燃料电池实验.docx

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燃料电池实验

燃料电池综述

燃料电池以氢和氧为燃料,通过电化学反应直接产生电力,能量转换效率高于燃烧燃料的热机。

燃料电池的反应生成物为水,对环境无污染,单位体积氢的储能密度远高于现有的其它电池。

因此它的应用从最早的宇航等特殊领域,到现在人们积极研究将其应用到电动汽车,手机电池等日常生活的各个方面,各国都投入巨资进行研发。

1839年,英国人格罗夫（W.R.Grove发明了燃料电池,历经近两百年,在材料,结构,工艺不断改进之后,进入了实用阶段。

按燃料电池使用的电解质或燃料类型,可将现在和近期可行的燃料电池分为碱性燃料电池,质子交换膜燃料电池,直接甲醇燃料电池,磷酸燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池,固体氧化物燃料电池6种主要类型,本实验研究其中的质子交换膜燃料电池。

燃料电池的燃料氢（反应所需的氧可从空气中获得可电解水获得,也可由矿物或生物原料转化制成。

本实验包含太阳能电池发电（光能-电能转换,电解水制取氢气（电能-氢能转换,燃料电池发电（氢能-电能转换几个环节,形成了完整的能量转换,储存,使用的链条。

实验内含物理内容丰富,实验内容紧密结合科技发展热点与实际应用,实验过程环保清洁。

能源为人类社会发展提供动力,长期依赖矿物能源使我们面临环境污染之害,资源枯竭之困。

为了人类社会的持续健康发展,各国都致力于研究开发新型能源。

未来的能源系统中,太阳能将作为主要的一次能源替代目前的煤,石油和天然气,而燃料电池将成为取代汽油,柴油和化学电池的清洁能源。

目前在开发、试验、运行的有:

1.磷酸型燃料电池（PAFC

除日本外,目前世界约有60台PAFC发电设备在运转,总输出功率约为4.1万千瓦。

发电效率约为30%~40%,美国已完成基础研究,200千瓦级电厂用电池近期有望商品化,但大容量电厂用电池处于停滞状态。

德国已引进美国200千瓦级电厂用电池进行试验运行。

磷酸型燃料电池的制造厂家目前主要为日本和美国,设备主要销往欧、亚。

2.熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC

日本对MCFC发电系统的技术开发始于1981年度的月光计划,该计划围绕开发1千瓦级发电机组这个目标展开了对MCFC燃料、电极等的开发。

1994年度起开始着手开发1000千瓦级试验工厂。

1995年10月在中部电力（株川越发电所开始建厂,确立了1000千瓦级实用化发电系统试验工厂的基本系统,对现有的事业用燃料电池电厂的运行进行评价,计划1999年开始试验运行。

美国能源部和美国电力研究所,正在积极开发MCFC。

美国ERC公司开发的2兆瓦级内部改质型机组发电系统于1996年5月在圣克拉拉开始试验运行。

MC-power公司开发的250千瓦级外部改质型机组发电系统,1997年2月起在圣迭戈开始试运行。

3.固体电解质型燃料电池（SOFC

电解质型燃料电池目前处于开发初级阶段,美国Allied-signal、SOFCo、Z-tek等公司在开发平板型SOFC上取得进展,目前正对1千瓦级模块进行试运行。

奔驰汽车制造公司在开发陶瓷系列分离器式平板型SOFC上取得进展,1996年对2.2千瓦模块试运行6000小时。

瑞士的萨尔泽尔公司在积极开发家庭用SOFC,目前已开发出1千瓦级模块。

4.固体高分子型燃料电池（PEFC

PEFC主要作为汽车动力电源在开发。

但在汽车上燃料的搭载方式各种各样,有高压氢、液化氢和甲醇等。

这些燃料各具长短,目前还未能确定最适方式。

另外,许多公司还在开发

作为特殊用途的潜水艇及船舶用的动力系统。

燃料电池演示实验

【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（能量储存→燃料电池→电能

3、测量燃料电池输出特性,作出所测燃料电池的伏安特性（极化曲线,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及效率

【实验原理】

1、燃料电池

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1所示。

负载电路

氢气氧气

阳极催化层质子交换膜阴极催化层

图1质子交换膜燃料电池结构示意图

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1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。

【仪器介绍】

仪器的构成如图3所示。

图3燃料电池综合实验仪

【实验内容与步骤】

1、质子交换膜电解池的特性测量

理论分析表明,若不考虑电解器的能量损失,在电解器上加1.48伏电压就可使水分解为氢气和氧气,实际由于各种损失,输入电压高于1.6伏电解器才开始工作。

电解器的效率为:

1.48100%Uη=⨯电解输入（4

输入电压较低时虽然能量利用率较高,但电流小,电解的速率低,通常使电解器输入电压在2伏左右。

根据法拉第电解定律,电解生成物的量与输入电量成正比。

在标准状态下（温度为零︒C,电解器产生的氢气保持在1个大气压,设电解电流为I,经过时间t生产的氢气体积（氧气体积为氢气体积的一半的理论值为:

22.42ItVF

=⨯氢气升（5式中F=eN=9.65×104库仑/摩尔为法拉第常数,e=1.602×10-19库仑为电子电量,N=

6.022×1023为阿伏伽德罗常数,It/2F为产生的氢分子的摩尔（克分子数,22.4升为标准状态下气体的摩尔体积。

若实验时的摄氏温度为T,所在地区气压为P,根据理想气体状态方程,可对（5式作修正:

273.1622.4273.162PTIt

VPF+=⋅⋅⨯氢气升（6

式中P0为标准大气压。

自然环境中,大气压受各种因素的影响,如温度和海拔高度等,

其中海拔对大气压的影响最为明显.由国家标准GB4797.2-2005可查到,海拔每升高1000米,大气压下降约10%。

由于水的分子量为18,且每克水的体积为1cm3,故电解池消耗的水的体积为:

353

189.33102ItVcmItcmF-=⨯=⨯水（7应当指出,（6,（7式的计算对燃料电池同样适用,只是其中的I代表燃料电池输出电流,V氢气代表燃料消耗量,V水代表电池中水的生成量。

确认气水塔水位在水位上限与下限之间。

将测试仪的电压源输出端串连电流表后接入电解池,将电压表并联到电解池两端。

将气水塔输气管止水夹关闭,调节恒流源输出到最大（旋钮顺时针旋转到底,让电解池迅速的产生气体。

当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候,打开气水塔输气管止水夹,排出气水塔下层的空气。

如此反复2~3次后,气水塔下层的空气基本排尽,剩下的就是纯净的氢气和氧气了。

根据表1中的电解池输入电流大小,调节恒流源的输出电流,待电解池输出气体稳定后（约1分钟,关闭气水塔输气管。

测量输入电流,电压及产生一定体积的气体的时间,记入表1中。

表1电解池的特性测量

由（6式计算氢气产生量的理论值。

与氢气产生量的测量值比较。

若不管输入电压与电流大小,氢气产生量只与电量成正比,且测量值与理论值接近,即验证了法拉第定律。

1、燃料电池输出特性的测量

在一定的温度与气体压力下,改变负载

电阻的大小,测量燃料电池的输出电压与输

出电流之间的关系,如图5所示。

电化学家

将其称为极化特性曲线,习惯用电压作纵坐

标,电流作横坐标。

电压

电流

图5燃料电池的极化特性曲线

理论分析表明,如果燃料的所有能量都被转换成电能,则理想电动势为1.48伏。

实际燃料的能量不可能全部转换成电能,例如总有一部分能量转换成热能,少量的燃料分子或电子穿过质子交换膜形成内部短路电流等,故燃料电池的开路电压低于理想电动势。

随着电流从零增大,输出电压有一段下降较快,主要是因为电极表面的反应速度有限,有电流输出时,电极表面的带电状态改变,驱动电子输出阳极或输入阴极时,产生的部分电压会被损耗掉,这一段被称为电化学极化区。

输出电压的线性下降区的电压降,主要是电子通过电极材料及各种连接部件,离子通过电解质的阻力引起的,这种电压降与电流成比例,所以被称为欧姆极化区。

输出电流过大时,燃料供应不足,电极表面的反应物浓度下降,使输出电压迅速降低,而输出电流基本不再增加,这一段被称为浓差极化区。

综合考虑燃料的利用率（恒流供应燃料时可表示为燃料电池电流与电解电流之比及输出电压与理想电动势的差异,燃料电池的效率为:

100%1001.481.48UPIIIη=⋅⨯⨯输出输出电池电池电解电解

=%（8某一输出电流时燃料电池的输出功率相当于图5中虚线围出的矩形区,在使用燃料电池时,应根据伏安特性曲线,选择适当的负载匹配,使效率与输出功率达到最大。

实验时让电解池输入电流保持在300mA,关闭风扇。

将电压测量端口接到燃料电池输出端。

打开燃料电池与气水塔之间的氢气、氧气连接开关,等待约10分钟,让电池中的燃料浓度达到平衡值,电压稳定后记录开路电压值。

将电流量程按钮切换到200mA。

可变负载调至最大,电流测量端口与可变负载串联后接入燃料电池输出端,改变负载电阻的大小,使输出电压值如表2所示（输出电压值可能无法精确到表中所示数值,只需相近即可,稳定后记录电压电流值。

负载电阻猛然调得很低时,电流会猛然升到很高,甚至超过电解电流值,这种情况是不稳定的,重新恢复稳定需较长时间。

为避免出现这种情况,输出电流高于210mA后,每次调节减小电阻0.5Ω,输出电流高于240mA后,每次调节减小电阻0.2Ω,每测量一点的平衡时间稍长一些（约需5分钟。

稳定后记录电压电流值。