氫能燃料電池的能效因數和法拉第效率因數的測定＊

陳 堅 翁子豐 梅超悅 聶建峰 張 敏 陳東生

（上海電力學院數理學院 上海 201300）

1 引言

燃料是人類社會生存的基礎，人類經歷了植物燃料階段之后，現處于化石燃料階段.隨著科學技術的發展，人們逐漸認識到傳統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變成熱能后才能被轉變成機械能或電能，受卡諾循環及現代材料的限制；二是傳統的能源利用方式給今天人類的生活環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化為電能的發電裝置.相對于其他電源及供能方式，燃料電池具有能量轉化效率高、穩定性高、環境污染小、靈活性好、燃料廣泛、補充方便、壽命長等特點與優勢.

氫燃料電池不必經歷熱機過程，且反應物是水，所以可高效、清潔、無噪聲地把化學能直接轉化為電能，是比常規熱機更為先進的轉化技術.燃料電池技術的快速發展，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也被叫做轉化效率因數，燃料電池的法拉第效率因數ηF為理論上產生的氣體的體積Vtheo和實際產生的氣體體積Vexp之間的比值，計算公式為

其中F＝96 486C／mol為法拉第常數，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，轉化為可利用的有效電能.燃料電池內的反應是電解裝置內的反應的逆反應：

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（負極），產生一個負電勢能，在氧氣供給線路的一側（正極），產生一個正電勢能.如果加入一個用電負載，則會產生一個電流.

質子交換膜型燃料電池的核心，就是Nafion質子交換膜電極單元.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和法拉第效率因數

3.1 實驗步驟

（1）本實驗涉及到燃料電池的能效因數和法拉第效率因數.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至0～2 000 mA（DC），電壓表的范圍調至0～20V（DC）.

（3）在測量中，為了測量轉換的氣體體積，不應再有電解的反應發生，必須確保調節器的輸出為零.

（4）通過調節負載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 實驗數據及分析

（1）能效因數的計算和分析

I／A U／V T／min VH2／ml VH2／ml ΔVH2／ml－-- 開始 結束-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的值下降了.

（2）法拉第效率因數的計算和分析：

1）電流為0.2A，溫度為20℃情況下產生氣體量的理論值

法拉第效率因數

2）電流為0.5A，溫度為20℃情況下產生氣體量的理論值為

法拉第效率因數

4 結論

通過對燃料電池的特性研究發現，電流增大，燃料電池的能效因數和法拉第效率因數的值下降了.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阻值有關.這些情況可能都會使電壓減小（可用的有效電壓）.該結論為進一步提高燃料電池的轉化效率以及氫能的研究提供了參考依據.

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11 氫能實驗手冊.