燃料电池综合特性实验
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燃料电池综合特性实验
一、概述 1.新能源的定义
新能源又称非常规能源。
是指传统能源之外的各种能源形式。
指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源,如太阳能、地热能、风能、海洋能、氢能、生物质能和核聚变能等。
2.太阳能
太阳能一般指太阳光的辐射能量。
太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。
广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,化学能,水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。
利用太阳能的方法主要有:太阳电能池,通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能;太阳能热水器,利用太阳光的热量加热水,并利用热水发电等。
本实验将测量太阳能电池下述特性:
(1)测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流(I SC )、开路电压(U OC )、最大输出功率及填充因子FF[(
m P )
(oc sc m
U I P )]。
填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
(2)光照效应:
a)测量短路电流I SC 和输出功率P 之间关系,画出I SC 与P 之间的关系图。
b)测量开路电压U OC 和输出功率P 之间的关系,画出U OC 与输出功率P 之间的关系图。
3.燃料电池
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。
燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。
它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。
燃料电池十分复杂,涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学
科的有关理论,具有发电效率高、环境污染少等优点。
总的来说,燃料电池具有以下特点:
(1)能量转化效率高:它直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限
制。
目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%~60%,
而火力发电和核电的效率大约在30%~40%。
(2)有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低,CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低,无机械振动。
(3)燃料适用范围广。
(4)积木化强:规模及安装地点灵活,燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率可根据需要由电池堆组装,十分方便。
燃料电池无论作为集中电站还是分布式电,或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。
(5)负荷响应快,运行质量高:燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率,而且电厂离负荷可以很近,从而改善了地区频率偏移和电压波动,降低了现有变电设备和电流载波容量,减少了输变线路投资和线路损失。
1839年英国的Grove发明了燃料电池,并用这种以铂黑(Platinum black )为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。
1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这
一名称,并获得200mA/m 2
电流密度。
由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上,燃料电池
的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展,英国 剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。
60年代,这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。
从60年代开始,氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域,同时,兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。
从80年代开始,各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。
当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。
依据电解质的不同,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。
燃料电池不受卡诺循环限制,能量转换效率高,洁净、无污染、噪声低,模块结构、积木性强、比功率高,既可以集中供电,也适合分散供电。
二、实验目的
1、了解太阳能电池的工作原理。
2、测量太阳能电池的伏安特性曲线、开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子等特性参
数。
3、了解质子交换膜电解池(PEMWE)的工作原理。
4、了解质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理。
5、测量燃料电池的伏安特性曲线、开路电压、短路电流、最大输出功率以及转化效率。
6、观察能量转换过程:
光能→太阳能电池→电能→电解池→氢能→燃料电池→电能
三、实验原理
1、光生伏特效应
常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结,如图1所示,它的工作原理的核心是光生伏特效应。
光生伏特效应是半导体材料的一种通性。
当光照射到一块非均匀半导体上时,由于内建电场的作用,在半导体材料内部会产生电动势。
如果构成适当的回路就会产生电流。
这种电流叫做光生电流,这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。
非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体,pn结是典型的一个例子。
N型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结。
pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。
制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。
杂质分布可能是线性分布的,也可能是存在突变的,pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。
不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。
图1 Si pn结太阳能电池结构示意
根据半导体物理学的基本原理我们知道,处于热平衡态的一个pn结结构由p区、n区和两者交界区域构成。
为了维持统一的费米能级,p区内空穴向n区扩散,n区内空穴向p区扩散。
这种载流子的运动导致原来的电中性条件被破坏,p区积累了带有负电的不可动电离受主,n区积累了不可能
电离施主。
载流子扩散运动的结果导致p区负电,n区带正电,在界面附近区域形成由n区指向p 区的内建电场和相应的空间电荷区。
显然,两者费米能级的不统一是导致电子空穴扩散的原因,电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场。
而内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度,内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用。
当两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相等,p区和n区两端产生一个高度为qV D的势垒。
理想pn结模型下,处于热平衡的pn结空间电荷区没有载流子,也没有载流子的产生与复合作用。
如图2所示,当有入射光垂直入射到pn结,只要pn结结深比较浅,入射光子会透过pn结区域甚至能深入半导体内部。
如果如何光子能量满足关系hν≥E g(E g为半导体材料的禁带宽度),那么这些光子会被材料本征吸收,在pn结中产生电子孔穴对。
光照条件下材料体内产生电子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。
光生载流子对p区空穴和n区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的,可以忽略不计。
但是对少数载流子将产生显著影响,如p区电子和n区空穴。
在均匀半导体中光照射下也会产生电子空穴对,它们很快又会通过各种复合机制复合。
在pn结中情况有所不同,主要原因是存在内建电场。
内建电场的驱动下p区光生少子电子向n区运动,n区光生少子空穴向p 区运动。
这种作用有两方面的体现,第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流,这就是光生电流,它由电子电流和空穴电流组成,方向都是由n区指向p区,与内建电场方向一致;第二,光生少子的定向运动与扩散运动方向相反,减弱了扩散运动的强度,pn结势垒高度降低,甚至会完全消失。
宏观的效果是在pn结两端产生电动势,也就是光生电动势。
图2 太阳能电池等效电路
上述的分析我们发现光照射pn结会使得pn结势垒高度降低甚至消失,这个作用完全等价于在pn结两端施加正向电压。
这种情况下的pn结就是一个光电池。
开路下pn结两端的电压叫做开路电压V oc,闭路下这种pn结等价于一个电源,对应的电流I sc称为闭路电流。
光生伏特效应是太阳能电池的核心原理,它的机制就是光能转化为电能,开路电压和闭路电流是两个基本的参数。
图2中E C 为半导体电带,E V为半导体价电带。
2、太阳能电池光照情况下的电流电压关系(光特性)
光生少子在内建电场驱动下定向的运动在PN结内部产生了n区指向p区的光生电流I L,光生电动势等价于加载在pn结上的正向电压V,它使得PN结势垒高度降低qV D-qV。
开路情况下光生电流与正向电流相等时,pn结处于稳态,两端具有稳定的电势差V OC,这就是太阳能电池的开路电压V oc。
如图3所示,在闭路情况下,光照作用下会有电流流过pn结,显然pn结相当于一个电源。
图3 光辐照下的pn结
光电流I L 在负载上产生电压降,这个电压降可以使pn 结正偏。
如图3所示,正偏电压产生正偏
电流I F 。
在反偏情况下,pn 结电流为:
)]1[exp(
0--=-=T
k eV
I I I I I S L F L (1) 随着二极管正偏,空间电荷区的电场变弱,但是不可能变为零或者反偏。
光电流总是反向电流,因此太阳能电池的电流总是反向的。
根据图3的等效电路图。
有两种极端情况是在太阳能电池光特性分析中必须考虑的。
其一是负载电阻R L =0,这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零,pn 结处于短路状态,此时光电池输出电流我们称为短路电流或者闭路电流I sc 。
I=I SC =I L (2)
其二是负载电阻∞→L R ,外电路处于开路状态。
流过负载电阻电流为零,根据等效电路图3,光电流正好被正向结电流抵消,光电池两端电压V oc 就是所谓的开路电压。
显然有
)]1[exp(
00--==T
k eV
I I I S L (3) 得到开路电路电压V OC 为
1ln(0S
L OC I I
e T k V +=
(4) 开路电压V oc 和闭路电路I sc 是光电池的两个重要参数。
这两个参数通过确定一定光照下太阳能电池IV 特性曲线与电流、电压轴的截距得到。
不难理解,随着光照强度增大,太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大。
但是随光强变化的规律不同,闭路电路I sc 正比于入射光强度,开路电压V oc 随着入射光强度对数式增大,从半导体物理基本理论不难得到这个结论。
此外,从太阳能电池的工作原理考虑,开路电压V oc 不会随着入射光强度增大而无限增大的,它的最大值是使得pn 结势垒为零时的电压值。
换句话说太阳能电池的最大光生电压为pn 结的势垒高度V D ,是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。
实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。
3、太阳能电池的效率
图4 太阳能电池最大功率
太阳能电池从本质上说一个能量转化器件,它把光能转化为电能。
因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的。
根据热力学原理,我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题,实际发生的能量转化过程效率不可能是100%。
就太阳能电池而言,我们需要知道转化效率和哪些因素有关,如
何提高太阳能电池的效率,最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。
太阳能电池的转换效率η定义为输出电能P m 和入射光能P in 的比值:
%100%100⨯=⨯=
in
m m in m p V
I p p η (5) 4、质子交换膜燃料电池(PEMFC )的工作原理
燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程,其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉.
罗泊特.
格鲁夫(William Robert Grove)提出,他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。
一个半世纪以来,燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外,极少受到人们关注。
只是到近十几年来,随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强,燃料电池才开始得到重视和发展。
质子交换膜燃料电池(PEMFC ,Proton Exchange Membrane Fuel Cell )技术是目前世界上最成熟
的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术,其工作原理如图5所示:
图5 质子交换膜燃料电池工作原理
(1)氢气通过管道到达阳极,在阳极催化剂作用下,氢分子解离为带正电的氢离子(即质子)并释放出带负电的电子。
H 2 = 2H ++2e (6)
(2)氢离子穿过质子交换膜到达阴极;电子则通过外电路到达阴极。
电子在外电路形成电流,通过适当连接可向负载输出电能。
(3)在电池另一端,氧气通过管道到达阴极;在阴极催化剂作用下,氧与氢离子及电子发生反应生成水 。
O 2+4H ++4e = 2H 2O (7)
总的反应方程式: 2 H 2 +O 2 = 2H 2O (8)
燃料电池有多种,各种燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同。
质子交换膜燃料电池以质
子交换膜为电解质,其特点是工作温度低(约70-800C),启动速度快,特别适于用作动力电池。
电池内化学反应温度一般不超过800C,故称为“冷燃烧”。
质子交换膜燃料电池的的核心是一种三合一热压组合体,包括一块质子交换膜和两块涂覆了贵金属催化剂铂(Pt)的碳纤维纸。
由上述原理可知,在质子交换膜燃料电池中,阳极和阴极之间有一极薄的质子交换膜,H+离子从阳极通过这层膜到达阴极,并且在阴极与O2原子结合生成水分子H2O。
当质子交换膜的湿润状况良好时,由于电池的内阻低,燃料电池的输出电压高,负载能力强。
反之,当质子交换膜的湿润状况变坏时,电池的内阻变大,燃料电池的输出电压下降,负载能力降低。
在大的负荷下,燃料电池内部的电流密度增加,电化学反应加强,燃料电池阴极侧水的生成也相应增多。
此时,如不及时排水,阴极将会被淹,正常的电化学反应被破坏,致使燃料电池失效。
由此可见,保持电池内部适当湿度,并及时排出阴极侧多余的水,是确保质子交换膜电池稳定运行及延长工作寿命的重要手段。
因此,解决好质子交换膜燃料电池内的湿度调节及电池阴极侧的排水控制,是研究大功率、高性能质子交换膜燃料电池系统的重要课题。
燃料电池性能关键是膜电极的制作和电池水/热平衡控制技术。
前者决定着电池的性能,后者则关系到电池能否稳定运行。
5、质子交换膜电解池(PEMWE, Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer)
同燃料电池一样,水电解装置因电解质的不同而各异,碱性溶液和质子交换膜是最常见的电解质,图6为质子交换膜电解池原理图。
质子交换膜电解池的核心是一块涂覆了贵金属催化剂铂(Pt)的质子交换膜和两块钛网电极。
电解池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,其具体工作原理如下:
(1)外加电源向电解池阳极施加直流电压,水在阳极发生电解,生成氢离子、电子和氧,氧从水分子中分离出来生成氧气,从氧气通道溢出。
2H2O= O2+4H++4e (9)
(2)电子通过外电路从电解池阳极流动到电解池阴极,氢离子透过聚合物膜从电解池阳极转移到电解池阴极,在阴极还原成氢分子,从氢气通道中溢出,完成整个电解过程。
2H++2e = H2(10)
总的反应方程式:2H2O= 2 H2 +O2(11)
图6质子交换膜电解池工作原理
四、实验仪器
DH-FUC新能源电池综合特性测试仪由测试仪、太阳能电池测试架、燃料电池测试架、负载电阻以及专用连接线等组成。
图7新能源电池综合特性测试仪
1、新能源电池综合特性测试仪
测试仪由电流表、电压表以及恒流源组成,主要技术参数如下:
(1)电流表: 2A 和 200mA 两档, 三位半数显。
(2)电压表: 20V 和 2V 两档,三位半数显。
(3)恒流源: 0~500mA,三位半数显。
图8 测试仪面板
2、太阳能电池测试架
图9太阳能电池测试架
主要技术参数如下:
(1)太阳能电池参数:18V/5W,短路电流0.3A。
(2)卤钨灯光源功率:300W,位置上下可调,改变光强。
3、燃料电池测试架
1,4. 短接插 2.风扇 3.排气口胶塞 5.燃料电池正极 6.储水储气罐7.连接管8.电解池正极
9. 电解池电源输入正极10.电解池电源输入负极11.保险丝座 12. 电解池 13.燃料电池
图10燃料电池测试架
主要技术参数如下:
(1)燃料电池功率: 50~100mW;
(2)燃料电池输出电压: 500~1000mV;
(3)电解池工作状态:电压: < 7.5V, 电流:< 500mA;
(4)电机风扇负载:最大功率100mW;
4、电阻负载
图11 ZX21S电阻箱
表1:电阻箱技术参数
步进盘(Ω) 0.1 1 10 100 1000 精度 (%) 2% 0.5% 5% 5% 5%
额定电流(A) 1.5 0.5 0.5 0.15 0.03 注意: 不要超过电阻箱的额定工作电流,以免烧坏电阻元件。
五、实验内容与步骤
1、太阳能电池的特性测量
1.1、在一定的光照条件下,按图12所示进行太阳能电池伏安特性测量。
图12 太阳能电池伏安特性测试电路
保持光照条件不变,改变太阳能电池的负载电阻R 的大小,记录太阳能电池的输出电压U 和输出电流I ,填入下表2中,并计算输出功率P : 表2:
电压U (V) 电流I (mA) P=U ×I (mW)
图13为太阳能电池伏安特性曲线,U oc 为开路电压,I sc 为短路电流,图中阴影面积为太阳能电池的最大输出功率矩形P m ,P m 对应的最大工作电压为U m ,最大工作电流为I m 。
图13 太阳能电池伏安特性曲线
1.2、太阳能电池的填充因子FF 定义为:
sc
oc m m sc oc m I U I
U I U P FF ==
(12)
填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数,它的值越高,表明太阳能电池输出特性越趋近于矩形,电池的光电转换效率就越高。
根据表1数据,绘制太阳能电池的伏安特性曲线。
根据表1数据,求出该太阳能电池的开路电压U oc ,短路电流I sc 分别是多少?
根据表1数据,求出该太阳能电池的最大输出功率P m 是多少?最大工作电压U m ,最大工作电流I m 是多少?
根据表1数据,求出该太阳能电池的填充因子FF 是多少? 表3: 需要测量的参数
U oc (V ) I sc (mA)
U m (V)
I m (mA)
P m (mW)
FF
2、质子交换膜电解池的特性测量
水的理论分解电压为U 0=1.23V ,如果不考虑电解器的能量损失,在电解器上加1.23伏电压就可使水分解为氢气和氧气,实际由于各种损失,输入电压在U in =(1.5~2)U 0时电解器才能开始工作。
电解器的效率定义为:
%10023
.1⨯=
in
U η (13) 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(1个标准大气压P 0,温度为零摄氏度),设电解电流为I ,经过时间t 产生的氢气和氧气体积的理论值为:
L F It
V H 4.2222⨯=
(14) 2122.422O It V F
=⨯L (15)
式中: 法拉第常数F=e×NA= 9.648×104
C/mol; 元电荷e = 1.602×10-19 C ;
阿伏伽德罗常数NA = 6.022×1023 mol -1; It/2F 为产生的气体分子的摩尔数; 22.4L 为标准状态下气体的摩尔体积;
由于1mol 水为18g ,通过密度可知其体积为18mL ,故电解池消耗的水的体积为:
L It mL F
It
V O H 810328.91822-⨯=⨯=
(16) 由理想气体状态方程,对(14)(15)式进行修正得:
2027322.42732H P T It
V L P F +=
⋅⋅⨯ (17) 20127322.422732O P T It
V L P F
+=
⋅⋅⨯ (18) 式中:T 实验室摄氏温度,P 为所在地区大气压强,P 0为标准大气压。
由于电解池的内阻随着温度的上升会有所变化,刚通电时,电解池内阻较大,随着电流的增加,电解池开始工作,内阻随之减小,最后慢慢达到稳定值。
由于本实验仪采用恒流电源给电解池提供电源,为了保证电解池上最终压降小于7.5V,在给电解池供电时,必须先把电流调节电位器调到最小,用电压表监测电解池上的压降,然后缓慢增加电解电流,使电解池工作稳定,稳定后电解电流和电解池上的压降将维持不变。
3、 燃料电池的特性测量
3.1、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,即PEMFC 的静态特性,如图14所示。
该特性曲线分为三个区域:活化极化区(又称电化学极化区)、欧姆极化区和浓差极化区,燃料电池正常工作在欧姆极化区。
空载时,燃料电池输出电压为其平衡电位,在实际工作工程中,由于有电流流过,电极的电位会偏离平衡电位,实际电位与平衡电位的差称作过电位,燃料电池的过电位主要包括:活化过电位、欧姆过电位、浓差过电位。
这样,PEMFC 的输出电压可以表示为:
com ohm act r V V υυυ---= (19)
其中,V 为燃料电池输出电压,V r 为燃料电池理论电动势,act υ、ohm υ、com υ分别为活化过电位、欧姆过电位、浓差过电位。
图14 燃料电池静态特性曲线
(1)理论电动势
理论电动势是指标准状态下燃料电池的可逆电动势,与外接负载无关,其公认值为1.229V。
(2)活化过电位
活化过电位主要由电极表面的反应速度过慢导致。
在驱动电子传输到或传输出电极的化学反应时,产生的部分电压会被损耗掉。
活化过电位分为阴极活化过电位和阳极活化过电位。
(3)欧姆过电位
这种过电位是克服电子通过电极材料以及各种连接部件,离子通过电子质的阻力引起的。
(4)浓差过电位
浓差过电位主要是由电极表面反应物的压强发生变化而导致的,而电极表面压强的变化主要是由电流的变化引起的。
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。
3.2、考虑内部电流的影响
尽管质子交换膜具有导通质子的特性,但是同时也具有微弱的导通电子的特性,这就等效于半导体中少数载流子导电的特性。
从化学反应的角度来解释就是,少量燃料通过电解质直接从阳极扩散到阴极直接与氧气反应,从而不向外部提供电流。
因此,即使当燃料电池空载时,其内部也存在微弱的电流,虽然在能量损失上可以忽略,但是在低温燃料电池中,当燃料电池开路时,它会导致非常大的电压压降。
3.3、测量燃料电池的输出特性
(1) 把测试仪的恒流输出连接到电解池供电输入端,断开燃料电池输出和风扇的连接(拔开短接插),把电流调节电位器打到最小,打开燃料电池下部的排气口胶塞。
(2) 开启电源,缓慢调节电流调节电位器,使恒流输出大概在150mA,预热10分钟。
(3) 把电解池电解电流调到420mA,使电解池快速产生氢气和氧气,排出储水储气管(gas & water tank)的空气,等待10分钟,确保电池中燃料的浓度达到平衡值,此时用电压表测量燃料电池的开路输出电压将会恒定不变。
(4) 先把电阻箱的阻值打到最大,参照图12,连接燃料电池、电压表、电流表以及电阻箱,测量燃料电池的输出特性。
电压表量程选择2V,电流表量程选择200mA。
(5) 改变负载电阻箱,记录燃料电池的输出电压和输出电流,记入表4中;注意在负载调节过程中,依次减小电阻值,不可突变;当电阻较小时,每0.1欧姆测量一次,避免短路。
表4:燃料电池的输出特性数据 负载电阻R (Ω) ∞ 9999.9 7999.95999.93999.91999.9999.9 899.9 输出电压U (V ) 输出电流I (mA ) 输出功率P (mW ) 负载电阻R (Ω) 799.9 699.9 599.9 499.9 399.9 299.9 199.9 99.9
输出电压U (V ) 输出电流I (mA ) 输出功率P (mW ) 负载电阻R (Ω) 89.9 79.9 69.9 59.9 49.9 39.9 29.9 19.9
输出电压U (V ) 输出电流I (mA ) 输出功率P (mW ) 负载电阻R (Ω) 9.9 8.9 7.9 6.9 5.9 4.9 4.5 3.0
输出电压U (V ) 输出电流I (mA ) 输出功率P (mW ) 负载电阻R (Ω) 2.5 2 1.8 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2
输出电压U (V ) 输出电流I (mA ) 输出功率P (mW ) 负载电阻R (Ω) 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
输出电压U (V ) 输出电流I (mA ) 输出功率P (mW )
(6)根据表3数据,作出燃料电池静态特性曲线。
(7)根据表3数据,作出燃料电池输出功率和输出电压之间的关系曲线。
3.4、测量燃料电池系统效率
电解池产生氢氧燃料的体积与输入电解电流大小成正比,而氢氧燃料进入燃料电池后将产生电压和电流,若不考虑电解器的能量损失,燃料电池效率可以定义为:
100%1.23
FUC FUC
WE I U I η⋅=
⨯⋅ (20)
式(20)中:I FUC ,U FUC 分别为燃料电池的输出电流和输出电压; I WE 为水电解器电解电流; 燃料电池的最大效率定义为: max
max 100%1.23
WE P I η=
⨯⋅ (21)
式(21)中:P max 为燃料电池的最大输出功率;
根据表3数据,计算燃料电池输出功率最大时对应的效率。
3.5、实验完毕后,先切断电解池电源,让燃料电池带负载工作一段时间,消耗剩余的燃料,然后将燃料电池下部的排气口用胶塞塞上。