文档介绍：燃料电池综合特性实验一、实验目的:了解燃料电池的工作原理观察仪器的能量转换过程:电能→电解池→氢能(能量储存)→燃料电池→电能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测量质子交换膜电解池的特性,验证法拉第电解定律二、实验原理:1、燃料电池质子交换膜燃料电池(如上图)在常温下工作,其基本结构如图1所示。目前广泛采用的全***璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜,~,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,~,导电性能良好,其上的微孔提供气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(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)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。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%。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