燃料电池综合特性实验报告

1 燃料电池综合特性实验 一、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：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 二、实验原理： 1、燃料电池 负载电路 阳极 阴极 氢气 e 氧气 H+ e O2 H+ 2H2 H+ 阳极流场板 阴极流场板 H+ 2H2O 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 质子交换膜燃料电池（如上图）在常温下工作，其基本结构如图 1 所示。 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。 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。 进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 2 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） 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，...