燃料電池綜合實(shí)驗(yàn)講義

燃料電池綜合實(shí)驗(yàn)儀燃料電池以氫和氧為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電力，能量轉(zhuǎn)換效率高于燃燒燃料的熱機(jī)。燃料電池的反應(yīng)生成物為水，對(duì)環(huán)境無污染，單位體積氫的儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)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殊領(lǐng)域，到現(xiàn)在人們積極研究將其應(yīng)用到電動(dòng)汽車，手機(jī)電池等日常生活的各個(gè)方面，各國都投入巨資進(jìn)行研發(fā)。1839年，英國人格羅夫（W.R.Grove）發(fā)明了燃料電池，歷經(jīng)近兩百年，在材料，結(jié)構(gòu)，工藝不斷改進(jìn)之后，進(jìn)入了實(shí)用階段。按燃料電池使用的電解質(zhì)或燃料類型，可將現(xiàn)在和近期可行的燃料電池分為堿性燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池，磷酸燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池6種主要類型，本實(shí)驗(yàn)研究其中的質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池的燃料氫（反應(yīng)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料轉(zhuǎn)化制成。本實(shí)驗(yàn)包含太陽能電池發(fā)電（光能一電能轉(zhuǎn)換），電解水制取氫氣（電能一氫能轉(zhuǎn)換），燃料電池發(fā)電（氫能一電能轉(zhuǎn)換）幾個(gè)環(huán)節(jié)，形成了完整的能量轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存，使用的鏈條。實(shí)驗(yàn)內(nèi)含物理內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合科技發(fā)展熱點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)過程環(huán)保清潔。能源為人類社會(huì)發(fā)展提供動(dòng)力，長期依賴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(huì)的持續(xù)健康發(fā)展，各國都致力于研究開發(fā)新型能源。未來的能源系統(tǒng)中，太陽能將作為主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然氣，而燃料電池將成為取代汽油，柴油和化學(xué)電池的清潔能源。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)儀器的目的是：測量PEM燃料電池及其逆過程PEM電解池和太陽能電池的基本特性，了解它們工作原理和特性。能源為人類社會(huì)發(fā)展提供動(dòng)力，長期依賴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(huì)的持續(xù)健康發(fā)展，各國都致力于研究開發(fā)新型能源。未來的能源系統(tǒng)中，太陽能將作為主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然氣，而燃料電池將成為取代汽油，柴油和化學(xué)電池的清潔能源。燃料電池以氫和氧為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電力，能量轉(zhuǎn)換效率高于燃燒燃料的熱機(jī)。燃料電池的反應(yīng)生成物為水，對(duì)環(huán)境無污染，單位體積氫的儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)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殊領(lǐng)域，到現(xiàn)在人們積極研究將其應(yīng)用到電動(dòng)汽車，手機(jī)電池等日常生活的各個(gè)方面（已有產(chǎn)品問世），是新能源研究、發(fā)展和應(yīng)用的重要領(lǐng)域，各國都投入巨資進(jìn)行研發(fā)。本實(shí)驗(yàn)包含太陽能電池發(fā)電（光能一電能轉(zhuǎn)換），電解水制取氫氣（電能一氫能轉(zhuǎn)換），燃料電池發(fā)電（氫能一電能轉(zhuǎn)換）幾個(gè)環(huán)節(jié)，形成了完整的能量轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存，使用的鏈條。學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)，測量質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池及其逆過程PEM電解池和太陽能電池的基本特性，了解它們工作原理和特性。掌握一種清潔能源的產(chǎn)生和收集、存儲(chǔ)和使用的方法。本實(shí)驗(yàn)內(nèi)含物理內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合科技發(fā)展熱點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)過程環(huán)保清潔。物理特性的表達(dá)直觀明了，物理特性數(shù)據(jù)的測量方便和實(shí)用，是一種進(jìn)行現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)秀儀器。二、實(shí)驗(yàn)原理燃料電池綜合特性實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分由模擬太陽光照的光源和太陽能電池或可調(diào)恒流源、PEM水電解池、儲(chǔ)氣儲(chǔ)水氣水分離塔、PEM燃料電池、負(fù)載和演示電風(fēng)扇所組成；整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作過程是，由模擬太陽光的光源照射太陽能電池產(chǎn)生電流，去驅(qū)動(dòng)PEM水電解池產(chǎn)生氫氣和氧氣，通過儲(chǔ)氣儲(chǔ)水氣水分離塔后分別得到氫氣和氧氣，供給PEM燃料電池以發(fā)電，最終使電阻負(fù)載或演示電風(fēng)扇工作。1、燃料電池圖1質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖質(zhì)子交換膜(PEM，ProtonExchangeMembrane)燃料電池在常溫下工作，具有啟動(dòng)快速，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，最適宜作汽車或其它可移動(dòng)設(shè)備的電源，近年來發(fā)展很快，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0.05?0.1mm，它提供氫離子(質(zhì)子)從陽極到達(dá)陰極的通道，而電子或氣體不能通過。催化層是將納米量級(jí)的的鉑粒子用化學(xué)或物理的方法附著在質(zhì)子交換膜表面，厚度約0.03mm，對(duì)陽極氫的氧化和陰極氧的還原起催化作用。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，其上的微孔提供氣體進(jìn)入催化層的通道，又稱為擴(kuò)散層。商品燃料電池為了提供足夠的輸出電壓和功率，需將若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(xué)用燃料電池為直觀起見，采用有機(jī)玻璃做流場板。進(jìn)入陽極的氫氣通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)質(zhì)子交換膜。氫分子在陽極催化劑的作用下解離為2個(gè)氫離子，即質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽極反應(yīng)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(gè)璜酸基轉(zhuǎn)移到另一個(gè)璜酸基，最后到達(dá)陰極，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電，質(zhì)子的這種轉(zhuǎn)移導(dǎo)致陽極帶負(fù)電。在電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極擴(kuò)散層到達(dá)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(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：O2+4H++4e=RO（2）陰極反應(yīng)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(fù)載輸出電能。總的化學(xué)反應(yīng)如下：2H2+O2=2H2O（3）（陰極與陽極：在電化學(xué)中，失去電子的反應(yīng)叫氧化，得到電子的反應(yīng)叫還原。產(chǎn)生氧化反應(yīng)的電極是陽極，產(chǎn)生還原反應(yīng)的電極是陰極。對(duì)電池而言，陰極是電的正極，陽極是電的負(fù)極。）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(yīng)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(yīng)2H2O=O2+4H++4e。左邊電極接電源負(fù)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(dá)陰極后，產(chǎn)生還原反應(yīng)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別，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(shí)排出，以免阻塞氣體通道，而電解器的陽極必須被水淹沒。3、太陽能電池I1太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照N__射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)勢壘電場方向空間電荷區(qū)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，圖2為P-N結(jié)示意圖。PP型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎圖2半導(dǎo)體P-N結(jié)示意圖沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，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(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，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(fù)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)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。三、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成燃料電池綜合特性實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分由模擬太陽光照的光源和太陽能電池或可調(diào)恒流源、PEM水電解池、儲(chǔ)氣儲(chǔ)水氣水分離塔、PEM燃料電池、負(fù)載和演小電風(fēng)扇所組成；燃料電池綜合特性實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)的測試系統(tǒng)由一個(gè)電壓表、一個(gè)電流表，和一個(gè)可調(diào)恒流源所組成。PEM氣氣水PEM氣氣水分離塔儲(chǔ)2水P刖水闿解池燃，:斗電—一.三燃料電池綜合特性實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)構(gòu)成框圖整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作過程是，由模擬太陽光的光源照射太陽能電池產(chǎn)生電流，去驅(qū)動(dòng)PEM水電解池產(chǎn)生氫氣和氧氣，通過儲(chǔ)氣儲(chǔ)水氣水分離塔后分別得到氫氣和氧氣，供給PEM燃料電池以發(fā)電，最終使電阻負(fù)載或演示電風(fēng)扇工作。為了定量地得到相關(guān)的物理量，在PEM電解池的輸入端采用可調(diào)恒流源并接上電流表，在PEM燃料電池的輸出端接上電流表和電壓表，在太陽能電池的輸出端接上電流和電壓表。并在氣水塔上標(biāo)有刻度，以讀出所生成的氫氣和氧氣的體積。通過這些測量，可以得到太陽能電池、PEM燃料電池和PEM電解池的基本特性。技術(shù)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置部分：燃料電池功率：50?100mW燃料電池輸出電壓：800?1000mV電解池工作狀態(tài)：電壓：<6.0V電流：<300mA太陽能電池功率：1W測試儀部分：電源輸出：恒流：0-350mA電流表：2A和200mA兩檔。電壓表：20V和2V兩檔。?交流供電：220V1A儀器特點(diǎn)本實(shí)驗(yàn)包含太陽能電池發(fā)電（光能一電能轉(zhuǎn)換），電解水制取氫氣（電能一氫能轉(zhuǎn)換），燃料電池發(fā)電（氫能一電能轉(zhuǎn)換）幾個(gè)環(huán)節(jié)，形成了完整的能量轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存，使用的鏈條。學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)，測量質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池及其逆過程PEM電解池和太陽能電池的基本特性，了解它們工作原理和特性。掌握一種清潔能源的產(chǎn)生或收集、存儲(chǔ)和使用的方法。本實(shí)驗(yàn)儀器是一種綜合性的現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)儀器，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)含物理內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合科技發(fā)展熱點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)過程環(huán)保清潔。物理特性的表達(dá)直觀明了，物理特性數(shù)據(jù)的測量方便和實(shí)用.。本實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)裝置主體部分采用透明的材質(zhì)來制造，標(biāo)識(shí)清楚美觀，非常直觀明了地展示了燃料電池和電解池的物理內(nèi)涵及其應(yīng)用表現(xiàn)，具有非常高的演示和觀賞性。老師易于講解，學(xué)生易于理解。是一種進(jìn)行現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)秀儀器。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要完成的實(shí)驗(yàn)主要有4項(xiàng)：了解燃料電池系統(tǒng)的工作過程。仔細(xì)閱讀有關(guān)PEM燃料電池實(shí)驗(yàn)儀的組成原理部分，觀察從模擬太陽光接收到PEM燃料電池發(fā)電帶動(dòng)風(fēng)扇負(fù)載的整個(gè)系統(tǒng)工作過程。了解太陽光能量的收集、存儲(chǔ)和再發(fā)電的過程。燃料電池輸出特性的測量：通過對(duì)燃料電池輸出伏安特性的測量并記錄，畫出燃料電池的極化曲線，并計(jì)算出燃料電池的效率，從而得到該燃料電池的最大效率和最大輸出功率。質(zhì)子交換膜電解池的特性測量：通過測量輸入電解池的電流和電解輸出氫氣

的體積，計(jì)算氫氣產(chǎn)生率的測量值和理論值。比較不同電壓下的輸入電流。比較氫氣產(chǎn)生的測量值及理論值。太陽能電池的特性測量：在一定的光照條件下，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測量輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系，得到太陽能電池的伏安特性曲線。得到該太陽能電池的開路電壓uoc，短路電流Isc，最大輸出功率pm，最大工作電壓Um，最大工作電流Im，填充因子FF。SCm1、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(fù)載電阻的大小，測量輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系，如圖3所示，稱為燃料電池的極化特性曲線。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(dòng)勢為1.48伏。實(shí)際燃料的能量不可能全部轉(zhuǎn)換成電能，例如總有一部分能量轉(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(dòng)勢。隨著電流從零增大，輸出電壓有一段下降較快，主要是因?yàn)殡姌O表面的反應(yīng)速度有限，有電流輸出時(shí)，電極表面的帶電狀態(tài)改變，驅(qū)動(dòng)電子輸出陽極或輸入陰極時(shí)，產(chǎn)生的部分電壓會(huì)被損耗掉，這一段被稱為電化學(xué)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(shí)，電極表面的反應(yīng)物濃度下降，使輸出電壓迅速降低，這一段被稱為濃差極化區(qū)。燃料電池的效率為:(4)門=^＜出x100%電池1.48(4)輸出電壓越高，轉(zhuǎn)換效率越高，這是因?yàn)槿剂系南牧颗c輸出電量成正比，而輸出能量為輸出電量與電壓的乘積。某一輸出電流時(shí)燃料電池的輸出功率相當(dāng)于圖3中虛線圍出的矩形區(qū)，在使用燃料電池時(shí)，應(yīng)根據(jù)極化曲線，兼顧效率與輸出功率，選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載匹配。改變負(fù)載電阻的大小，測量輸出電流電壓值，并計(jì)算輸出功率，記入表1中。表1燃料電池輸出特性的測量溫度=°C壓力=1個(gè)大氣壓輸出電流I(mA)輸出電壓U(V)功率P=UXI(mW)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。該燃料電池的最大效率是多少？最大輸出功率是多少？2、質(zhì)子交換膜電解池的特性測量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(shí)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:(5)門=148X100%輸入(5)輸入電壓較低時(shí)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。若電解器產(chǎn)生的氫氣保持在1個(gè)大氣壓，電解電流為I，經(jīng)過時(shí)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：(6)匕氣=2Fx(6)式中F=eN=9.65X104庫侖/摩爾為法拉第常數(shù)，e=1.602X10-19庫侖為電子電量，N=6.022X1023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升為氣體的摩爾體積。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：V水=2FX18cm3=9.33Itx10-5cm3（7）應(yīng)當(dāng)指出，（6），（7）式的計(jì)算對(duì)燃料電池同樣適用，只是其中的I代表燃料電池輸出電流，V氫氣代表氫氣消耗量，V水代表電池中水的生成量。改變加在電解池上的輸入電壓（改變太陽能電池的光照條件或改變光源到太陽能電池的距離），測量輸入電流及產(chǎn)生一定體積的氣體的時(shí)間，記入表2中。表2電解池的特性測量輸入電壓（V）輸入電流I（A）時(shí)間t（秒）電量It（庫侖）氫氣產(chǎn)生量測量值（升）氫氣產(chǎn)生量