《大学物理实验》课程教学课件（PPT讲稿）太阳能及燃料电池特性测量

太阳能及燃料电池特性测量武汉理工大学物理实验中心2016.02

太阳能及燃料电池特性测量 武汉理工大学物理实验中心 2016.02

实验目的1.了解太阳能电池的工作原理，测量伏安特性2.了解质子交换膜电解池（PEMWE）和质子交换膜燃料电池（(PEMFC的工作原理，测量特性：3.观察能量转换过程：光能→太阳能电池一→电能→电解池一→氢能→燃料电池→电能

实验目的 1. 了解太阳能电池的工作原理，测量伏安特性； 2. 了解质子交换膜电解池（PEMWE）和质子交 换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理，测量特性； 3. 观察能量转换过程：光能→太阳能电池→电能 →电解池→氢能→燃料电池→电能

背景一一常规能源和新能源常规能源：煤、石油、天然气以及大中型水电等新能源：太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等太阳能风能生物质能H2氢能地热能海洋能

常规能源：煤、石油、天然气以及大中型水电等 新能源：太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等 太阳能 风能 生物质能 地热能 海洋能 氢能 背景——常规能源和新能源

实验原理一太阳能电池太阳能：总量大、分布广、清洁光能→电能太阳能电池：n开发hapin,池，这介值的神太阳能发电站太阳能帆板上阳电池火星车太阳能路灯

1954年美国贝尔实验室的D.M.chapin, C.S.Fuller和G.L.Pearson开发 出效率为6%的单晶硅太阳能电池，这是世界上第一个有实用价值的 太阳能电池。 美国贝尔实验室制成的第一批太阳电池 实验原理——太阳能电池 太阳能： 总量大、分布广、清洁 太阳能电池： 光能 电能 太阳能发电站 太阳能帆板（神舟飞船） 火星车 太阳能路灯

实验原理一太阳能电池1.P型半导体和N型半导体施主原子提供的可移动的空穴多余的电子N型半导体P型半导体

+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +4 施主原子提供的 多余的电子 N 型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 可移动的空穴 P 型半导体 实验原理——太阳能电池 1. P型半导体和N型半导体

实验原理一一太阳能电池2.PN结的形成+++?+N区++++X内建电场++耗尽区P区3.光伏效应Z（Photovoltaiceffect）半导体受到光照射时产生电动势N区+PN结P区+

实验原理——太阳能电池 + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - N区 P区 耗尽区 内 建 电 场 2.PN结的形成 N区 PN结 P区 + - - + (+) (-) 3.光伏效应（Photovoltaic effect ） 半导体受到光照射时产生电动势

实验原理一太阳能电池太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻R与一个串联电阻R.所组成。RIph-1假定Rsh=00，R=CRVI = Ih- I,=Ih-I.[exp()-1nkI。一二极管的反向饱和电流；q一电子电荷；n一常数因子；k一玻尔兹曼常数；T一温度。PmPFF填充因子Volsc最大功率矩形填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，太阳能电池输出特性越趋近于矩形，电池的性能越好。Voc太阳能电池的伏安特性曲线图

实验原理——太阳能电池 0 Pm 最大功率矩形 0 [exp( ) 1] ph d ph B qV I I I I I nk T = − = − − 太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想 二极管、一个并联电阻Rsh与一个串联电阻Rs所组成。 假定Rsh=∞，Rs=0 填充因子 m oc sc P FF V I = Iph Id I Iph U V Id Iph-Id Rs Rsh I RL + - V U I 0 —二极管的反向饱和电流； q—电子电荷； n —常数因子； kB —玻尔兹曼常数； T —温度。 太阳能电池的伏安特性曲线图 填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个 重要参数，它的值越高，太阳能电池输出特性越 趋近于矩形，电池的性能越好

实验原理一质子交换膜燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。1839年英国律师兼物理学家格鲁夫（W.R.Grove）提出基本原理，其工作过程是电解水的逆过程。主要应用领域：宇航、军事、交通优点：能量转化效率高、环境污染小WilliamRobertGrove燃料电池城市客车FUELCELLCITYBUS质子交换膜燃料电池燃料电池客车燃料电池潜艇

实验原理——质子交换膜燃料电池 William Robert Grove 质子交换膜燃料电池 燃料电池 (Fuel Cell) 是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为 电能的发电装置。 1839年英国律师兼物理学家格鲁夫（W. R. Grove） 提出基本原理，其工作过程是电解水的逆过程。 主要应用领域：宇航、军事、交通 燃料电池客车 燃料电池潜艇 优点：能量转化效率高、环境污染小

实验原理一质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜电解池(PEMFC)(PEMWE)阳极阴极阴极+阳极氢气空气/氧气HH20O2H2HH+1/202H,0水+热多余氢气2H*+2e=H2H,0=0,+4H++4e阳极催化剂阴极催化剂H, =2H++2eO2+4H++4e=2H,0质子交换膜质子交换膜总的反应方程式：总的反应方程式：2H,0=2H2+022 H2 +02 = 2H,0

质子交换膜燃料电池 氢气 H2 e - e - e - e - 多余氢气 H+ H+ O2 水+热 H2O 空气/氧气 质子交换膜 阳极催化剂 阴极催化剂 阳极 阴极 H2 = 2H++2e O2+4H++4e = 2H2O 总的反应方程式： 2 H2 +O2 = 2H2O （PEMWE） 质子交换膜电解池 阴极 阳极 质子交换膜 总的反应方程式：2H2O = 2 H2 +O2 2H2O= O2+4H+ 2H +4e ++2e = H2 (PEMFC) 实验原理——质子交换膜燃料电池

实验原理一燃料电池的特性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，即PEMFC的静态特性。标准状态下的理论电动势1.229过电位：实际电位与平衡电位的差欧姆极化区输出电压?电化(V)输出电流过大时，燃料供应不足，电极表面的反应物小应浓差极化区浓度下降，使输出电压迅速降低，而输出电流基本不再增加。输出电流(A/cm2)每个区里，三个极化都是存在的。上述划分是基于三个区里的主要极化来源。燃料电池正常工作在欧姆极化区。V=V,-Uact-Vohm-UcomV一燃料电池输出电压V.一燃料电池理论电动势Uac一活化过电位Uohm一欧姆过电位Ucom一浓差过电位

实验原理——燃料电池的特性 1.229 输 出 电 压 输出电流 （A/cm2） （V） 标准状态下的理论电动势 过电位：实际电位与平衡电位的差 电化学极化区 小电流时，活化极化占主导地位，其主要由电极表面的反 应速度过慢导致，过电位主要用来克服反应的活化能。 每个区里，三个极化都是存在的。上述划分是基于三个区里的主要极化来源。燃料电池正常工作在欧姆极化区。 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，即PEMFC的静态特性。 V =Vr −act − ohm−com 欧姆极化区 欧姆极化也称电阻极化，主要是电子通过电极 材料及各种连接部件，离子通过电解质的阻力 引起的，这种电压降与电流成比例。该区域中， 欧姆极化占主导地位。 浓差极化区 输出电流过大时，燃料供应不足，电极表面的反应物 浓度下降，使输出电压迅速降低，而输出电流基本不 再增加。 ohm com — 浓差过电位。 V— 燃料电池输出电压 Vr — 燃料电池理论电动势 act— 活化过电位 — 欧姆过电位