氫氣體積的一半）的理論值為： （5）式中F = e N = 9.65×104 庫侖/摩爾為法拉第常數(shù)，e = 1.602×

8、;10-19庫侖為電子電量，N = 6.022×1023為阿伏伽德羅常數(shù)，It/2F為產(chǎn)生的氫分子的摩爾（克分子）數(shù)，22.4升為標準狀態(tài)下氣體的摩爾體積。若實驗時的攝氏溫度為T，所在地區(qū)氣壓為P，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可對（5）式作修正： （6）式中P0為標準大氣壓。自然環(huán)境中，大氣壓受各種因素的影響，如溫度和海拔高度等，其中海拔對大氣壓的影響最為明顯.由國家標準GB4797.2-2005可查到，海拔每升高1000米，大氣壓下降約10。由于水的分子量為18，且每克水的體積為1cm3，故電解池消耗的水的體積為： （7）應當指出，（6），（7）式的計算對燃料電池同樣適用，只是其中的I代

9、表燃料電池輸出電流，V氫氣代表燃料消耗量，V水代表電池中水的生成量。確認氣水塔水位在水位上限與下限之間。將測試儀的電壓源輸出端串連電流表后接入電解池，將電壓表并聯(lián)到電解池兩端。將氣水塔輸氣管止水夾關閉，調(diào)節(jié)恒流源輸出到最大（旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)到底），讓電解池迅速的產(chǎn)生氣體。當氣水塔下層的氣體低于最低刻度線的時候，打開氣水塔輸氣管止水夾，排出氣水塔下層的空氣。如此反復23次后，氣水塔下層的空氣基本排盡，剩下的就是純凈的氫氣和氧氣了。根據(jù)表1中的電解池輸入電流大小，調(diào)節(jié)恒流源的輸出電流，待電解池輸出氣體穩(wěn)定后（約1分鐘），關閉氣水塔輸氣管。測量輸入電流，電壓及產(chǎn)生一定體積的氣體的時間，記入表1中。表1

10、 電解池的特性測量輸入電流I（A）輸入電壓（V）時間t（秒）電量It（庫侖）氫氣產(chǎn)生量測量值（升）氫氣產(chǎn)生量理論值010020030由（6）式計算氫氣產(chǎn)生量的理論值。與氫氣產(chǎn)生量的測量值比較。若不管輸入電壓與電流大小，氫氣產(chǎn)生量只與電量成正比，且測量值與理論值接近，即驗證了法拉第定律。1、 燃料電池輸出特性的測量在一定的溫度與氣體壓力下，改變負載電阻的大小，測量燃料電池的輸出電壓與輸出電流之間的關系，如圖5所示。電化學家將其稱為極化特性曲線，習慣用電壓作縱坐標，電流作橫坐標。理論分析表明，如果燃料的所有能量都被轉(zhuǎn)換成電能，則理想電動勢為1.48伏。實際燃料的能量不可能全部轉(zhuǎn)換成電能，例如總有一

11、部分能量轉(zhuǎn)換成熱能，少量的燃料分子或電子穿過質(zhì)子交換膜形成內(nèi)部短路電流等，故燃料電池的開路電壓低于理想電動勢。隨著電流從零增大，輸出電壓有一段下降較快，主要是因為電極表面的反應速度有限，有電流輸出時，電極表面的帶電狀態(tài)改變，驅(qū)動電子輸出陽極或輸入陰極時，產(chǎn)生的部分電壓會被損耗掉，這一段被稱為電化學極化區(qū)。輸出電壓的線性下降區(qū)的電壓降，主要是電子通過電極材料及各種連接部件，離子通過電解質(zhì)的阻力引起的，這種電壓降與電流成比例，所以被稱為歐姆極化區(qū)。輸出電流過大時，燃料供應不足，電極表面的反應物濃度下降，使輸出電壓迅速降低，而輸出電流基本不再增加，這一段被稱為濃差極化區(qū)。綜合考慮燃料的利用率（恒流供

12、應燃料時可表示為燃料電池電流與電解電流之比）及輸出電壓與理想電動勢的差異，燃料電池的效率為： （8）某一輸出電流時燃料電池的輸出功率相當于圖5中虛線圍出的矩形區(qū)，在使用燃料電池時，應根據(jù)伏安特性曲線，選擇適當?shù)呢撦d匹配，使效率與輸出功率達到最大。實驗時讓電解池輸入電流保持在300mA，關閉風扇。將電壓測量端口接到燃料電池輸出端。打開燃料電池與氣水塔之間的氫氣、氧氣連接開關，等待約10分鐘，讓電池中的燃料濃度達到平衡值，電壓穩(wěn)定后記錄開路電壓值。將電流量程按鈕切換到200mA?？勺冐撦d調(diào)至最大，電流測量端口與可變負載串聯(lián)后接入燃料電池輸出端，改變負載電阻的大小，使輸出電壓值如表2所示（輸出電壓值

13、可能無法精確到表中所示數(shù)值，只需相近即可），穩(wěn)定后記錄電壓電流值。負載電阻猛然調(diào)得很低時，電流會猛然升到很高，甚至超過電解電流值，這種情況是不穩(wěn)定的，重新恢復穩(wěn)定需較長時間。為避免出現(xiàn)這種情況，輸出電流高于210mA后，每次調(diào)節(jié)減小電阻0.5，輸出電流高于240mA后，每次調(diào)節(jié)減小電阻0.2，每測量一點的平衡時間稍長一些（約需5分鐘）。穩(wěn)定后記錄電壓電流值。表2 燃料電池輸出特性的測量 電解電流 mA輸出電壓U（V）0.900.850.800.750.70輸出電流I（mA）0功率P=U×I（mW）0作出所測燃料電池的極化曲線。作出該電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線。該燃料電池最大輸出

14、功率是多少？最大輸出功率時對應的效率是多少？實驗完畢，關閉燃料電池與氣水塔之間的氫氣氧氣連接開關，切斷電解池輸入電源?！咀⒁馐马棥?. 使用前應首先詳細閱讀說明書。2. 該實驗系統(tǒng)必須使用去離子水或二次蒸餾水，容器必須清潔干凈，否則將損壞系統(tǒng)。3. PEM電解池的最高工作電壓為6V，最大輸入電流為1000mA，否則將極大地傷害PEM電解池。4. PEM電解池所加的電源極性必須正確，否則將毀壞電解池并有起火燃燒的可能。5. 絕不允許將任何電源加于PEM燃料電池輸出端，否則將損壞燃料電池。6. 氣水塔中所加入的水面高度必須在上水位線與下水位線之間，以保證P EM燃料電池正常工作。7. 該系統(tǒng)主體系

15、有機玻璃制成，使用中需小心，以免打壞和損傷。 8. 太陽能電池板和配套光源在工作時溫度很高，切不可用手觸摸，以免被燙傷。9. 絕不允許用水打濕太陽能電池板和配套光源，以免觸電和損壞該部件。 10. 配套“可變負載”所能承受的最大功率是1W，只能使用于該實驗系統(tǒng)中。11. 電流表的輸入電流不得超過2A，否則將燒毀電流表。 12. 電壓表的最高輸入電壓不得超過25V，否則將燒毀電壓表。13. 實驗時必須關閉兩個氣水塔之間的連通管。四、實驗數(shù)據(jù)記錄表格：壓強:1009.0hpa 溫度:24.51電解池特性測量表1 電解池的特性測量輸入電流I（A）輸入電壓（V）時間t（秒）電量It（庫侖）氫氣產(chǎn)生量測量值 （升）氫氣產(chǎn)生量理論值 0101.9042042.00.0050.00530201.9620641.20.0050.00540302.0114042.00.0050.00532燃料電池輸出特性的測量表2 燃料電池輸出特性的測量 電解電流300 mA輸出電壓U/V0.9590.90.850.80.750.70.689輸出電流I/mA01.35