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氢氧燃料电池原理教学及操作实训设备
发布于2021-01-03 13:14:16 文章来源：本站
燃料电池是一种能量转换装置。它可以按电化学原理，等温地把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。如图1所示，对于氢氧燃料电池，在其阳极（负极）上，氢气发生氧化反应，失去电子变成氢离子：
（1）
在阴极（正极）上，氧气发生还原反应，得到电子，并与氢离子结合生成水：
（2）
燃料电池的总反应为：
（3）
即氢气与氧气发生反应生成了水。
图1 燃料电池工作原理示意图
值得注意的是，氢气和氧气通过燃料电池所发生的反应，与常规的氢气在氧气中发生的直接氧化（例如燃烧）反应的过程大不一样。在燃料电池中氢气与氧气并不直接接触，反应是必须通过阴极、阳极以及二者之间的电解质进行。在反应的过程中，在阳极由氢释放的电子会通过外电路负载流到阴极；氢离子则通过具有氢离子（质子）导电性的聚合物薄膜（PEM）扩散到阴极。
燃料电池与常规的化学电池（例如锰锌干电池、铅酸蓄电池、锂离子电池等）不同，它的燃料（例如氢气）和氧化剂（例如氧气）并不储存在电极中，而是储存在电池以外的储罐中，在其工作期间，需要不断向电池中输入燃料和氧化剂，同时排放反应产物。因此，从工作方式上看，燃料电池更像常规的汽油或柴油发电机。
燃料电池的主要特点：
（1）高效率
在燃料电池工作的过程中，化学能直接转变成了电能，并不经过常规燃料燃烧方法发电所经历的燃烧释放热能供给热机做功，再把机械功转变为电能的复杂过程。由于燃料电池发电不必经历热机过程，所以也就不受卡诺循环的效率限制，因此燃料电池具有很高的效率，其理论效率高达85%以上，即使在受到各种极化限制的情况下，其能量转化效率仍然可以达40%~60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可以高达80%以上。
（2）环境友好
由于燃料电池的能量转化效率很高，因此即使使用由矿物燃料转化得到的富氢气体为燃料进行发电，排放的温室气体量也要少于传统的火力发电。如果使用氢气作为燃料，反应产物是非常洁净的水，完全没有污染。由于燃料电池的发电过程无需经历高温燃烧过程，因此避免了会导致空气污染的氮氧化物的产生。
（3）安静
燃料电池发电是按电化学原理工作的，运动部件极少，因此工作时非常安静，噪声很低。
燃料电池有很多种。最常用的分类方法是按照电池所采用的电解质进行分类，可以分为：（1）碱性燃料电池，一般以氢氧化钾为电解质；（2）磷酸型燃料电池，以浓磷酸为电解质；（3）质子交换膜燃料电池，以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质；（4）熔融碳酸盐燃料电池，以熔融状态的锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质；（5）固体氧化物燃料电池，以稳定氧化锆等固体氧化物离子导体作为电解质。
燃料电池有许多应用。例如，以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池在20世纪60年代已成功应用于载人航天飞行，作为Appollo登月飞船和航天飞机的主电源，证明了燃料电池高效率、高比能量和高可靠性。磷酸型燃料电池已经作为分布式电站被采用。质子交换膜燃料电池在最近十几年里已经被成功开发成电动车和潜艇的动力源。以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池已经被开发成笔记本电脑的电源。固体氧化物燃料电池已经被用于和蒸汽轮机组成高效率的联合发电系统，并被开发为卡车和飞机的辅助电源单元（APU），以及家用热电联供系统等。
燃料电池的电动势由燃料氧化反应的吉布斯自由能变化量DG决定：
（4）
式中，n为反应转移的电子数，F是法拉第常数（F=96493C）。燃料电池的理论效率，定义为吉布斯自由能变化量与反应的焓变的比值：
（5）
对于有多种气体参与的燃料电池电化学反应，电池的电动势由Nernst方程决定：
（6）
式中，
称为电池标准电动势，它仅为温度的函数，而与反应物浓度、压力等因素无关。pi是参与反应的气体分压；vi是反应的计量系数，对反应物取负值，对产物取正值。
当燃料电池实际运行并输出电能时，输出的电量与燃料和氧化剂的消耗服从法拉第定律，即燃料与氧化剂在电池内的消耗量Dm与电池输出的电量Q成正比：
（7）
在燃料电池放电时，电池的电压会从电流密度为0的静态电势Es（开路电压，但不一定等于电动势）下降为实际的路端电压U，其值是电化学反应速度（电流密度i=I/A）的函数。开路电压Es与放电时的路端电压U的差值，Es-U=h，称为极化过电位，这种电极电位偏离平衡态值的现象称为电极的极化。燃料电池中的极化主要有三种类型：（1）电化学活化极化；（2）欧姆极化；（3）浓差极化。其中，活化过极化过电位与电流密度之间近似服从Tafel关系：
（8）
欧姆极化过电位与电流密度之间服从欧姆定律：
（9）
而浓差极化过电位（也称扩散过电位）与电流密度满足方程：
（10）
由于活化过极化电位与浓差极化过电位与电流密度之间都呈非线性的关系，因此，实际电池（包括燃料电池）的放电曲线通常都不是严格的直线。
质子交换膜燃料电池是一种将燃料氢气作为还原剂与空气中的氧气作为氧化剂进行电化反应，并将化学能直接转换成电能的高效发电装置。燃料电池可以作为发电站或车辆的动力源。
系统由自吸式PEM燃料电池堆、金属氢化物氢瓶及其组件燃料电池控制器、直流线性负载，交流线性负载，直流感性负载和测试仪表组成。
（1）在阴极（正极）上，氧气发生还原反应，得到电子，并与氢离子结合生成水：
（2）燃料电池的总反应为：
（3）即氢气与氧气发生反应生成了水。
图1 燃料电池工作原理示意图
值得注意的是，氢气和氧气通过燃料电池所发生的反应，与常规的氢气在氧气中发生的直接氧化（例如燃烧）反应的过程大不一样。在燃料电池中氢气与氧气并不直接接触，反应是必须通过阴极、阳极以及二者之间的电解质进行。在反应的过程中，在阳极由氢释放的电子会通过外电路负载流到阴极；氢离子则通过具有氢离子（质子）导电性的聚合物薄膜（PEM）扩散到阴极。
燃料电池与常规的化学电池（例如锰锌干电池、铅酸蓄电池、锂离子电池等）不同，它的燃料（例如氢气）和氧化剂（例如氧气）并不储存在电极中，而是储存在电池以外的储罐中，在其工作期间，需要不断向电池中输入燃料和氧化剂，同时排放反应产物。因此，从工作方式上看，燃料电池更像常规的汽油或柴油发电机。
燃料电池的主要特点：
（1）高效率
在燃料电池工作的过程中，化学能直接转变成了电能，并不经过常规燃料燃烧方法发电所经历的燃烧释放热能供给热机做功，再把机械功转变为电能的复杂过程。由于燃料电池发电不必经历热机过程，所以也就不受卡诺循环的效率限制，因此燃料电池具有很高的效率，其理论效率高达85%以上，即使在受到各种极化限制的情况下，其能量转化效率仍然可以达40%~60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可以高达80%以上。
（2）环境友好
由于燃料电池的能量转化效率很高，因此即使使用由矿物燃料转化得到的富氢气体为燃料进行发电，排放的温室气体量也要少于传统的火力发电。如果使用氢气作为燃料，反应产物是非常洁净的水，完全没有污染。由于燃料电池的发电过程无需经历高温燃烧过程，因此避免了会导致空气污染的氮氧化物的产生。
（3）安静
燃料电池发电是按电化学原理工作的，运动部件极少，因此工作时非常安静，噪声很低。
燃料电池有很多种。最常用的分类方法是按照电池所采用的电解质进行分类，可以分为：（1）碱性燃料电池，一般以氢氧化钾为电解质；（2）磷酸型燃料电池，以浓磷酸为电解质；（3）质子交换膜燃料电池，以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质；（4）熔融碳酸盐燃料电池，以熔融状态的锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质；（5）固体氧化物燃料电池，以稳定氧化锆等固体氧化物离子导体作为电解质。
燃料电池有许多应用。例如，以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池在20世纪60年代已成功应用于载人航天飞行，作为Appollo登月飞船和航天飞机的主电源，证明了燃料电池高效率、高比能量和高可靠性。磷酸型燃料电池已经作为分布式电站被采用。质子交换膜燃料电池在最近十几年里已经被成功开发成电动车和潜艇的动力源。以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池已经被开发成笔记本电脑的电源。固体氧化物燃料电池已经被用于和蒸汽轮机组成高效率的联合发电系统，并被开发为卡车和飞机的辅助电源单元（APU），以及家用热电联供系统等。
燃料电池的电动势由燃料氧化反应的吉布斯自由能变化量DG决定：
（4）式中，n为反应转移的电子数，F是法拉第常数（F=96493C）。燃料电池的理论效率，定义为吉布斯自由能变化量与反应的焓变的比值：
（5）对于有多种气体参与的燃料电池电化学反应，电池的电动势由Nernst方程决定：
（6）式中，
称为电池标准电动势，它仅为温度的函数，而与反应物浓度、压力等因素无关。pi是参与反应的气体分压；vi是反应的计量系数，对反应物取负值，对产物取正值。当燃料电池实际运行并输出电能时，输出的电量与燃料和氧化剂的消耗服从法拉第定律，即燃料与氧化剂在电池内的消耗量Dm与电池输出的电量Q成正比：
（7）在燃料电池放电时，电池的电压会从电流密度为0的静态电势Es（开路电压，但不一定等于电动势）下降为实际的路端电压U，其值是电化学反应速度（电流密度i=I/A）的函数。开路电压Es与放电时的路端电压U的差值，Es-U=h，称为极化过电位，这种电极电位偏离平衡态值的现象称为电极的极化。燃料电池中的极化主要有三种类型：（1）电化学活化极化；（2）欧姆极化；（3）浓差极化。其中，活化过极化过电位与电流密度之间近似服从Tafel关系：
（8）欧姆极化过电位与电流密度之间服从欧姆定律：
（9）而浓差极化过电位（也称扩散过电位）与电流密度满足方程：
（10）由于活化过极化电位与浓差极化过电位与电流密度之间都呈非线性的关系，因此，实际电池（包括燃料电池）的放电曲线通常都不是严格的直线。
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QY-TF21氢燃料电池发电操作实训系统
产品简介QY-TF21氢燃料电池发电操作实训系统
质子交换膜燃料电池是一种将燃料氢气作为还原剂与空气中的氧气作为氧化剂进行电化反应，并将化学能直接转换成电能的高效发电装置。燃料电池可以作为发电站或车辆的动力源。
系统由自吸式PEM燃料电池堆、金属氢化物氢瓶及其组件燃料电池控制器、直流线性负载，交流线性负载，直流感性负载和测试仪表组成。
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