燃料电池效率的验证.doc

实验题目：氢氧燃料电池的输出特性测量
实验目的：
1、 了解燃料电池的基本工作原理和特点；
2、 熟悉燃料电池输出特性以及影响其性能的主要因素；
3、 掌握化学电源基本性能的测试方法。
实验仪器：
质子交换膜燃料电池，氢气和氧气储槽，燃料电池性能测试系统，直流稳压电源，变阻器，电动机，开关，导线等。
实验原理：
燃料电池是一种能量转换装置。它可以按电化学原理，等温地把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。如图1所示，对于氢氧燃料电池，在其阳极（负极）上，氢气发生氧化反应，失去电子变成氢离子：
（1）
在阴极（正极）上，氧气发生还原反应，得到电子，并与氢离子结合生成水：
（2）
燃料电池的总反应为：
（3）
即氢气与氧气发生反应生成了水。

氢气
氧气
水
负载
阳极
阴极
电解质

图1 燃料电池工作原理示意图
值得注意的是，氢气和氧气通过燃料电池所发生的反应，与常规的氢气在氧气中发生的直接氧化（例如燃烧）反应的过程大不一样。在燃料电池中氢气与氧气并不直接接触，反应是必须通过阴极、阳极以及二者之间的电解质进行。在反应的过程中，在阳极由氢释放的电子会通过外电路负载流到阴极；氢离子则通过具有氢离子（质子）导电性的聚合物薄膜（PEM）扩散到阴极。
燃料电池与常规的化学电池（例如锰锌干电池、铅酸蓄电池、锂离子电池等）不同，它的燃料（例如氢气）和氧化剂（例如氧气）并不储存在电极中，而是储存在电池以外的储罐中，在其工作期间，需要不断向电池中输入燃料和氧化剂，同时排放反应产物。因此，从工作方式上看，燃料电池更像常规的汽油或柴油发电机。
燃料电池的主要特点：
（1）高效率
在燃料电池工作的过程中，化学能直接转变成了电能，并不经过常规燃料燃烧方法发电所经历的燃烧释放热能供给热机做功，再把机械功转变为电能的复杂过程。由于燃料电池发电不必经历热机过程，所以也就不受卡诺循环的效率限制，因此燃料电池具有很高的效率，其理论效率高达85%以上，即使在受到各种极化限制的情况下，其能量转化效率仍然可以达40%~60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可以高达80%以上。
（2）环境友好
由于燃料电池的能量转化效率很高，因此即使使用由矿物燃料转化得到的富氢气体为燃料进行发电，排放的温室气体量也要少于传统的火力发电。如果使用氢气作为燃料，反应产物是非常洁净的水，完全没有污染。由于燃料电池的发电过程无需经历高温燃烧过程，因此避免了会导致空气污染的氮氧化物的产生。
（3）安静
燃料电池发电是按电化学原理工作的，运动部件极少，因此工作时非常安静，噪声很低。
燃料电池有很多种。最常用的分类方法是按照电池所采用的电解质进行分类，可以分为：（1）碱性燃料电池，一般以氢氧化钾为电解质；（2）磷酸型燃料电池，以浓磷酸为电解质；（3）质子交换膜燃料电池，以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质；（4）熔融碳酸盐燃料电池，以熔融状态的锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质；（5）固体氧化物燃料电池，以稳定氧化锆等固体氧化物离子导体作为电解质。
燃料电池有许多应用。例如，以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池在20世纪60年代已成功应用于载人航天飞行，作为Appollo登月飞船和航天飞机的主电源，证明了燃料电池高效率、高比能量和高可靠性。磷酸型燃料电池已经作为分布式电站被采用。质子交换膜燃料电池在最近十几年里已经被成功开发成电动车和潜艇的动力源。以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池已经被开发成笔记本电脑的电源。固体氧化物燃料电池已经被用于和蒸汽轮机组成高效率的联合发电系统，并被开发为卡车和飞机的辅助电源单元（APU），以及家用热电联供系统等。
燃料电池的电动势由燃料氧化反应的吉布斯自由能变化量DG决定：
（4）
式中，n为反应转移的电子数，F是法拉第常数（F=96493C）。燃料电池的理论效率，定义为吉布斯自由能变化量与反应的焓变的比值：
（5）

对于有多种气体参与的燃料电池电化学反应，电池的电动势由Nernst方程决定：
（6）
式中，称为电池标准电动势，它仅为温度的函数，而与反应物浓度、压力等因素无关。pi是参与反应的气体分压；vi是反应的计量系数，对反应物取负值，对产物取正值。
当燃料电池实际运行并输出电能时，输出的电量与燃料和氧化剂的消耗服从法拉第定律，即燃料与氧化剂在电池内的消耗量Dm与电池输出的电量Q成正比：
（7）
在燃料电池放电时，电池的电压会从电流密度为0的静态电势Es（开路电压，但不一定等于电动势）下降为实际的路端电压U，其值是电化学反应速度（电流密度i=I/A）的函数。开路电压Es与放电时的路端电压U的差值，Es-U=h，称为极化过电位，这种电极电位偏离平衡态值的现象称为电极的极化。燃料电池中的极化主要有三种类型：（1）电化学活化极化；（2）欧姆极化；（3）浓差极化。其中，活化过极化过电位与电流密度之间近似服从Tafel关系：
（8）
欧姆极化过电位与电流密度之间服从欧姆定律：
（9）
而浓差极化过电位（也称扩散过电位）与电流密度满足方程：
（10）
由于活化过极化电位与浓差极化过电位与电流密度之间都呈非线性的关系，因此，实际电池（包括燃料电池）的放电曲线通常都不是严格的直线。

图2 仪器面板图

仪器说明：
燃料电池测试主机面板如图2 所示，主要在两种模式下工作：“电解制氢”和“电池放电”（见仪器面板右下角选择开关）。
在“电解制氢”模式下有两种电解电源：“恒流电解”和“太阳电池”（见仪器面板下面中间选择开关）。其中，恒流电解时电解电流可调（“电解电流”旋钮，电源为恒流源或称稳流电源）。
电压表和电流表：在“电解制氢”模式下，显示电解电压和电流；“电池放电”模式下，显示电池放电工作电压和电流。电压单位：V 伏特；电流单位：mA 毫安（忽略小数点）。

实验内容：
（1）将储气罐排空；
（2）电解水制取氢气和氧气（电解电流控制在200 毫安左右）
A. 燃料电池的阳极接稳流电源的负极，阴极接稳流电源的正极，打开开关，调节稳流电源输出（转动“电解电流”旋钮），记录具体电流值，进行水的电解。
B. 由液槽上直接读到的是氢气和氧气气体毫升数刻度，记录初始刻度后开始计时，直至产生到15毫升氢气时止，停止电解，同时也读取产生氧气量。
（3）燃料电池的性能测试
A. 负载两端接电阻箱最边缘两端子。
B. 以储槽中的氢气和氧气作为气源，首先记录下燃料电池的开路电压（即电阻无穷大）。然后，接通电路让燃料电池工作。调整负载电阻，记录不同负载电阻条件下的路端电压和负载电流。电阻变化范围为5～95 欧姆，共测量10 点的电流电压值。
C. 绘制燃料电池放电的伏安特性曲线，计算输出功率，绘制功率-电流曲线，确定最大输出功率对应的电流值。
（4）回到“电解制氢”模式下，选“太阳电池”供电，点亮卤素灯，观察主机面板电流表，调节其照射距离、角度及高度， 电流值最大即最佳照射。记下电流值，及起始终止气体刻度。最佳照射下电解3min。（如时间允许，有兴趣同学可参看扩展内容：光电池伏-安特性的测量）。
（5）燃料电池驱动实际负载
把直流电动机和电流表串联，作为燃料电池的负载。记录下储槽的水位和开路电压后，接通电路，记录燃料电池通过直流电动机负载放电过程中的路端电压和负载电流，每隔半分钟记录一次数据，连续进行实10min的实验，然后记录下气体储槽的水位。计算在放电过程中消耗的氢气和氧气的量，结合所记录的电压、电流数据，进而计算燃料利用效率。

扩展内容：

1．光电池伏-安特性的测量

光电池也称为太阳电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为之光伏发电系统。它具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染等优点。世界上第一块实用型半导体太阳电池是美国贝尔实验室于1954年研制的。经过人们40多年的努力，太阳电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。目前，太阳电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源。随着太阳电池制造成本的不断降低，太阳能光伏发电将逐步地部分替代常规发电。近年来，在美国和日本等发达国家，太阳能光伏发电已进入城市电网。从地球上化石燃料资源的渐趋耗竭和大量使用化石燃料必将使人类生态环境污染日趋严重的战略观点出发，世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电技术十分重视，将其摆在可再生能源开发利用的首位。因此，太阳能光伏发电有望成为21世纪的重要新能源。有专家预言，在21世纪中叶，太阳能光伏发电将占世界总发电量的15% ~ 20%，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有一定的地位。
【实验目的】
a) 了解太阳电池的工作原理及其应用；
b) 测量太阳电池的伏–安特性曲线。
【实验原理】
a) 太阳电池的结构
图2 晶体硅太阳电池的结构示意图
以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图2所示。晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作。一般采用n+/p同质结的结构，如在约10 cm×10 cm面积的p型硅片（厚度约500 µm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3 µm）的经过重参杂的n型层。然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极。在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极。这样就形成了晶体硅太阳电池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。

b) 光伏效应

当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg ，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对。那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场。这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区。同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区。结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区。如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势。这一现象称为光伏效应（Photovoltaic Effect, 缩写为PV）。

c) 太阳电池的表征参数

太阳电池的工作原理是基于光伏效应。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Iph。同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流I为

（1）

式中VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的。n称为理想系数（n值），是表示pn结特性的参数，通常在1~2之间。q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为温度。
如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为

（2）

当太阳电池的输出端短路时，V = 0（VD ≈ 0），由（2）式可得到短路电流

（3）

即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。当太阳电池的输出端开路时，I = 0，由（2）和（3）式可得到开路电压

（4）

当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏–安特性曲线如图3所示。负载R可以从零到无穷大。当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm为

（5）

式中Im 和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压。将Voc与Isc的成积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则

（6）

FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高。FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。

图3 太阳电池的伏–安特性曲线
太阳电池的转换效率h 定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即

（7）

d) 太阳电池的等效电路

太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图4所示，该电路为太阳电池的等效电路。由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为

（8）

为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh。

图4 太阳电池的等效电路
【实验内容】
a) 将太阳能光伏组件，数字万用表，负载电阻通过接线板连接成回路，改变负载电阻R（100Ω，1kΩ，10kΩ），测量流经负载的电流I和负载上的电压 V，即可得到该光伏组件的伏–安特性曲线。测量过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不变，以保证整个测量过程是在相同光照强度下进行的。
b) 用坐标纸或计算机绘图软件画出不同条件下：
（1） 光伏组件的伏–安特性曲线；
（2） 光伏组件的输出功率P随负载电压 V的变化；
（3） 光伏组件的输出功率P随负载电阻R 的变化。确定不同条件下光伏组件的短路电流Isc，开路电压Voc，最大功率Pm，最佳工作电流Im、工作电压Vm及负载电阻Rm，填充因子FF，并将这些实验数据列在同一表格内进行比较。
【注意事项】
1．辐射光源的温度较高，应避免与灯罩接触。
2．辐射光源的供电电压为220V，应小心触电。