燃料电池综合特性实验报告Word格式.docx
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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)
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。
实验仪器:
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。
3、质子交换膜
质子交换膜必需含有足够的水分,才能保证质子的传导。
但水含量又不能过高,否则电极被水淹没,水阻塞气体通道,燃料不能传导到质子交换膜参与反应。
如何保持良好的水平衡关系是燃料电池设计的重要课题。
为保持水平衡,我们的电池正常工作时排水口打开,在电解电流不变时,燃料供应量是恒定的。
若负载选择不当,电池输出电流太小,未参加反应的气体从排水口泄漏,燃料利用率及效率都低。
在适当选择负载时,燃料利用率约为90%。
4、气水塔
气水塔为电解池提供纯水(2次蒸馏水),可分别储存电解池产生的氢气和氧气,为燃料电池提供燃料气体。
每个气水塔都是上下两层结构,上下层之间通过插入下层的连通管连接,下层顶部有一输气管连接到燃料电池。
初始时,下层近似充满水,电解池工作时,产生的气体会汇聚在下层顶部,通过输气管输出。
若关闭输气管开关,气体产生的压力会使水从下层进入上层,而将气体储存在下层的顶部,通过管壁上的刻度可知储存气体的体积。
两个气水塔之间还有一个水连通管,加水时打开使两塔水位平衡,实验时切记关闭该连通管。
风扇作为定性观察时的负载,可变负载作为定量测量时的负载。
5、测试仪
测试仪面板如上图所示。
测试仪可测量电流,电压。
若不用太阳能电池作电解池的电源,可从测试仪供电输出端口向电解池供电。
实验前需预热15分钟。
区域1——电流表部分:
做为一个独立的电流表使用。
其中:
两个档位:
2A档和200mA档,可通过电流档位切换开关选择合适的电流档位测量电流。
两个测量通道:
电流测量Ⅰ和电流测量Ⅱ。
通过电流测量切换键可以同时测量两条通道的电流。
区域2——电压表部分:
做为一个独立的电压表使用。
共有两个档位:
20V档和2V档,可通过电压档位切换开关选择合适的电压档位测量电压。
区域3——恒流源部分:
为燃料电池的电解池部分提供一个从0~350mA的可变恒流源。
三、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:
(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:
(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:
(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:
(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
输入电流I(A)
输入电压(V)
时间t(秒)
电量It(库仑)
氢气产生量
测量值(升)
理论值
0.10
0.20
0.30
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。
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:
(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。
表2燃料电池输出特性的测量电解电流=mA
输出电压U(V)
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
输出电流I(mA)
功率P=U×
I(mW)
作出所测燃料电池的极化曲线。
作出该电池输出功率随输出电压的变化曲线。
该燃料电池最大输出功率是多少?
最大输出功率时对应的效率是多少?
实验完毕,关闭燃料电池与气水塔之间的氢气氧气连接开关,切断电解池输入电源。
【注意事项】
1.使用前应首先详细阅读说明书。
2.该实验系统必须使用去离子水或二次蒸馏水,容器必须清洁干净,否则将损坏系统。
3.PEM电解池的最高工作电压为6V,最大输入电流为1000mA,否则将极大地伤害PEM电解池。
4.PEM电解池所加的电源极性必须正确,,否则将毁坏电解池并有起火燃烧的可能。
5.绝不允许将任何电源加于PEM燃料电池输出端,否则将损坏燃料电池。
6.气水塔中所加入的水面高度必须在上水位线与下水位线之间,以保证PEM燃料电池正常工作。
7.该系统主体系有机玻璃制成,使用中需小心,以免打坏和损伤。
8.太阳能电池板和配套光源在工作时温度很高,切不可用手触摸,以免被烫伤。
9.绝不允许用水打湿太阳能电池板和配套光源,以免触电和损坏该部件。
10.配套“可变负载”所能承受的最大功率是1W,只能使用于该实验系统中。
11.电流表的输入电流不得超过2A,否则将烧毁电流表。
12.电压表的最高输入电压不得超过25V,否则将烧毁电压表。
13.实验时必须关闭两个气水塔之间的连通管。
四、实验数据记录表格:
压强:
1009.0hpa
温度:
24.5℃
1电解池特性测量
测量值(升)
理论值
1.90
420
42.0
0.005
0.0053
1.96
206
41.2
0.0054
2.01
140
2燃
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