2014级光电信息科学与工程 李盼园
摘要
燃料电池是基于氧化还原反应的能源产生装置，包括基于质子交换膜的水电解过程和燃料电池反应。本实验利用电解、气水塔等试验装置对质子交换膜电解池特性及燃料电池输出特性进行验证。 实验目的：
1.了解燃料电池的工作原理；
2.测量质子交换膜电解池特性，验证法拉第电解定律；
3.测量燃料电池的输出特性。
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1.燃料电池
质子交换膜（PEM）燃料电池，在原理上相当于电解水的逆装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两级都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于直流电源，其阳极为电源正极，阴极为电源负极。基本结构如图1-1. 阳极的化学反应：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成两个氢离子，即质子，并释放出两个电子，阳极反应式为： (1-1)
氢离子以水合质子(nH2O)的形式，通过质子交换膜到达阴极，实现质子导电，质子的转移使阳极带负电。
阴极化学反应：氧气或者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，氧和氢离子和电子反应生成水，阴极反应式为： (1-2).
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阴极反应使氧气得到氢离子和电子变成水，由于阴极上缺少电子而带正电，在阴极和阳极
之间产生电压，如果阴阳极接通外电路，就可以向负载输出电能。
总的化学反应式为： (1-3)
搓齿机 图1-1
质子交换膜的优点是：发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环限制，转化效率高；不产生污染，无噪声。他是一种清洁高效的绿环保能源。
2.水的电解
燃料电池和电解池在电极制造上通常有些差别，燃料电池的电极应该更有利于气体吸纳，而电解池应尽快排出气体。燃料电池的水应该尽快排出，以免堵塞 气体通道，而电解池的阳极必须淹没。
电解水的化学反应式为： (1-4)
图1-2
实验仪器
实验仪器由实验主板、测试仪、可变负载、太阳能电池组成。如图1-3.
实验主板由气水塔、燃料电池、电解池、负载组成。氢气和氧气的水塔为电解池提供纯水（二次蒸馏水），同时储存电解池产生的氧气和氢气，为燃料电池提供燃料。
涡轮压缩机 测试仪可测量电流和电压，可以从供电输出端口向电解池供电。
可变负载的变化范围为0.1~999.9Ω，最小间隔为0.1Ω。
图1-3
实验内容
1.质子交换膜电解池的特性研究
根据法拉第电解定律，生物生成物的量和输入的电量成正比。在标准状态下（温度为0,一个大气压），设电解电流为I，经过时间t产生的氢气的体积的理论值为 ，经温度和气压的修正为： （1-5） 。
其中。
测量不同的输入电流I（如100mA,）下，对应的输入电压及产生的一定体积的氢气（如5）所需的时间t。分析在时间t内氢气的产生量与电量It的关系，氢气产生的测量值与理论值之间的关系。若不管输入电压和电流的大小，氢气产生的测量值与理论值成正比，且相近，即可验证法拉第定律。
2.燃料电池输出特性研究
燃料电池的输出电压和输出电流的关系，在电化学上称为极化特性曲线。如图1-4mvkkk
图1-4
由于燃料电池的能量不能完全转换为电能，总有一部分转换为热能，燃料分子形成短路电流等原因，燃料的开路电压低于理想电动势。
燃料的极化特性曲线由电化学极化区、欧姆极化区，浓差极化区构成。
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