OUC燃料电池综合实验.doc

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April, 2013

燃料电池综合实验
王忠成，宋鹏，吴宝兰
中国海洋大学，海洋地球科学学院，地球信息科学与技术专业，山东省 青岛市 26610

摘 要： 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电机。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他电池。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，实验过程清洁环保。
关键词： 空气热机； 卡诺定理；实际效率
中图法分类号： xxx 文献标志码： A 文章编号： 1672-5174(xxxx)xx-xxx-xx
1 实验原理
（1） 燃料电池
在电池的两极一端通入氢气另一端通入氧气，通入氢气的一端在催化剂的作用下解离为两个氢离子，即质子，并释放出两个电子，阳极反应为：
O2=2H++2e （1）
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。
（2） 2水的电解
将水电解生成氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气的反应生成水互为逆过程。电源正极形成电解的阳极，在其上产生的反应为2H2O=O2+4H++4e。电源负极形成点解的阴极，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。
（3） 太阳能电池
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结时，N区的电子（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－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。
2、 实验内容及实验步骤
（1） 质子交换膜电解池的特性测量
确认水塔水位在水位上限和下限之间，将测试仪的电压输出端串联电流表后接入电解池，将电压表并连接入电解池两端。
将气水塔输气管止水夹关闭，调解恒流源输出到最大（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，排除气水塔下层的空气。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的大小，调解恒流源的输出电流，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
输入电流I（A）
输入电压（V）
时间t（秒）
电量IT（库伦）
氢气产生量测量值（升）
氢气产生量理论值（升）
0.10

0.20

0.30

（2） 燃料电池输出特性的测量
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氧气、氢气连接开关，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。可变负载调到最大，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，使输出电压值如标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。
负载电阻猛然调的很低时，电流会猛然升的很高，甚至超过点解电流值，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，每次调解减小电阻0.5Ω，输出电流高于240mA后，每次调解减小电阻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。
表2 燃料电池输出特性的测量
输出电压U（V）

0.90
0.85
0.80
0.75
0.70

输出电流I（mA）
0

功率P=UF×I(mA)
0

（3） 太阳能电池的特性测量
将电流测量端口与可变负载串联后接入太阳能电池的输出端，将电压表并联到太阳能电池两端。
保持光照条件不变，改变太阳能电池负载的大小，测量输出电压电流值，并计算输出功率，记入表3中。
表3 太阳能电池输出特性的测量
输出电压U（V）

输出电流I（mA）

功率P=UF×I(mA)

3、 实验结果及结论
表1 电解池特性测量
Table 1 the electrolytic cell characteristics measurement
输入电流I（A）
输入电压（V）
时间t（秒）
电量IT（库伦）
氢气产生量测量值（升）
氢气产生量理论值（升）
误差百分比
0.10
1.96
183
18.3
0.003
0.0021
30%
0.20
2.06
181
36.2
0.005
0.0042
16%
0.30
2.12
138
41.4
0.005
0.0048
4%

表2 燃料电池输出特性的测量
Measurement table 2 fuel cell output characteristics
输出电压U（V）
0
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
输出电流I（mA）
0
3.8
23.1
62.0
151.9
230
266
功率P=U×I(mA)
0
3.42
19.635
49.6
113.925
161
172.9
输出电压U（V）
0.060
0.30
0.20
0.092
0.065
0.038
0.010
输出电流I（mA）
267
269
271
269
270
270
270
功率P=U×I(mA)
16.02
80.7
54.2
24.748
17.55
10.26
2.7

图1 燃料电池输出特性的测量
Measurement of 1 fuel cell output characteristics

表3 太阳能电池输出特性的测量
Measurement table 3 solar cell output characteristics
输出电压U（V）
0.49
1.01
1.49
2
2.49
2.68
2.78
2.84
3.03
2.9
2.95
3.1
3.12
输出电流I（mA）
433
433
434
434
420
386
350
317
159
262
221
71
33
功率P=UF×I(mA)
212.17
437.33
646.66
868
1045.8
1034.48
973
900.28
481.77
759.8
651.95
220.1
102.96

结论
（1） 由表1知，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，验证了卡诺订立；
（2） 燃料电池在极化区和弄差极化区电压随电流变化很快，在欧姆极化区电压随时间变化较平缓；
（3） 在光照一定的条件下，太阳能电池中电流随电压变化趋势为：电压小于最大工作电压Um 时，电流变化较平缓，电压大于Um 时，电流下降迅速。

参考文献：
[1] 秦允豪。普通物理学教程电磁学[M]，第2版。北京，高等教育出版社，2011：1-390.
[2] 中国海洋大学物理实验教学中心.大学物理综合设计实验（补充讲义），2011：9-26
[3] 百度百科，法拉第定律

[4] 百度文库，燃料电池综合实验报告

[5] 肖钢.燃料电池技术 北京，电子工业出版社，2009-01-01 ：13-26

Comprehensive Experiment of Fuel Cell
Abstract: the fuel cell with hydrogen and oxygen as fuel to generate electricity, directly through the electrochemical reaction, electric energy conversion efficiency is higher than the fuel combustion. The reactant fuel cell is water, no pollution to environment, the unit volume of hydrogen storage density is far higher than other existing battery. Fuel hydrogen fuel cell (needed for the reaction of oxygen can be obtained from the air) can be obtained by electrolysis of water, can also be mineral or biomass conversion. This experiment contains solar power (light - electricity conversion), hydrogen (electrolytic water producing electricity - hydrogen energy conversion), fuel cell power generation (hydrogen energy and electrical energy conversion) several links, forming a complete energy conversion, storage, use of chain. The experiment includes physical content is rich, the combination of science and technology development hot spots and practical application, the experimental process of clean.

Keywords: air Kano theorem; the actual efficiency of heat engine