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.

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1 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

2 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。

3 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。

4 实验原理 质子交换膜燃料电池的结构 4

5 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

6 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。

7 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

8 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

9 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。

10 实验仪器

11 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。

12 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。

13 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。

14 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。

15 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

16 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=

17 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=

18 实验结束后 关闭电源！ 拆线！ 整理仪器！ 凳子放到桌子下面！