PEM燃料电池效率和特性的研究
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表4.2
t/min:s v/ml 225 200 175 150 125 100 75 50 t=540s 25 25 25 25 0:00 9:05 0:00 9:07 0:00 8:57 0:00 8:51 U=0.75V
U/V 0.75 0.75 0.75 0.73 0.75 0.75 0.75 0.74 I=0.35A
24
I=2.01A
表3.2
U=1.83A
v/ml 0 25 50 75 100 125 150 175 t/min:s 0:00 1:42 3:24 5:07 6:49 8:34 10:15 12:03 t/s 0 102 204 307 409 514 615 723
25
根据 就可以算出电解的效率。 就可以算出电解的效率。
PEM燃料电池效率和特性的研究 PEM燃料电池效率和特性的研究
1
目录
实验目的 实验仪器 实验原理与计算 实验步骤 总结
2
实验目的
绘制水的电解特性曲线。 绘制水的电解特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 测量水的电解效率。 测量水的电解效率。 测量燃料电池的效率。
3
实验仪器
6
图二：
7
电解过程中发生的反应如下： 电解过程中发生的反应如下：
阳极
2H2O → 4e + 4H + O2
4 H + 4e → 2 H 2
2 H 2O → 2 H + O2
8
−
+
阴极
+
−
总反应
2
图三：
9
图四：
10
燃料电池中发生的反应如下: 燃料电池中发生的反应如下
阳极
2 H 2 → 4 H + + 4e −
17
实验步骤
1. 电解特性曲线的绘制 向储水池注满水， 向储水池注满水，高度在最高和最低的标记之 连接线路。 间.按图1连接线路。设置最高电压为 。在实验过程中 按 连接线路 设置最高电压为2V。 ，电流值有可能超过最大电流值２A.大约 分钟，电流 分钟， 电流值有可能超过最大电流值２ 大约1分钟 和电压开始变得稳定. 和电压开始变得稳定 逐渐降低稳恒电源上的电流。在这个过程中， 逐渐降低稳恒电源上的电流。在这个过程中，稳 定的电流和电压有利于快速的电解。 定的电流和电压有利于快速的电解。 在记录数据时，要等待大约1分钟 分钟， 在记录数据时，要等待大约 分钟，直到电流和电压值 变的稳定。记录多组电流、电压值，作出特性曲线。 变的稳定。记录多组电流、电压值，作出特性曲线。参考 图9.
它们之间的区别就在于水的摩尔气化焓q. 它们之间的区别就在于水的摩尔气化焓
Ho=Hu+q
电解的效率很大程度上依赖于操作的条件， 电解的效率很大程度上依赖于操作的条件，如果时 间不是足够长的话，那么在2v时的电流值可能要比 间不是足够长的话，那么在 时的电流值可能要比 表上显示的更小；在操作了一段时间之后， 表上显示的更小；在操作了一段时间之后，电流就 会慢慢变大，甚至会超过4A。 会慢慢变大，甚至会超过 。
阴极
4e − + 4 H + + O2 → 2 H 2O
总反应
2 H 2 + O2 → 2 H 2O
11
燃料电池内部的氢与氧进行化学反应，生成水的过程， 燃料电池内部的氢与氧进行化学反应，生成水的过程， 同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。 同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。 燃料电池在阳极除供应氢气外， 燃料电池在阳极除供应氢气外，同时还收集氢质子 ＋），释放电子 （H＋），释放电子；在阴极通过负载捕获电子产生 ＋），释放电子； 电能。质子交换膜的功能只是允许质子H＋通过， 电能。质子交换膜的功能只是允许质子 ＋通过，并 与阴极中的氧结合产生水。 与阴极中的氧结合产生水。 为了计算电解和燃料电池的效率， 为了计算电解和燃料电池的效率，通过下面的表达式 可以计算出产生的电能和化学能， 可以计算出产生的电能和化学能，
实验条件 效率（ ） 效率（Ho） 效率(Hu) 效率
I=0.65A,U=0.66V p=992hPa,T=295 K I=0.35A,U=0.75V p=998hPa,T=296 K
42%
49%
48%
57%
29
谢谢！
燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半 叶内燃机所起的作用。 --------------- 美国矿物能源部长助理克.西格尔 燃料电池必会给汽车动力带来一场革命. ------------福特汽车公司主管PNGV经理 鲍伯 ..默尔
15
2
PEM燃料电池的特性. 燃料电池的特性
表二：
R 无穷大 28R/ 25 20 15 10 7 5 4 3 2 1 0.83 0.67 0.40 0.37
组合 =10+10+5+2+1 =10+10+5 =10+10 =10+5 =5+2 =2+2 =2+1
U/V 0.93 0.83 0.82 0.81 0.80 0.79 0.78 0.76 0.75 0.74 0.72 0.68 0.67 0.63 0.62 0.61
PEM电解槽 电解槽 PEM燃料电池 燃料电池 电阻 气压计 烧杯 万用表 秒表
4
图 图一： 一
5
实验原理与计算
燃料电池是用一种特定的燃料， 燃料电池是用一种特定的燃料，通过一种质子交换 膜（PEMProtonExchangeMembrane）和催化层 ） （CLCatalystLayer）而产生电流的一种装置，这 ）而产生电流的一种装置， 种电池只要外界源源不断地供应燃料（ 种电池只要外界源源不断地供应燃料（例如氢气或 甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理， ），就可以提供持续电能 甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理，是 利用一种叫质子交换膜的技术， 利用一种叫质子交换膜的技术，使氢气在覆盖有催 化剂的质子交换膜作用下， 化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解 成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极， 成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在 氢气的分解过程中释放出电子， 氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引 出到阴极，这样就产生了电能。 出到阴极，这样就产生了电能。
例：仅供参考
18
2
燃料电池特性曲线
为了作出燃料电池特新曲线，获的足够的 气体的方法是直接和电接早解槽连接．不 过，就像测量效率一样，从 气瓶里获得 气体也是可性的。按图3连接。按表2变换 不同的电阻。记录电流，电压值，做出特 性曲线。图10
例：仅供参考
19
3
电解效率
连接线路。 按图5连接线路。向储水池注满水，要超过气体检测 连接线路 向储水池注满水， 此时应抬高管子以便水能够充满。 线，此时应抬高管子以便水能够充满。设置稳恒电源 的电流在1A左右 电解以2： 的比例产生 左右。 的电流在 左右。电解以 ：1的比例产生 和 。产 的体积为时间t的函数 的函数。 生 的体积为时间 的函数。当盛有氢气的圆筒漏斗 的水经过最低标记时开始计时。 的水经过最低标记时开始计时。测量整个电解过程中 的电流和电压值。 的电流和电压值。测量室内温度和气压值
表3.4
p=984hPa
T=294K 效率
工作条件 I=1.02A U=1.71V I=2.01A U=1.83A 82% 78%
26
4
电池特性ml 标注/ml 标注 225 200 175 150 125 100 75 50 25 25 25 25
t/min:s 0:00 4:42
30
）
U/V 0.68 0.66 0.67 0.66 0.67 0.65 0.67 0.65 I=0.65A
I/A 0.67 0.65 0.66 0.64 0.65 0.64 0.65 0.63
0:00 4:47
0:00 4:57 0:00 4:42 U=0.66V
t=287s
27
负载电阻为2 负载电阻为
例：仅供参考
21
图五：
22
图六：
23
3
电解效率的研究 I=1.02A 表3.1 U=1.71V
v/ml 0 25 50 75 100 125 150 175
t/min:s 0:00 3:27 6:50 10:18 13:42 17:08 20:40 24:16
t/s 0 207 410 618 822 1028 1240 1456
I/A 0.00 0.02 0.03 0.04 0.05 0.97 0.11 0.14 0.18 0.24 0.35 0.71 0.71 1.10 1.30 1.40
16
=1//5 =1//1 =1//1//2 =1//1//2//5
从图中可以看出电流较大时，特性曲线呈现的是线性规律。 从图中可以看出电流较大时，特性曲线呈现的是线性规律。这时如 果所作曲线不是线性的，则说明燃料电池的氢气和氧气不足。 果所作曲线不是线性的，则说明燃料电池的氢气和氧气不足。
Wel = U ⋅ I ⋅ t
其中， 电压 电流 其中， U:电压， ， t:时间， n:氢气的摩尔数， 电压， I:电流 电流， 时间 时间， 氢气的摩尔数， 氢气的摩尔数 H:氢气的摩尔反应焓 氢气的摩尔反应焓
12
氢气的摩尔反应焓有两个不同的数值 Hu=242.0KJ/mol , Ho=266.1KJ/mol
例：仅供参考
20
4 燃料电池的效率 为了测量燃料电池的效率，气瓶里的气体越多越好。 为了测量燃料电池的效率，气瓶里的气体越多越好。为 了更方便测得燃料电池的效率，在连接线路的时候， 了更方便测得燃料电池的效率，在连接线路的时候，我 们采取这样的办法，只收集氢气， 们采取这样的办法，只收集氢气，实验时氧气通过直接 电解来获得，并且尽量减小氢气的流量。 电解来获得，并且尽量减小氢气的流量。测量开始和结 束时的电流和电压。 束时的电流和电压。测量室内温度和气压值 参考图6和图4 记录数据参考表4.1 4.2
13
PEM的电解特性曲线的绘制 的电解特性曲线的绘制
表一：
U/V 2.00 1.91 1.81 1.75 1.68 1.61 1.55 1.51 1.40 0.99 0.40
I/A 2.69 2.20 1.50 1.00 0.51 0.21 0.11 0.06 0.03 0.02 0.00
14
根据数值做出特性曲线
I/A 0.35 0.35 0.35 0.34 0.35 0.35 0.35 0.35
28
根据 可以算出燃料电池的效率。 可以算出燃料电池的效率。 需要注意的是，不管是算电解效率还是燃料电池的效率， 需要注意的是，不管是算电解效率还是燃料电池的效率， 之间有如下关系： 对氢气的体积，测量值Vh2 和实际值 对氢气的体积，测量值 和实际值Vcorr 之间有如下关系： 效率 Vcorr=1.02*Vh2 (利用 利用
t/min:s v/ml 225 200 175 150 125 100 75 50 t=540s 25 25 25 25 0:00 9:05 0:00 9:07 0:00 8:57 0:00 8:51 U=0.75V
U/V 0.75 0.75 0.75 0.73 0.75 0.75 0.75 0.74 I=0.35A
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I=2.01A
表3.2
U=1.83A
v/ml 0 25 50 75 100 125 150 175 t/min:s 0:00 1:42 3:24 5:07 6:49 8:34 10:15 12:03 t/s 0 102 204 307 409 514 615 723
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根据 就可以算出电解的效率。 就可以算出电解的效率。
PEM燃料电池效率和特性的研究 PEM燃料电池效率和特性的研究
1
目录
实验目的 实验仪器 实验原理与计算 实验步骤 总结
2
实验目的
绘制水的电解特性曲线。 绘制水的电解特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 测量水的电解效率。 测量水的电解效率。 测量燃料电池的效率。
3
实验仪器
6
图二：
7
电解过程中发生的反应如下： 电解过程中发生的反应如下：
阳极
2H2O → 4e + 4H + O2
4 H + 4e → 2 H 2
2 H 2O → 2 H + O2
8
−
+
阴极
+
−
总反应
2
图三：
9
图四：
10
燃料电池中发生的反应如下: 燃料电池中发生的反应如下
阳极
2 H 2 → 4 H + + 4e −
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实验步骤
1. 电解特性曲线的绘制 向储水池注满水， 向储水池注满水，高度在最高和最低的标记之 连接线路。 间.按图1连接线路。设置最高电压为 。在实验过程中 按 连接线路 设置最高电压为2V。 ，电流值有可能超过最大电流值２A.大约 分钟，电流 分钟， 电流值有可能超过最大电流值２ 大约1分钟 和电压开始变得稳定. 和电压开始变得稳定 逐渐降低稳恒电源上的电流。在这个过程中， 逐渐降低稳恒电源上的电流。在这个过程中，稳 定的电流和电压有利于快速的电解。 定的电流和电压有利于快速的电解。 在记录数据时，要等待大约1分钟 分钟， 在记录数据时，要等待大约 分钟，直到电流和电压值 变的稳定。记录多组电流、电压值，作出特性曲线。 变的稳定。记录多组电流、电压值，作出特性曲线。参考 图9.
它们之间的区别就在于水的摩尔气化焓q. 它们之间的区别就在于水的摩尔气化焓
Ho=Hu+q
电解的效率很大程度上依赖于操作的条件， 电解的效率很大程度上依赖于操作的条件，如果时 间不是足够长的话，那么在2v时的电流值可能要比 间不是足够长的话，那么在 时的电流值可能要比 表上显示的更小；在操作了一段时间之后， 表上显示的更小；在操作了一段时间之后，电流就 会慢慢变大，甚至会超过4A。 会慢慢变大，甚至会超过 。
阴极
4e − + 4 H + + O2 → 2 H 2O
总反应
2 H 2 + O2 → 2 H 2O
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燃料电池内部的氢与氧进行化学反应，生成水的过程， 燃料电池内部的氢与氧进行化学反应，生成水的过程， 同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。 同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。 燃料电池在阳极除供应氢气外， 燃料电池在阳极除供应氢气外，同时还收集氢质子 ＋），释放电子 （H＋），释放电子；在阴极通过负载捕获电子产生 ＋），释放电子； 电能。质子交换膜的功能只是允许质子H＋通过， 电能。质子交换膜的功能只是允许质子 ＋通过，并 与阴极中的氧结合产生水。 与阴极中的氧结合产生水。 为了计算电解和燃料电池的效率， 为了计算电解和燃料电池的效率，通过下面的表达式 可以计算出产生的电能和化学能， 可以计算出产生的电能和化学能，
实验条件 效率（ ） 效率（Ho） 效率(Hu) 效率
I=0.65A,U=0.66V p=992hPa,T=295 K I=0.35A,U=0.75V p=998hPa,T=296 K
42%
49%
48%
57%
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谢谢！
燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半 叶内燃机所起的作用。 --------------- 美国矿物能源部长助理克.西格尔 燃料电池必会给汽车动力带来一场革命. ------------福特汽车公司主管PNGV经理 鲍伯 ..默尔
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PEM燃料电池的特性. 燃料电池的特性
表二：
R 无穷大 28R/ 25 20 15 10 7 5 4 3 2 1 0.83 0.67 0.40 0.37
组合 =10+10+5+2+1 =10+10+5 =10+10 =10+5 =5+2 =2+2 =2+1
U/V 0.93 0.83 0.82 0.81 0.80 0.79 0.78 0.76 0.75 0.74 0.72 0.68 0.67 0.63 0.62 0.61
PEM电解槽 电解槽 PEM燃料电池 燃料电池 电阻 气压计 烧杯 万用表 秒表
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图 图一： 一
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实验原理与计算
燃料电池是用一种特定的燃料， 燃料电池是用一种特定的燃料，通过一种质子交换 膜（PEMProtonExchangeMembrane）和催化层 ） （CLCatalystLayer）而产生电流的一种装置，这 ）而产生电流的一种装置， 种电池只要外界源源不断地供应燃料（ 种电池只要外界源源不断地供应燃料（例如氢气或 甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理， ），就可以提供持续电能 甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理，是 利用一种叫质子交换膜的技术， 利用一种叫质子交换膜的技术，使氢气在覆盖有催 化剂的质子交换膜作用下， 化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解 成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极， 成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在 氢气的分解过程中释放出电子， 氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引 出到阴极，这样就产生了电能。 出到阴极，这样就产生了电能。
例：仅供参考
18
2
燃料电池特性曲线
为了作出燃料电池特新曲线，获的足够的 气体的方法是直接和电接早解槽连接．不 过，就像测量效率一样，从 气瓶里获得 气体也是可性的。按图3连接。按表2变换 不同的电阻。记录电流，电压值，做出特 性曲线。图10
例：仅供参考
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3
电解效率
连接线路。 按图5连接线路。向储水池注满水，要超过气体检测 连接线路 向储水池注满水， 此时应抬高管子以便水能够充满。 线，此时应抬高管子以便水能够充满。设置稳恒电源 的电流在1A左右 电解以2： 的比例产生 左右。 的电流在 左右。电解以 ：1的比例产生 和 。产 的体积为时间t的函数 的函数。 生 的体积为时间 的函数。当盛有氢气的圆筒漏斗 的水经过最低标记时开始计时。 的水经过最低标记时开始计时。测量整个电解过程中 的电流和电压值。 的电流和电压值。测量室内温度和气压值
表3.4
p=984hPa
T=294K 效率
工作条件 I=1.02A U=1.71V I=2.01A U=1.83A 82% 78%
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电池特性ml 标注/ml 标注 225 200 175 150 125 100 75 50 25 25 25 25
t/min:s 0:00 4:42
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）
U/V 0.68 0.66 0.67 0.66 0.67 0.65 0.67 0.65 I=0.65A
I/A 0.67 0.65 0.66 0.64 0.65 0.64 0.65 0.63
0:00 4:47
0:00 4:57 0:00 4:42 U=0.66V
t=287s
27
负载电阻为2 负载电阻为
例：仅供参考
21
图五：
22
图六：
23
3
电解效率的研究 I=1.02A 表3.1 U=1.71V
v/ml 0 25 50 75 100 125 150 175
t/min:s 0:00 3:27 6:50 10:18 13:42 17:08 20:40 24:16
t/s 0 207 410 618 822 1028 1240 1456
I/A 0.00 0.02 0.03 0.04 0.05 0.97 0.11 0.14 0.18 0.24 0.35 0.71 0.71 1.10 1.30 1.40
16
=1//5 =1//1 =1//1//2 =1//1//2//5
从图中可以看出电流较大时，特性曲线呈现的是线性规律。 从图中可以看出电流较大时，特性曲线呈现的是线性规律。这时如 果所作曲线不是线性的，则说明燃料电池的氢气和氧气不足。 果所作曲线不是线性的，则说明燃料电池的氢气和氧气不足。
Wel = U ⋅ I ⋅ t
其中， 电压 电流 其中， U:电压， ， t:时间， n:氢气的摩尔数， 电压， I:电流 电流， 时间 时间， 氢气的摩尔数， 氢气的摩尔数 H:氢气的摩尔反应焓 氢气的摩尔反应焓
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氢气的摩尔反应焓有两个不同的数值 Hu=242.0KJ/mol , Ho=266.1KJ/mol
例：仅供参考
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4 燃料电池的效率 为了测量燃料电池的效率，气瓶里的气体越多越好。 为了测量燃料电池的效率，气瓶里的气体越多越好。为 了更方便测得燃料电池的效率，在连接线路的时候， 了更方便测得燃料电池的效率，在连接线路的时候，我 们采取这样的办法，只收集氢气， 们采取这样的办法，只收集氢气，实验时氧气通过直接 电解来获得，并且尽量减小氢气的流量。 电解来获得，并且尽量减小氢气的流量。测量开始和结 束时的电流和电压。 束时的电流和电压。测量室内温度和气压值 参考图6和图4 记录数据参考表4.1 4.2
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PEM的电解特性曲线的绘制 的电解特性曲线的绘制
表一：
U/V 2.00 1.91 1.81 1.75 1.68 1.61 1.55 1.51 1.40 0.99 0.40
I/A 2.69 2.20 1.50 1.00 0.51 0.21 0.11 0.06 0.03 0.02 0.00
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根据数值做出特性曲线
I/A 0.35 0.35 0.35 0.34 0.35 0.35 0.35 0.35
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根据 可以算出燃料电池的效率。 可以算出燃料电池的效率。 需要注意的是，不管是算电解效率还是燃料电池的效率， 需要注意的是，不管是算电解效率还是燃料电池的效率， 之间有如下关系： 对氢气的体积，测量值Vh2 和实际值 对氢气的体积，测量值 和实际值Vcorr 之间有如下关系： 效率 Vcorr=1.02*Vh2 (利用 利用