燃料电池综合实验

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1、燃料电池综合实验1.23实验目的:了解燃料电池的工作原理测量S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测量太阳能电池的特性，作出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。实验原理:质子交换膜燃料电池（如上阁）在常温下工作，其基本结构如阁1所示。H前广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.05^0.lniin,它提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过。膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.2~0.5nini，导电性能良好，其上的微孔提供气

2、体进入催化层的通道，又称为扩散层。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氢离子以水合质子H+（nH20）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：02+4II++4e=2II20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：

3、2H2+02=2H20二.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，可在阁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2H20=02+4H^4eo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=H2o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

4、极必须被水淹没。三.太阳能电池N势垒电场方向1土土jf-土土土空间电荷区P图2半导体P-N结示意图太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结，图2为P-N结示意图。P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结吋，Ng的电子（带负电）向P区扩散，P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的

5、电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子一空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。实验仪器:測试仪太阳能电池气水塔仪器的构成如上图所示。燃料电池，电解池，太阳能电池的原理见实验原理部分。实验内容一.燃料电池输出持性的测量连接好电路，在一定温度与气压下，改变负载电附大小，测量输出电压与输出电流之间的关系。燃料电池的效率为：u输出1.48

6、*100%输出电压越高，转换效率越高改变负载电阻大小，测y:输出电压电流值。二.质子交换膜电解池的特性测量电解器的效率为：1.48r

7、=———*100%U输出根据法拉第电解定律，电解生成物与输入电fi成正比。若电解器产生的氢气保持在1个大气压，电解电压为I，经过t时间产生氢气体积的理论值为：It、气=3■升式中F=eN=9.65*104库伦/摩尔为法拉第常数。由于水的分子量为18,且每克水的体积为lcm3,故电解池消耗的水的体积为V水=^：*18cm3=9.33/t*10_5ctm3改变加在电解池上的输入电压，测量输入电流以及产生一定体积的气体的时间。一.太阳能电池的特性测量在一定的光照

8、条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量输出电压与输出电流的关系。-.燃料电池输出特性的测量温度=15°C压强=1个大气压电解电流=300mA输出电压U/V0.900.850.800.750.700.650.600.550.500.45输岀电流1/mA3.811.526.852.181.2106.4122.5134.7143.0150.0功率P/mW3.929.792.4439.0856.8469.1673.574.971.567