太陽能及燃料電池特性測量預(yù)習(xí)材料

太陽能及燃料電池預(yù)習(xí)材料[實驗原理]1、太陽能電池原理太陽能電池在沒有光照時其特性可視為一個二極管，在沒有光照時其正向偏壓U與通過電流I的關(guān)系式為：(1)(1)式中，Io和β是常數(shù)。由半導(dǎo)體理論，二極管主要是由能隙為EC－EV的半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖1所示。EC為半導(dǎo)體導(dǎo)電帶，EV為半導(dǎo)體價電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時，光子會被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到二極管之內(nèi)電場的影響而產(chǎn)生光電流。圖1假設(shè)太陽能電池的理論模型是由一理想電流源（光照產(chǎn)生光電流的電流源）、一個理想二極管、一個并聯(lián)電阻Rsh與一個電阻Rs所組成，如圖2所示。圖2圖2中，Iph為太陽能電池在光照時該等效電源輸出電流，Id為光照時，通過太陽能電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得：（2）（2）式中，I為太陽能電池的輸出電流，U為輸出電壓。由（1）式可得，（3）假定Rsh=∞和Rs=0，太陽能電池可簡化為圖3所示電路。圖3這里，。在短路時，U＝0，Iph＝Isc；而在開路時，I＝0，；（4）（4）式即為在Rsh=∞和Rs=0的情況下，太陽能電池的開路電壓Uoc和短路電流Isc的關(guān)系式。其中Uoc為開路電壓，Isc為短路電流，而I0、β是常數(shù)。2、太陽能電池的效率圖4太陽能電池最大功率太陽能電池從本質(zhì)上說一個能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此討論太陽能電池的效率是必要和重要的。根據(jù)熱力學(xué)原理，我們知道任何的能量轉(zhuǎn)化過程都存在效率問題，實際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化過程效率不可能是100％。就太陽能電池而言，我們需要知道轉(zhuǎn)化效率和哪些因素有關(guān)，如何提高太陽能電池的效率，最終我們期望太陽光電池具有足夠高的效率。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出電能Pm和入射光能Pin的比值：(5)3、質(zhì)子交換膜電解池(PEMWE,ProtonExchangeMembraneWaterElectrolyzer)同燃料電池一樣，水電解裝置因電解質(zhì)的不同而各異，堿性溶液和質(zhì)子交換膜是最常見的電解質(zhì)，圖5為質(zhì)子交換膜電解池原理圖。質(zhì)子交換膜電解池的核心是一塊涂覆了貴金屬催化劑鉑（Pt）的質(zhì)子交換膜和兩塊鈦網(wǎng)電極。電解池將水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，與燃料電池中氫氣和氧氣反應(yīng)生成水互為逆過程，其具體工作原理如下：（1）外加電源向電解池陽極施加直流電壓，水在陽極發(fā)生電解，生成氫離子、電子和氧，氧從水分子中分離出來生成氧氣，從氧氣通道溢出。2H2O=O2+4H++4e（6）（2）電子通過外電路從電解池陽極流動到電解池陰極，氫離子透過聚合物膜從電解池陽極轉(zhuǎn)移到電解池陰極，在陰極還原成氫分子，從氫氣通道中溢出，完成整個電解過程。2H++2e=H2（7）總的反應(yīng)方程式：2H2O=2H2+O2（8）圖5質(zhì)子交換膜電解池工作原理4、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的工作原理燃料電池的工作過程實際上是電解水的逆過程，其基本原理早在1839年由英國律師兼物理學(xué)家威廉.羅泊特.格魯夫（WilliamRobertGrove）提出，他是世界上第一位實現(xiàn)電解水逆反應(yīng)并產(chǎn)生電流的科學(xué)家。一個半世紀(jì)以來，燃料電池除了被用于宇航等特殊領(lǐng)域外，極少受到人們關(guān)注。只是到近十幾年來，隨著環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源、保護(hù)有限自然資源的意識的加強(qiáng)，燃料電池才開始得到重視和發(fā)展。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，ProtonExchangeMembraneFuelCell）技術(shù)是目前世界上最成熟的一種能將氫氣與空氣中的氧氣化合成潔凈水并釋放出電能的技術(shù)，其工作原理如圖6所示：圖6質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理（1）氫氣通過管道到達(dá)陽極，在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子（即質(zhì)子）并釋放出帶負(fù)電的電子。H2=2H++2e（9）（2）氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極；電子則通過外電路到達(dá)陰極。電子在外電路形成電流，通過適當(dāng)連接可向負(fù)載輸出電能。（3）在電池另一端，氧氣通過管道到達(dá)陰極；在陰極催化劑作用下，氧與氫離子及電子發(fā)生反應(yīng)生成水。O2+4H++4e=2H2O（10）總的反應(yīng)方程式：2H2+O2=2H2O（11）燃料電池有多種，各種燃料電池之間的區(qū)別在于使用的電解質(zhì)不同。質(zhì)子交換膜燃料電池以質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)，其特點是工作溫度低（約70-800C），啟動速度快，特別適于用作動力電池。電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)溫度一般不超過800C，故稱為質(zhì)子交換膜燃料電池的的核心是一種三合一熱壓組合體，包括一塊質(zhì)子交換膜和兩塊涂覆了貴金屬催化劑鉑（Pt）的碳纖維紙。由上述原理可知，在質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極和陰極之間有一極薄的質(zhì)子交換膜，H+離子從陽極通過這層膜到達(dá)陰極，并且在陰極與O2原子結(jié)合生成水分子H2O。當(dāng)質(zhì)子交換膜的濕潤狀況良好時，由于電池的內(nèi)阻低，燃料電池的輸出電壓高，負(fù)載能力強(qiáng)。反之，當(dāng)質(zhì)子交換膜的濕潤狀況變壞時，電池的內(nèi)阻變大，燃料電池的輸出電壓下降，負(fù)載能力降低。在大的負(fù)荷下，燃料電池內(nèi)部的電流密度增加，電化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)，燃料電池陰極側(cè)水的生成也相應(yīng)增多。此時，如不及時排水，陰極將會被淹，正常的電化學(xué)反應(yīng)被破壞，致使燃料電池失效。由此可見，保持電池內(nèi)部適當(dāng)濕度，并及時排出陰極側(cè)多余的水，是確保質(zhì)子交換膜電池穩(wěn)定運(yùn)行及延長工作壽命的重要手段。因此，解決好質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)的濕度調(diào)節(jié)及電池陰極側(cè)的排水控制，是研究大功率、高性能質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的重要課題。燃料電池性能關(guān)鍵是膜電極的制作和電池水/熱平衡控制技術(shù)。前者決定著電池的性能，后者則關(guān)系到電池能否穩(wěn)定運(yùn)行。[實驗儀器]新能源電池綜合特性測試儀測試儀由電流表、電壓表以及恒流源組成，主要技術(shù)參數(shù)如下：電流表：2A和200mA兩檔,三位半數(shù)顯。電壓表：20V和2V兩檔，三位半數(shù)顯。恒流源：0～400mA，三位半數(shù)顯。測試儀面板太陽能電池測試架太陽能電池測試架主要技術(shù)參數(shù)如下：太陽能電池參數(shù)：18V/5W，短路電流0.3A。鹵鎢燈光源功率：300W，位置上下可調(diào)，改變光強(qiáng)。燃料電池電池測試架1,3.短接插2.燃料電池電壓輸出4.氧氣連接管5.氫氣連接管6.燃料電池負(fù)極7.燃料電池正極8.儲水儲氫罐9.儲水儲氧罐10.電解池負(fù)極11.電解池正極12.保險絲座（0.5A）13.電解池電源輸入負(fù)極13.電解池電源輸入正極燃料電池測試架主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）燃料電池功率：50～100mW；（2）燃料電池輸出電壓：500～1000mV；（3）電解池工作狀態(tài)：電壓：<2.5V，電