陳 堅 翁子豐 梅超悅 聶建峰 張 敏 陳東生

（上海電力學院數(shù)理學院 上海 201300）

1 引言

燃料是人類社會生存的基礎，人類經(jīng)歷了植物燃料階段之后，現(xiàn)處于化石燃料階段.隨著科學技術的發(fā)展，人們逐漸認識到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病：一是儲存于燃料中的化學能必需首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了大量的污染.燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置.相對于其他電源及供能方式，燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、穩(wěn)定性高、環(huán)境污染小、靈活性好、燃料廣泛、補充方便、壽命長等特點與優(yōu)勢.

氫燃料電池不必經(jīng)歷熱機過程，且反應物是水，所以可高效、清潔、無噪聲地把化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，是比常規(guī)熱機更為先進的轉(zhuǎn)化技術.燃料電池技術的快速發(fā)展，為能源動力的變革帶來重大契機.

2 實驗原理

燃料電池的能效因數(shù)ηE為輸出的電能Eel和存儲的化學能Ech之間的比值，計算公式為法拉第效率因數(shù)也被叫做轉(zhuǎn)化效率因數(shù)，燃料電池的法拉第效率因數(shù)ηF為理論上產(chǎn)生的氣體的體積Vtheo和實際產(chǎn)生的氣體體積Vexp之間的比值，計算公式為

其中F＝96 486C／mol為法拉第常數(shù)，Z＝2為生成1mol水所釋放的電荷量，I為通電電流，T為通電時間，Vm為摩爾體積.

燃料電池的核心裝置如圖1所示，由電解水制出來的氫氣和氧氣通過儲氣裝置直接通入燃料電池，燃料電池將氫氣和氧氣反應所釋放出來的化學能，轉(zhuǎn)化為可利用的有效電能.燃料電池內(nèi)的反應是電解裝置內(nèi)的反應的逆反應：

正 極：O2＋4H＋＋4e－→2H2O

負 極：2H2－4e－→4H＋

總反應：O2＋2H2→2H2O

燃料電池通過氫氣與氧氣的化學反應，產(chǎn)出電勢能，其電能可以通過連接端口A和D收集.將氫氣供給線路的一側(cè)（負極），產(chǎn)生一個負電勢能，在氧氣供給線路的一側(cè)（正極），產(chǎn)生一個正電勢能.如果加入一個用電負載，則會產(chǎn)生一個電流.

質(zhì)子交換膜型燃料電池的核心，就是Nafion質(zhì)子交換膜電極單元.其靠上面的套管是氣體的供給管道，并且與氣體儲存裝置中氫氣或氧氣儲存區(qū)的管路連接.其靠下面的套管排出剩余氣體和反應生成的水.

圖1 燃料電池裝置圖

A.正極連接端口

B.氧氣供給連接套管－－－來自氣體儲存裝置中的氧氣

C.剩余氧氣或生成水的排放連接套管

D.負極連接端口

E.氫氣供給連接套管－－－來自氣體儲存裝置中的氫氣

F.剩余氫氣或生成水的排放連接套管

G.蓋帽附件（4件）

燃料電池工作原理示意圖如圖2所示.

圖2 燃料電池工作原理示意圖

整個實驗裝置如圖3所示，主要由電解裝置、氣體存儲裝置、燃料電池、負載和萬用表組成.該裝置能實現(xiàn)水分解制氫的同時又能完成燃料電池的特性研究.

圖3 實驗原理圖

3 測定燃料電池的能效因數(shù)和法拉第效率因數(shù)

3.1 實驗步驟

（1）本實驗涉及到燃料電池的能效因數(shù)和法拉第效率因數(shù).實驗開始前，通過電解裝置將氣體存儲裝置只充滿氫氣和氧氣.

（2）將電流表的測量范圍調(diào)至0～2 000 mA（DC），電壓表的范圍調(diào)至0～20V（DC）.

（3）在測量中，為了測量轉(zhuǎn)換的氣體體積，不應再有電解的反應發(fā)生，必須確保調(diào)節(jié)器的輸出為零.

（4）通過調(diào)節(jié)負載2的負載電阻值，從而來設定和改變電流.

（5）將該電流值所對應的計時時間輸入定時器中，開始測量.

3.2 實驗數(shù)據(jù)及分析

（1）能效因數(shù)的計算和分析

I／A U／V T／min VH2／ml VH2／ml ΔVH2／ml－-- 開始 結(jié)束-0.2 0.71 3 23 17.5 5.5 0.5 0.59 2 18 8.5 9.5

電能Eel可以由公式Eel＝UIT直接算出來.

氫燃料的化學能是286kJ／mol.而1mol的氫氣體積為24 414ml.

化學能Ech與氫氣實際消耗的體積Vexp有關.計算公式為

1）電流為0.2A，溫度為20℃情況下

由以上計算可以看出電流增大，燃料電池的能效因數(shù)的值下降了.

（2）法拉第效率因數(shù)的計算和分析：

1）電流為0.2A，溫度為20℃情況下產(chǎn)生氣體量的理論值

法拉第效率因數(shù)

2）電流為0.5A，溫度為20℃情況下產(chǎn)生氣體量的理論值為

法拉第效率因數(shù)

4 結(jié)論

通過對燃料電池的特性研究發(fā)現(xiàn)，電流增大，燃料電池的能效因數(shù)和法拉第效率因數(shù)的值下降了.這可能與化學反應所造成的能量損耗（過電壓），以及不同的濃度，電極反應的延遲和燃料電池的內(nèi)阻值有關.這些情況可能都會使電壓減?。捎玫挠行щ妷海?該結(jié)論為進一步提高燃料電池的轉(zhuǎn)化效率以及氫能的研究提供了參考依據(jù).

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11 氫能實驗手冊.