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ZKY-RLDC燃料電池綜合特性試驗儀試驗指導(dǎo)及操作說明書成都世紀中科儀器有限公司地址:成都市人民南路四段9號中科院成都分院 〔02〕85247006 85243932 〔02〕85247006網(wǎng)址;“://ZKY.Cn/“ZKY.Cn E-mail:“mailto:ZKY@ZKY.Cn“ZKY@ZKY.Cn世紀中科第1世紀中科第1頁(8頁)燃料電池綜合特性試驗儀燃料電池以氫和氧為燃料,通過電化學反響直接產(chǎn)生電力,能量轉(zhuǎn)換效率高于燃燒燃料的熱機。燃料電池的反響生成物為水,對環(huán)境無污染,單位體積氫的儲能密度遠高于現(xiàn)有的其它電池。因此它的應(yīng)用從最早的宇航等特別領(lǐng)域,到現(xiàn)在人們樂觀爭論將其應(yīng)用到電動汽車,手機電池等日常生活的各個方面,各國都投入巨資進展研發(fā)。1839年,英國人格羅夫〔W.R.Grove〕制造了燃料電池,歷經(jīng)近兩百年,在材料,構(gòu)造,工藝不斷改進之后,進入了有用階段。按燃料電池使用的電解質(zhì)或燃料類型,可將現(xiàn)在和近期熔融碳酸鹽燃料電池,固體氧化物燃料電池6種主要類型,本試驗爭論其中的質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池的燃料氫〔反響所需的氧可從空氣中獲得〕可電解水獲得,也可由礦物或生物原〔光能-電能轉(zhuǎn)換〔電能-氫能轉(zhuǎn)換〔氫能-電能轉(zhuǎn)換試驗內(nèi)含物理內(nèi)容豐富,試驗內(nèi)容嚴密結(jié)合科技進展熱點與實際應(yīng)用,試驗過程環(huán)保清潔。能源為人類社會進展供給動力,長期依靠礦物能源使我們面臨環(huán)境污染之害,資源枯竭之困。為了人類社會的持續(xù)安康進展,各國都致力于爭論開發(fā)型能源。將來的能源系統(tǒng)中,太陽能將作為主要的一次能源替代目前的煤,石油和自然氣,而燃料電池將成為取代汽油,柴油和化學電池的清潔能源。試驗?zāi)康?2光能→太陽能電池→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45、測量太陽能電池的特性,作出所測太陽能電池的伏安特性曲線,電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線。獵取太陽能電池的開路電壓,短路電流,最大輸出功率,填充因子等特性參數(shù)試驗原理1質(zhì)子交換膜〔PEM,ProtonExchangeMembrane〕燃料電池在常溫下工作,具有啟動快速,構(gòu)造緊湊的優(yōu)點,最適宜作汽車或其它可移動設(shè)備的電源,近年來進展很快,其根本構(gòu)造如圖1所示。目前廣泛承受的全氟璜酸質(zhì)子交換膜為固體聚合物薄膜,厚度0.05~0.1mm,它供給氫離子〔質(zhì)子〕從陽極到達陰極的通道,而電子或氣體不能通過。催化層是將納米量級的的鉑粒子用化學或物理的方法附著在質(zhì)子交換膜外表,厚度約0.03mm,對陽極氫的氧化和陰極氧的復(fù)原起催化作用。膜兩邊的陽極和陰極由石墨化的碳紙或碳布做成,厚度0.2~0.5mm,導(dǎo)電性能良好,其上的微孔供給氣體進入催化層的通道,又稱為集中層。商品燃料電池為了供給足夠的輸出電壓和功率,需將假設(shè)干單體電池串連或并聯(lián)在一起,流場板一般由導(dǎo)電良好的石墨或金屬做成,與單體電池的陽極和陰極形成良好的電接觸,稱為雙極板,其上加工有供氣體流通的通道。教學用燃料電池為直觀起見,承受有機玻璃做流場板。負載電路陽極 陰極氫氣 e 氧氣H+e O2H+2H2H+陽極流場板 陰極流場板H+2HO2陽極催化層 質(zhì)子交換膜 陰極催化層圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)造示意圖進入陽極的氫氣通過電極上的集中層到達質(zhì)子交換膜。氫分子在陽極催化劑的作用下解離22個電子,陽極反響為: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,最終到達陰極,實現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電,質(zhì)子的這種轉(zhuǎn)移導(dǎo)致陽極帶負電。在電池的另一端,氧氣或空氣通過陰極集中層到達陰極催化層,在陰極催化層的作用下,氧與氫離子和電子反響生成水,陰極反響為:O2+4H++4e=2H2O 〔2〕陰極反響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。總的化學反響如下:2H2+O2=2H2O 〔3〕〔陰極與陽極:在電化學中,失去電子的反響叫氧化,得到電子的反響叫復(fù)原。產(chǎn)生氧化反響的電極是陽極,產(chǎn)生復(fù)原反響的電極是陰極。對電池而言,陰極是電的正極,陽極是電的〕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響生成水互為逆過程。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)。假設(shè)以質(zhì)12HO2=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。作燃料電池或作電解器的電極在制造上通常有些差異,燃料電池的電極應(yīng)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(yīng)隨時排出,以免堵塞氣體通道,而電解器的陽極必需被水漂浮。3、太陽能電池NP太陽能電池利用半導(dǎo)體P-NNP一個大面積平面P-N結(jié)圖2為P-N結(jié)示意圖。勢壘電場方向 空間電荷區(qū)P型半導(dǎo)體中有相當數(shù)量的空穴,幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當數(shù)量的自由電子,幾乎沒有空穴。當兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一2半導(dǎo)體P-N結(jié)示意圖P-N結(jié)時,N區(qū)的電子〔帶負電〕向P區(qū)集中,P區(qū)的空穴〔帶正電〕NP-N結(jié)四周形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向集中的反方向作漂移運動,最終集中與漂移到達平衡,使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi),P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合,N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合,使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子,又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當光電池受光照耀時,局部電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子-空穴對,在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區(qū)和P區(qū),使N區(qū)有過量的電子而帶負電,P區(qū)有過量的空穴而帶正電,P-N結(jié)兩端形成電壓,這就是光伏效應(yīng),假設(shè)將P-N結(jié)兩端接入外電路,就可向負載輸出電能。儀器介紹測試儀太陽能電池氣水塔可變負載風扇測試儀太陽能電池氣水塔可變負載風扇燃料電池電解池3燃料電池綜合試驗儀燃料電池,電解池,太陽能電池的原理見試驗原理局部。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(dǎo)。但水含量又不能過高,否則電極被水漂浮,水堵塞氣體通道,燃料不能傳導(dǎo)到質(zhì)子交換膜參與反響。如何保持良好的水平衡關(guān)系是燃料電池設(shè)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翻開,在電解電流不變時,燃料供給量是恒定的。假設(shè)負載選擇不當,電池輸出電流太小,未參與反響的氣體從排水口泄漏,燃料利用率及效率都低。在適中選擇負載時,燃料利用率約為90%。氣水塔為電解池供給純水2次蒸餾水池供給燃料氣體。每個氣水塔都是上下兩層構(gòu)造,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,下層近似布滿水,電解池工作時,產(chǎn)生的氣體會會聚在下層頂部,通過輸氣管輸出。假設(shè)關(guān)閉輸氣管開關(guān),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,加水時翻開使兩塔水位平衡,試驗時切記關(guān)閉該連通管。風扇作為定性觀看時的負載,可變負載作為定量測量時的負載。123測試儀面板如圖4所示。測試儀可測量電流,電壓。假設(shè)不用太陽能電池作電解池的電源,123圖圖4 燃料電池測試儀前面板示意圖如圖4所示為燃料電池試驗儀系統(tǒng)的測試儀前面板圖。區(qū)域1——電流表局部:做為一個獨立的電流表使用。其中:兩個檔位:2A200mA兩個測量通道:電流測量Ⅰ和電流測量Ⅱ。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20V檔和2V通過電壓檔位切換開關(guān)選擇適宜的電壓檔位測量電壓。區(qū)域3——恒流源局部:為燃料電池的電解池局部供給一個從0~350mA的可變恒流源。試驗內(nèi)容與步驟1、質(zhì)子交換膜電解池的特性測量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伏電解器才開頭工作。電解器的效率為: 1.48100% 〔4〕電解 U輸入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2伏左右?!矞囟葹榱鉉,電解器產(chǎn)生的氫氣保持在1個大氣壓,設(shè)電解電流為,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:ItV 22.4升 〔5〕氫氣 2FF=eN=9.65×104庫侖/摩爾為法拉第常數(shù),e=1.602×10-19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。假設(shè)試驗時的攝氏溫度為T,所在地區(qū)氣壓為P,依據(jù)抱負氣體狀態(tài)方程,可對〔5〕式作修正:273.16T PV

It 22.4升 〔6〕氫氣 273.16 P 2F式中P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0GB4797.2-2005100010%。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:ItV 水 2F

18cm39.33It105cm3 〔7〕應(yīng)當指出〔6〔I代表燃料電池輸出電流,V 代表燃料消耗量,V 代表電池中水的生成量。氫氣 水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?!残o順時針旋轉(zhuǎn)到底的產(chǎn)生氣體。當氣水塔下層的氣體低于最低刻度線的時候,翻開氣水塔輸氣管止水夾,排出2~31中的電解池輸入電流大小,調(diào)整恒流源的輸出電流,待電解池輸出氣體穩(wěn)定后〔約1分鐘1中。表1 電解池的特性測量輸入電壓0.100.200.30

時間t〔秒〕

氫氣產(chǎn)生量

理論值由〔6〕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。2在肯定的溫度與氣體壓力下,轉(zhuǎn)變負載電阻的大小,測量燃料電池的輸出電壓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。理論分析說明,假設(shè)燃料的全部能量1.48伏。

電壓開路電壓電化學極化區(qū)開路電壓電化學極化區(qū)歐姆極化區(qū)濃差極化區(qū)1.00.2電流實際燃料的能量不行能全部轉(zhuǎn)換成電能, 圖5 燃料電池的極化特性曲線例如總有一局部能量轉(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)部短路電流等隨著電流從零增大,輸出電壓有一段下降較快,主要是由于電極外表的反響速度有限,有電流輸出時,電極外表的帶電狀態(tài)轉(zhuǎn)變,驅(qū)動電子輸出陽極或輸入陰極時,產(chǎn)生的局部電壓會被損耗掉,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,燃料供給缺乏,電極外表的反響物濃度下降,使輸出電壓快速降低,而輸出電流根本不再增加,這一段被稱為濃差極化區(qū)。綜合考慮燃料的利用率〔恒流供給燃料時可表示為燃料電池電流與電解電流之比〕及輸出電壓與抱負電動勢的差異,燃料電池的效率為:I U P 電池電池 I電解

輸出 100% 〔8〕1.48 1.48I電解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)應(yīng)依據(jù)伏安特性曲線,選擇適當?shù)呢撦d匹配,使效率與輸出功率到達最大。試驗時讓電解池輸入電流保持在300mA,關(guān)閉風扇。10分鐘,讓電池中的燃料濃度到達平衡值,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,轉(zhuǎn)變負載電阻的大小,使輸出電壓值如表2所示〔輸出電壓值可能無法準確到表中所示數(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,這種狀況是不穩(wěn)210mA后,每次調(diào)整減0.5Ω240mA0.2Ω,每測量一點的平衡時間稍長一些〔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輸出電壓輸出電壓U〔V〕輸出電流I〔mA〕功率P=U×I〔mW〕0.900.850.800.750.7000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功率是多少?最大輸出功率時對應(yīng)的效率是多少?試驗完畢,關(guān)閉燃料電池與氣水塔之間的氫氣氧氣連接開關(guān),切斷電解池輸入電源。3在肯定的光照條件下,轉(zhuǎn)變太陽能電池負載電阻的大小,測量輸出電壓與輸出電流之間的6所示。U 代表開路電壓,Ioc

代表短路電流, I4中虛線圍出的面積為太陽能電池的輸出功率。與最大功率對應(yīng)的電壓稱為最大

IscIm工作電壓U

mI。m表征太陽能電池特性的根本參數(shù)還包括光譜響應(yīng)特性,光電轉(zhuǎn)換效率,填充因子等。填充因子FF定義為:

Um Uoc U圖6 太陽能電池的伏安特性曲線U IFF mm 〔9〕U Iocsc它是評價太陽能電池輸出特性好壞的一個重要參數(shù),它的值越高,說明太陽能電池輸出特性越趨近于矩形,電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高。將電流測

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