实验名称 燃料电池和太阳能电池 伏安特性的测定 物理实验中心

引言 当今社会，当煤、石油等的矿物资源使环境受到了严重的污染、不可再生的资源紧缺的时候，人类就开始寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源。于是就诞生了燃料电池和太阳能电池。 如今，各个国家都投入了大量的资金在研究燃料电池和太阳能电池。在未来的能源系统中，太阳能将作为主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然气，而燃料电池将成为取代汽油，柴油和化学电池的清洁能源。

实验内容 1、验证法拉第电解定律； 2、测量燃料电池的输出特性，并作出其输出 极化特性曲线； 2、测量燃料电池的输出特性，并作出其输出 极化特性曲线； 3、测量太阳能电池的输出特性，并作出太阳 能电池的伏安特性曲线。

实验原理 质子交换膜燃料电池的结构 4

实验原理 质子交换膜电解池的特性测量 电解产生氢气的理论值： 实验时的摄氏温度为T，所在地区气压为P P0为标准大气压 法拉第常数F= 9.65×104 库仑/摩尔

实验原理 燃料电池的输出特性 使用燃料电池时，根据伏安特性曲线，选择合适的负载，使效率和输出功率达到最大。 在一定的温度与气体压力下，改变负载电阻的大小，测量燃料电池的输出电压与输出电流之间的关系。 使用燃料电池时，根据伏安特性曲线，选择合适的负载，使效率和输出功率达到最大。

实验原理 太阳能电池的输出特性 填充因子 在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量输出电压与输出电流之间的关系。 太阳能电池基本结构 填充因子 在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量输出电压与输出电流之间的关系。 FF越高，光电转换效率越高

实验仪器 太阳能电池 气水塔 电解池 燃料电池 可调负载 风扇 测试仪

实验仪器 1、电解池：电解池下面的进水管连接气水塔的底部，是给电解池提供待电解 的去离子水（2次蒸馏水）；上面的出气管是将电解池电解出的氢气和氧气通过 气水塔为燃料电池提供燃料气体。 2、气水塔：气水塔为电解池提供电解纯水（2次蒸馏水），同时还将电解池 产生的氢气和氧气提供给燃料电池。气水塔分为上下两层，电解池产生的气体会 汇聚在下层顶部，通过输气管输出给燃料电池。若关闭和燃料电池之间的输气管 ，气体产生的压力会使水从下层进入上层，而将气体储存在下层的顶部，通过管 壁上的刻度可知储存气体的体积。两个气水塔之间还有一个水连通管，加水时打 开使两塔水位平衡，实验时切记关闭该连通管。气水塔中所加入的水面高度必须 在上水位线与下水位线之间，以保证燃料电池正常工作。 3、燃料电池：通过气水塔下层顶部的输气管将电解池产生的氢气和氧气供给 燃料电池，通过电化学反应直接产生电力能量。燃料电池低端有排水管，电池正 常工作时排水口打开，将反应生成物水和未参加反应的气体从排水口排出。 4、风扇：风扇作为定性观察时的负载，用于观察燃料电池是否产生电能； 5、可调负载：可调负载作为定量测量时的负载。 6、测试仪：测试仪可测量电流和电压。若不用太阳能电池作电解池的电源， 可从测试仪供电输出端口向电解池供电。实验前需预热15分钟。

实验仪器

实验步骤 质子交换膜电解池的特性测量 1、确认气水塔水位在水位上限与下限之间。 2、接线：将测试仪的恒流源输出端串连电流表后接入电解池。 3、排空气：将气水塔到燃料电池的输气管水夹关闭，调节恒流源输出到最大（顺时针旋转到底），让电解池迅速的产生气体。当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输气管水夹，排出气水塔下层的空气。如此反复2～3次后，气水塔下层的空气基本排尽，剩下的就是纯净的氢气和氧气了。 4、测量：关闭气水塔输气管，调节恒流源的输出电流为0.10A时，待电解池输出气体稳定后（约1分钟）。观察气水塔的刻度，使产生1mL氢气时所用的时间，并记录。 5、调节恒流源的输出电流分别为0.20A和0.30A时，重复第4步操作。 6、计算：由（3）式计算氢气产生量的理论值。与氢气产生量的测量值比较，来验证法拉第定律。

实验步骤 燃料电池输出特性的测量 1、确认气水塔水位在水位上限与下限之间。 2、接线：将测试仪的恒流源输出端串连其中一个电流测量端后接入电解池；将另一个电流测量端与可变负载串联后接入燃料电池输出端；将电压测量端接到燃料电池的输出端。 3、调节恒流源使电解池的输入电流保持在300mA。 4、打开燃料电池与气水塔之间的氢气、氧气连接开关，等待约10分钟，让电池中的燃料浓度达到平衡，电压稳定。 5、测量：将“电流量程”按钮切换到200mA。可变负载调至最大，改变负载电阻的大小，使输出电压值为表2所示的值（输出电压值可能无法精确到表中所示数值，只需相近即可），稳定后记录电压和相应的电流值。 注：负载电阻猛然调的很低时，电流会猛然升到很高，甚至超过电解电流值，这种情况是不稳定的，重新恢复稳定需较长时间。为避免出现这种情况，输出电流高于210mA后，每次调节减小电阻0.5Ω，输出电流高于240mA后，每次调节减小电阻0.2Ω，每测量一点的平衡时间稍长一些（约需5分钟），稳定后记录电压电流值。 6、测量开路电压：断开负载回路，测量燃料电池的开路电压，并记录数据。 7、拆线：关闭燃料电池与气水塔之间的氢气、氧气连接开关，切断电解池输入电源拆线。 8、作图：作出所测燃料电池的输出特性曲线。

实验步骤 太阳能电池的特性测量 1、接线：将电流测量端口与可变负载串联后接入太 阳能电池的输出端，将电压表并联到太阳能电池 两端。 1、接线：将电流测量端口与可变负载串联后接入太 阳能电池的输出端，将电压表并联到太阳能电池 两端。 2、测量：打开太阳能电池的光源，保持光照条件不变，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量输出电压和相应的电流值。 3、测量开路电压：断开负载回路，测量太阳能电池的开路电压Uoc，并记录。 4、测量短路电流：将电流测量端口直接串接在太阳能电池的输出端，测量太阳能电池的短路电流Isc，并记录。 5、拆线：实验完毕后，断开光源，拆线。 6、作图：作出所测太阳能电池的伏安特性曲线。

实验注意事项 1、该实验必须使用去离子水或二次蒸馏水，容器必须清洁干净，否则将损坏系统。 2、电解池的最高工作电压为6V，最大输入电流为1000mA，否则将极大地伤害电解池 。 3、电解池所加的电源极性必须正确，否则将毁坏电解池并有起火燃烧的可能。 4、绝不允许将任何电源加于燃料电池输出端，否则将损坏燃料电池。 5、气水塔中所加入的水面高度必须在上水位线与下水位线之间，以保证燃料电池正常 工作。 6、该系统主体是由有机玻璃制成，使用中需小心，以免打坏和损伤。 7、太阳能电池板和配套光源在工作时温度很高，切不可用手触摸，以免被烫伤。 8、绝不允许用水打湿太阳能电池板和配套光源，以免触电和损坏该部件。 9、配套“可变负载”所能承受的最大功率是1W，只能使用于该实验系统中。 10、电流表的输入电流不得超过2A，否则将烧毁电流表。 11、电压表的最高输入电压不得超过25V，否则将烧毁电压表。 12、实验时必须关闭两个气水塔之间的连通管。

数据记录 电解池的特性测量 输入电流I （A） 时间t （s） 电量It （库仑） 氢气产生量 测量值（ml） 理论值 0.20 0.25 0.30

数据记录 Uoc= 燃料电池输出特性的测量 电解电流＝300mA 输出电压U（V） 0.90 0.85 0.80 0.75 …… 0.50 0.45 0.40 输出电流I（mA） Uoc=

数据记录 太阳能电池输出特性的测量 输出电压U（V） 输出电流I（mA） Isc= Uoc=

实验结束后 关闭电源！ 拆线！ 整理仪器！ 凳子放到桌子下面！