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燃料電池綜合特性實驗儀
實驗指導及操作說明書
成都世紀中科儀器****
位址：成都市人民南路四段9號中科院成都分院郵編：610041
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**；燃料電池綜合特性實驗儀
燃料電池以氫和氧為燃料，通過電化學反應直接產生電力，能量轉換效率高於燃燒燃料的熱機。燃料電池的反應生成物為水，對環境無汙染，單位體積氫的儲能密度遠高於現有的其它電池。因此它的應用從最早的宇航等特殊領域，到現在人們積極研究將其應用到電動汽車，手機電池等日常生活的各個方面，各國都投入巨資進行研發。
2023年，英國人格羅夫（w. r . grove）發明了燃料電池，歷經近兩百年，在材料，結構，工藝不斷改進之後，進入了實用階段。
按燃料電池使用的電解質或燃料型別，可將現在和近期可行的燃料電池分為鹼性燃料電池，質子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池，磷酸燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池6種主要型別，本實驗研究其中的質子交換膜燃料電池。
燃料電池的燃料氫（反應所需的氧可從空氣中獲得）可電解水獲得，也可由礦物或生物原料轉化製成。本實驗包含太陽能電池發電（光能－電能轉換），電解水製取氫氣（電能－氫能轉換），燃料電池發電（氫能－電能轉換）幾個環節，形成了完整的能量轉換，儲存，使用的鏈條。實驗內含物理內容豐富，實驗內容緊密結合科技發展熱點與實際應用，實驗過程環保清潔。
能源為人類社會發展提供動力，長期依賴礦物能源使我們面臨環境汙染之害，資源枯竭之困。為了人類社會的持續健康發展，各國都致力於研究開發新型能源。未來的能源系統中，太陽能將作為主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然氣，而燃料電池將成為取代汽油，柴油和化學電池的清潔能源。
實驗目的
1、 了解燃料電池的工作原理
2、 觀察儀器的能量轉換過程：
光能→太陽能電池→電能→電解池→氫能(能量儲存)→燃料電池→電能
3、 測量燃料電池輸出特性，作出所測燃料電池的伏安特性（極化）曲線，電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線。計算燃料電池的最大輸出功率及效率
4、 測量質子交換膜電解池的特性，驗證法拉第電解定律
5、 測量太陽能電池的特性，作出所測太陽能電池的伏安特性曲線，電池輸出功率隨輸出電壓的變化曲線。獲取太陽能電池的開路電壓，短路電流，最大輸出功率，填充因子等特性引數
實驗原理
1、 燃料電池
質子交換膜（pem，proton exchange membrane）燃料電池在常溫下工作，具有啟動快速，結構緊湊的優點，最適宜作汽車或其它可移動裝置的電源，近年來發展很快，其基本結構如圖1所示。
目前廣泛採用的全氟璜酸質子交換膜為固體聚合物薄膜，厚度0.05~0.1mm，它提供氫離子（質子）從陽極到達陰極的通道，而電子或氣體不能通過。
催化層是將奈米量級的的鉑粒子用化學或物理的方法附著在質子交換膜表面，厚度約0.03mm，對陽極氫的氧化和陰極氧的還原起催化作用。
膜兩邊的陽極和陰極由石墨化的碳紙或碳布做成，厚度0.2~0.5mm，導電性能良好，其上的微孔提供氣體進入催化層的通道，又稱為擴散層。
商品燃料電池為了提供足夠的輸出電壓和功率，需將若干單體電池串連或併聯在一起，流場板一般由導電良好的石墨或金屬做成，與單體電池的陽極和陰極形成良好的電接觸，稱為雙極板，其上加工有供氣體流通的通道。教學用燃料電池為直觀起見，採用有機玻璃做流場板。
進入陽極的氫氣通過電極上的擴散層到達質子交換膜。氫分子在陽極催化劑的作用下解離為2個氫離子，即質子，並釋放出2個電子，陽極反應為：
h2 = 2h++2e1）
氫離子以水合質子h+（nh2o）的形式，在質子交換膜中從乙個璜酸基轉移到另乙個璜酸基，最後到達陰極，實現質子導電，質子的這種轉移導致陽極帶負電。
在電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極擴散層到達陰極催化層，在陰極催化層的作用下，氧與氫離子和電子反應生成水，陰極反應為：
o2+4h++4e = 2h2o2）
陰極反應使陰極缺少電子而帶正電，結果在陰陽極間產生電壓，在陰陽極間接通外電路，就可以向負載輸出電能。總的化學反應如下：
2h2＋o2 = 2h2o3）
（陰極與陽極：在電化學中，失去電子的反應叫氧化，得到電子的反應叫還原。產生氧化反應的電極是陽極，產生還原反應的電極是陰極。對電池而言，陰極是電的正極，陽極是電的負極。）
2、水的電解
將水電解產生氫氣和氧氣，與燃料電池中氫氣和氧氣反應生成水互為逆過程。
水電解裝置同樣因電解質的不同而各異，鹼性溶液和質子交換膜是最好的電解質。若以質子交換膜為電解質，可在圖1右邊電極接電源正極形成電解的陽極，在其上產生氧化反應2h2o = o2+4h++4e。左邊電極接電源負極形成電解的陰極，陽極產生的氫離子通過質子交換膜到達陰極後，產生還原反應2h++2e = h2。
即在右邊電極析出氧，左邊電極析出氫。
作燃料電池或作電解器的電極在製造上通常有些差別，燃料電池的電極應利於氣體吸納，而電解器需要盡快排出氣體。燃料電池陰極產生的水應隨時排出，以免阻塞氣體通道，而電解器的陽極必須被水淹沒。
3、太陽能電池
太陽能電池利用半導體p-n結受光照射時的光伏效應發電，太陽能電池的基本結構就是乙個大面積平面p-n結，圖2為p-n結示意圖。
p型半導體中有相當數量的空穴，幾乎沒有自由電子。n型半導體中有相當數量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導體結合在一起形成p-n結時，n區的電子（帶負電）向p區擴散， p區的空穴（帶正電）向n區擴散，在p-n結附近形成空間電荷區與勢壘電場。
勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過p-n結的淨電流為零。在空間電荷區內，p區的空穴被來自n區的電子復合，n 區的電子被來自p區的空穴復合，使該區內幾乎沒有能導電的載流子，又稱為結區或耗盡區。
當光電池受光照射時，部分電子被激發而產生電子－空穴對，在結區激發的電子和空穴分別被勢壘電場推向n區和p區，使n區有過量的電子而帶負電，p區有過量的空穴而帶正電，p-n結兩端形成電壓，這就是光伏效應，若將p-n結兩端接入外電路，就可向負載輸出電能。
儀器介紹
儀器的構成如圖3所示。
圖3 燃料電池綜合實驗儀
燃料電池，電解池，太陽能電池的原理見實驗原理部分。
質子交換膜必需含有足夠的水分，才能保證質子的傳導。但水含量又不能過高，否則電極被水淹沒，水阻塞氣體通道，燃料不能傳導到質子交換膜參與反應。如何保持良好的水平衡關係是燃料電池設計的重要課題。
為保持水平衡，我們的電池正常工作時排水口開啟，在電解電流不變時，燃料**量是恆定的。若負載選擇不當，電池輸出電流太小，未參加反應的氣體從排水口洩漏，燃料利用率及效率都低。在適當選擇負載時，燃料利用率約為90％。
氣水塔為電解池提供純水（2次蒸餾水），可分別儲存電解池產生的氫氣和氧氣，為燃料電池提供燃料氣體。每個氣水塔都是上下兩層結構，上下層之間通過插入下層的連通管連線，下層頂部有一輸氣管連線到燃料電池。初始時，下層近似充滿水，電解池工作時，產生的氣體會匯聚在下層頂部，通過輸氣管輸出。
若關閉輸氣管開關，氣體產生的壓力會使水從下層進入上層，而將氣體儲存在下層的頂部，通過管壁上的刻度可知儲存氣體的體積。兩個氣水塔之間還有乙個水連通管，加水時開啟使兩塔水位平衡，實驗時切記關閉該連通管。
風扇作為定性觀察時的負載，可變負載作為定量測量時的負載。
測試儀面板如圖4所示。測試儀可測量電流，電壓。若不用太陽能電池作電解池的電源，可從測試儀供電輸出埠向電解池供電。實驗前需預熱15分鐘。
如圖4所示為燃料電池實驗儀系統的測試儀前面板圖。
區域1——電流錶部分：做為乙個獨立的電流錶使用。其中：
兩個檔位：2a檔和200ma檔，可通過電流檔位切換開關選擇合適的電流檔位測量電流。
兩個測量通道：電流測量ⅰ和電流測量ⅱ。通過電流測量切換鍵可以同時測量兩條通道的電流。
區域2——電壓表部分：做為乙個獨立的電壓表使用。共有兩個檔位：20v檔和2v檔，可通過電壓檔位切換開關選擇合適的電壓檔位測量電壓。
區域3——恆流源部分：為燃料電池的電解池部分提供乙個從0～350ma的可變恆流源。
實驗內容與步驟
1、質子交換膜電解池的特性測量
理論分析表明，若不考慮電解器的能量損失，在電解器上加1.48伏電壓就可使水分解為氫氣和氧氣，實際由於各種損失，輸入電壓高於1.6伏電解器才開始工作。
電解器的效率為：
4）輸入電壓較低時雖然能量利用率較高，但電流小，電解的速率低，通常使電解器輸入電壓在2伏左右。
根據法拉第電解定律，電解生成物的量與輸入電量成正比。在標準狀態下（溫度為零 c，電解器產生的氫氣保持在1個大氣壓），設電解電流為i，經過時間t生產的氫氣體積（氧氣體積為氫氣體積的一半）的理論值為：
5）式中f = e n = 9.65×104 庫侖/摩爾為法拉第常數，e = 1.602×10-19庫侖為電子電量，n = 6.
022×1023為阿伏伽德羅常數，it/2f為產生的氫分子的摩爾（克分子）數，22.4公升為標準狀態下氣體的摩爾體積。
若實驗時的攝氏溫度為t，所在地區氣壓為p，根據理想氣體狀態方程，可對（5）式作修正：
6）式中p0為標準大氣壓。自然環境中，大氣壓受各種因素的影響，如溫度和海拔高度等，其中海拔對大氣壓的影響最為明顯.由國家標準gb4797.
2-2005可查到，海拔每公升高1000公尺，大氣壓下降約10％。
由於水的分子量為18，且每克水的體積為1cm3，故電解池消耗的水的體積為：
7）應當指出，（6），（7）式的計算對燃料電池同樣適用，只是其中的i代表燃料電池輸出電流，v氫氣代表燃料消耗量，v水代表電池中水的生成量。
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