燃料电池的综合特性

实验题目：燃料电池的综合特性

实验目的：

1)了解燃料电池的工作原理

2)观察仪器的能量转换过程：光能→太阳能电池→电能→电解池→氢能(能量储存)→燃料电池→电能

3)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

4)测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律

5)测量太阳能电池的特性，作出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。

获取太阳能电池的开路电压，短路电流，最大输出功率，填充因子等特性参数

实验原理：

1、燃料电池

质子交换膜（PEM，Proton Exchange Membrane）燃料电池其基本结构如图1所示。

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。

催化层对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用。

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）

燃料电池的填充因子：

FF=U m I m U oc I sc

燃料电池的效率：

η

电池=

I

电池

I

电解

×

U

出

1.48

×100%=

P

出

1.48×I

电解

×100%

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

N

势垒电场方向 空间电荷区 P

图2 半导体P-N 结示意图

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2H 2O = O 2+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 = H 2。即在右边电极析出氧，左边电极析出氢。

T=0℃时，产生氢气的理论值：

V H 2

=It 2F

×22.4 L 其中F 为法拉第常数：F

=eN =9.65×104 C/mol

温度为T ，压强为P 时（P 。为标准大气压，h 每升高1000米，大气压下降约10％）

V H 2=

273.16+T 273.16×

P 0P

×

It 2F

×22.4 L ( 4 )

电解池消耗水的体积：

V 水=

It 2F

×18 cm 3=9.33 It ×10−5 cm 3 ( 5 )

电解器的效率：η=

1.48

U 输入

×100

（4）（5）对燃料电池同样适用，I 代表燃料电池输出电流，V H 2

：燃料消耗量，V 水：电池中水的生成量。

2、 太阳能电池

太阳能电池利用半导体P-N 结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N 结，图2为P-N 结示意图。

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。

实验仪器：测试仪，可变负载，燃料电池，电解池，太阳能电池。仪器的构成如上图所示。

实验步骤：

1)电解池的特性测量：调节输入电流为0.10A，0.20A，0.30A，测量对应的输入电压，产生一定量氢气

所需时间，并记录数据。

2)电解池的特性测量：保持电解电流为300mA，测量开路电压；调节负载电阻，改变输出电压，测量对

应输出电流，并记录数据。

3)太阳能电池的特性测量：保持光强不变，调节负载电阻，改变输出电压，测量对应输出电流，并记录

数据。

4)综合实验：由太阳能电池供电，测量其输出电压电流，并测量燃料电池的输出电压电流，改变负载电

阻，重复操作三次，记录数据。

5)整理实验仪器。

数据处理与误差分析：

一电解池的特性测量

实验数据及处理如下：

在误差允许范围内：4.0

31.9

≈ 2.0

16.5

≈ 2.0

16.1

=0.125即H2产生量与电量成正比。

由上表可以看出H2产生量的理论值与测量值接近，且不管I、U的大小，H2的产生量只与电量成正比，由此即验证了法拉第定律。

二燃料电池的特性测量

实验所得数据及处理如下：

电解电流= 300 mA 开路电压= 0.97 V

利用origin软件作图：