质子交换膜燃料电池的综合特性课时：3学时教材：补充讲义简介：燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染地转化为电能的发电装置。由于电池的能量转化过程不受“卡诺循环”限制，转化效率高，所以燃料电池技术被认为是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术，具有清洁、高效、适用性强、能连续工作以及环境友好等特点。燃料电池按照所采用电解质的不同，可以分为5大类：碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，简称AFC）、磷酸型燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，简称PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCell，简称MCFC)、固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称SOFC)、以及质子交换膜型燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，简称PEMFC)。质子交换膜型燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池后开发的第五代燃料电池，与以往的燃料电池相比，质子交换膜型燃料电池具有室温快速启动、密封性能好（无漏液）、低腐蚀性、高比能量和比功率、较简化的系统设计等优点。本实验将以质子交换膜燃料电池为例，借以了解该类燃料电池原理和特性。实验包含太阳能电池发电（光能一电能转换），电解水制取氢气（电能一氢能转换），燃料电池发电（氢能一电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换，储存，使用的链条。实验内含物理内容丰富，实验内容紧密结合科技发展热点与实际应用，实验过程环保清洁，这不仅有助于培养学生的实验能力和严谨的科学精神，而且有助于培养学生的绿色环保意识。实验重点：（1）质子交换膜型燃料电池工作原理（2）测燃料电池的伏安特性（极化）曲线描绘，计算燃料电池的最大输出功率及效率。(3)太阳能电池的伏安特性曲线描绘。难点：（1）燃料电池极化特性测量及数据获取。（2）太阳能电池伏安特性测量及数据记录。教学目的：通过本课程的学习使学生掌握质子交换膜燃料电池结构、工作原理和输出特性。燃料电池作为绿色能源的发展方向之一，本次实验不仅有助于培养学生的实验能力和严谨的科学精神，而且有助于培养学生的绿色环保意识
质子交换膜燃料电池 的综合特性 课时：3学时 教材：补充讲义 简介： 燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染地转化为电能的发电装 置。由于电池的能量转化过程不受“卡诺循环”限制，转化效率高，所以燃料电池技术被认为是继 火电、水电和核电之后的第四代发电技术，具有清洁、高效、适用性强、能连续工作以及环境友好 等特点。燃料电池按照所采用电解质的不同，可以分为5大类：碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，简称AFC)、磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，简称PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池 (Molten Carbonate Fuel Cell，简称MCFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称 SOFC)、以及质子交换膜型燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell，简称PEMFC)。质子交换 膜型燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池后开 发的第五代燃料电池，与以往的燃料电池相比，质子交换膜型燃料电池具有室温快速启动、密封性 能好（无漏液）、低腐蚀性、高比能量和比功率、较简化的系统设计等优点。本实验将以质子交换 膜燃料电池为例，借以了解该类燃料电池原理和特性。实验包含太阳能电池发电（光能－电能转 换），电解水制取氢气（电能－氢能转换），燃料电池发电（氢能－电能转换）几个环节，形成了 完整的能量转换，储存，使用的链条。实验内含物理内容丰富，实验内容紧密结合科技发展热点与 实际应用，实验过程环保清洁，这不仅有助于培养学生的实验能力和严谨的科学精神，而且有助于 培养学生的绿色环保意识。 实验重点： (1)质子交换膜型燃料电池工作原理 (2)测燃料电池的伏安特性（极化）曲线描绘，计算燃料电池的最大输出功率及效率。 (3)太阳能电池的伏安特性曲线描绘。 难点： （1）燃料电池极化特性测量及数据获取。 （2）太阳能电池伏安特性测量及数据记录。 教学目的： 通过本课程的学习使学生掌握质子交换膜燃料电池结构、工作原理和输出特性。燃料电池作为 绿色能源的发展方向之一，本次实验不仅有助于培养学生的实验能力和严谨的科学精神，而且有助 于培养学生的绿色环保意识
教学方法：讲授法、讨论法和直观演示法实验要求：在规定课时内学生独立完成实验，数据记录客观真实，图表清晰规范，养成良好的实验习惯，课前预习，课后撰写实验报告。实验仪器：ZKY-RLDC燃料电池综合试验仪和秒表仪器的构成如图3所示，主要由测试仪、可变负载、燃料电池、电解电池、太阳能电池、风扇和气水塔等几部分组成。该燃料电池工作时，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。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，实验时切记关闭该连通管。风扇作为定性观察时的负载，可变负载作为定量测量时的负载。燃料电池测试你塔阳能电池.020088风扇可变负载电解池图3燃料电池综合实验仪测试仪面板如图4所示。测试仪可测量电流，电压。若不用太阳能电池作电解池的电源，可从测试仪供电输出端口向电解池供电。实验前需预热15分钟。如图4所示为燃料电池实验仪系统的测试仪前面板图
教学方法：讲授法、讨论法和直观演示法 实验要求：在规定课时内学生独立完成实验，数据记录客观真实，图表清晰规范，养成良好的实 验习惯，课前预习，课后撰写实验报告。 实验仪器：ZKY-RLDC燃料电池综合试验仪和秒表 仪器的构成如图3所示，主要由测试仪、可变负载、燃料电池、电解电池、太阳能电池、风扇和 气水塔等几部分组成。该燃料电池工作时，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。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，实验时切记关闭该连通管。风扇作为定性观察时的负载，可变负载作为定 量测量时的负载。 图3 燃料电池综合实验仪 测试仪面板如图4所示。测试仪可测量电流，电压。若不用太阳能电池作电解池的电源，可从测试仪 供电输出端口向电解池供电。实验前需预热15分钟。如图4所示为燃料电池实验仪系统的测试仪前面 板图。 太阳能电池 电解池 燃料电池 可变负载 风扇 测试仪
区域1V-BI0ZYH燃料电池综合特性实验仪一电流表部分：做为一个电速测器电流表独立的电流表使电速量1区域 1用。其中：两个档位：2A电汽量档和电压表200mA档，可通区域2过电流档位切换开关选择合适的电流电盗调书情微输出档位测量350mA电流。两区域3个测量通道：电流测量I和成都世纪中科设器限公司电流测量图4燃料电池测试仪前面板示意图II。通过电流测量切换键可以同时测量两条通道的电流。区域2一一电压表部分：做为一个独立的电压表使用。共有两个档位：20V档和2V档，可通过电压档位切换开关选择合适的电压档位测量电压。区域3一一恒流源部分：为燃料电池的电解池部分提供一个从0～350mA的可变恒流源。实验原理：1、质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池在工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。基本结构如图1所示，其主要由质子交换膜、催化层、阴极、阳极和流场板等组成。质子交换膜作为电解质，是质子交换膜燃料电池的核心组成部分，直接决定着燃料电池的性能，它在质子交换膜燃料电池中作为一种隔膜材料除了能够隔绝燃料（H2）与氧化剂（02）的接触，还要完成质子的传递。目前，广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.05~0.1mm，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。催化层是将纳米量级的铂粒子用化学或物理的方法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03mm，对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用。膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.2~0.5mm，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。商品燃料电池为了提供足够的输出电压和功率，需通过流场板将若干单体电池串连或并联在一起，流场板一般由导电良好的石墨或金属做成，与单体电池的阳极和阴
区域1 ——电流 表部分： 做为一个 独立的电 流表使 用。其 中：两个 档位：2A 档和 200mA 档，可通 过电流档 位切换开 关选择合 适的电流 档位测量 电流。两 个测量通 道：电流 测量Ⅰ和 电流测量 Ⅱ。通过 电流测量切换键可以同时测量两条通道的电流。 区域2——电压表部分：做为一个独立的电压表使用。共有两个档位：20V档和2V档，可通过电压档 位切换开关选择合适的电压档位测量电压。 区域3——恒流源部分：为燃料电池的电解池部分提供一个从0～350mA的可变恒流源。 实验原理： 1、质子交换膜燃料电池的工作原理 质子交换膜燃料电池在工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。基本结 构如图1所示，其主要由质子交换膜、催化层、阴极、阳极和流场板等组成。质子交换膜作为电解 质，是质子交换膜燃料电池的核心组成部分，直接决定着燃料电池的性能，它在质子交换膜燃料电 池中作为—种隔膜材料除了能够隔绝燃料（H2）与氧化剂（O2）的接触，还要完成质子的传递。目 前，广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.05~0.1mm，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。催化层是将纳米量级的铂粒子用化学或物理的方 法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03mm，对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用。膜两边的 阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.2~0.5mm，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。商品燃料电池为了提供足够的输出电压和功率，需通过流场板将若 干单体电池串连或并联在一起，流场板一般由导电良好的石墨或金属做成，与单体电池的阳极和阴
极形成良好的电接触，称为双极板，其上加工有供气体流通的通道。教学用燃料电池为直观起见，采用有机玻璃做流场板。负载电路阳极阴极氧气氢气ZH阳极流场板～阴极流场板ZH.O1阳极催化层质子交换膜阴极催化层图1质子交换膜燃料电池结构示意图如图1所示，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（nH20）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：(2)02+4H+4e=2H20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：(3)2H2十02=2H20（阴极与阳极：在电化学中，失去电子的反应叫氧化，得到电子的反应叫还原。产生氧化反应的电极是阳极，产生还原反应的电极是阴极。对电池而言，阴极是电的正极，阳极是电的负极。）2、水的电解原理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
极形成良好的电接触，称为双极板，其上加工有供气体流通的通道。教学用燃料电池为直观起见， 采用有机玻璃做流场板。 如图1所示，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） （阴极与阳极：在电化学中，失去电子的反应叫氧化，得到电子的反应叫还原。产生氧化反应的 电极是阳极，产生还原反应的电极是阴极。对电池而言，阴极是电的正极，阳极是电的负极。） 2、水的电解原理 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2Hz0=02+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。3、太阳能电池的工作原理N太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应样车车+势垒电场方向空间电荷区发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N..P结，图2为P-N结示意图。图2半导体PN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一空穴对，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。实验内容和步骤：实验内容1、质子交换膜电解池的特性测量理论分析表明，若不考虑电解器的能量损失，在电解器上加1.48伏电压就可使水分解为氢气和氧气，实际由于各种损失，输入电压高于1.6伏电解器才开始工作。电解器的效率为1.48x100%（4）T甩邮一Uor输入电压较低时虽然能量利用率较高，但电流小，电解的速率低，通常使电解器输入电压在2伏左右。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（温度为零℃，电解器产生的氢气保持在1个大气压），设电解电流为I，经过时间t生产的氢气体积（氧气体积为氢气体积的一半）的理论值为：×22.4升（5）Vz=2F
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。 3、太阳能电池的工作原理 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。 实验内容和步骤： 实验内容 1、质子交换膜电解池的特性测量 理论分析表明，若不考虑电解器的能量损失，在电解器上加1.48伏电压就可使水分解为氢气和 氧气，实际由于各种损失，输入电压高于1.6伏电解器才开始工作。 电解器的效率为： （4） 输入电压较低时虽然能量利用率较高，但电流小，电解的速率低，通常使电解器输入电压在2伏 左右。 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（温度为零°C，电解 器产生的氢气保持在1个大气压），设电解电流为I，经过时间t生产的氢气体积（氧气体积为氢气体 积的一半）的理论值为： （5）