《大学物理实验》课程教学资源（教案）太阳能及燃料电池特性测量

大学物理实验教案太阳能及燃料电池特性测量实验题目实验性质综合型实验实验学时教师41.了解太阳能电池的工作原理，测量伏安特性；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2.教学目的特性；3.观察能量转换过程：光能→太阳能电池→电能→电解池一→氢能→燃料电池→电能重点太阳能及燃料电池的输出特性测量，法拉第定律的验证难点电解池燃料电池系统的能量转换过程课前的准备：1.仪器设备的检查。2.实验的预做。时间的掌握：留由5分钟机动的时间。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等)。(5分钟)二、讲解的设计(30分钟)1、引言教随着经济和技术的发展以及人口的增长，人们对能源的需求越来学越大，由此产生的能源问题也愈加突出。化石燃料的使用带来了严重过的环境污染，导致了温室效应的产生和雾霾、酸雨等极端天气的频繁程出现。石油、天然气和煤炭这三种人类主要使用的不可再生资源可开的采年限有限。目前我国供需比例严重失衡，中国成全球最大石油净进设口国，因此新能源函待开发和应用。常规能源包括煤、石油、天然气计以及大中型水电等，新能源包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。2、实验原理1）太阳能电池及其特性测量太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。太阳能电池的主要原理是光伏效应，即半导体受到光照射时产生电动势。太阳能

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 太阳能及燃料电池特性测量 实验性质 综合型实验 实验学时 4 教师 教学目的 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。 重 点 太阳能及燃料电池的输出特性测量，法拉第定律的验证 难 点 电解池燃料电池系统的能量转换过程 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查。 2.实验的预做。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计 (30 分钟) 1、引言 随着经济和技术的发展以及人口的增长，人们对能源的需求越来 越大，由此产生的能源问题也愈加突出。化石燃料的使用带来了严重 的环境污染，导致了温室效应的产生和雾霾、酸雨等极端天气的频繁 出现。石油、天然气和煤炭这三种人类主要使用的不可再生资源可开 采年限有限。目前我国供需比例严重失衡，中国成全球最大石油净进 口国，因此新能源亟待开发和应用。常规能源包括煤、石油、天然气 以及大中型水电等，新能源包括太阳能、风能、生物质能、地热能、 海洋能、氢能等。 2、实验原理 1) 太阳能电池及其特性测量 太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式有太阳 能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。太阳能电池 的主要原理是光伏效应，即半导体受到光照射时产生电动势。太阳能 时间的掌握：留由 5 分 钟机动的时间

电池的理论模型是由理想电流源（光照立生光电流的电流源）、二下并联电阻Rsh与一个串联电阻R，所组成。如图1所理想二极管示。图1假定Rsh=8o和R=0，太阳能电池可简化为图2所示电路。L图2qv这里1=Ip-1.[exp0-1]nkglI +IscI最大功率矩形+VUmUoc图3太阳能电池伏安特性曲线Pm_V.太阳能电池的填充因子FF=，Uoc为开路电压，Voc'seVoc'scIse为短路电流，最大输出功率为Pm，Pm对应的最大工作电压为Um最大工作电流为Im。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，表明太阳能电池输出特性越趋近于矩形，电

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。如图 1 所 示。 Iph Id Iph-Id Rs Rsh I RL + - U 图 1 假定 Rsh=∞和 Rs=0，太阳能电池可简化为图 2 所示电路。 Iph Id I U 图 2 这里 0 [exp( ) 1] ph d ph B qV I I I I I nk T = − = − − 。 图 3 太阳能电池伏安特性曲线 太阳能电池的填充因子 m m m oc sc oc sc P V I FF V I V I = = ，Uoc 为开路电压， Isc为短路电流，最大输出功率为 Pm ，Pm对应的最大工作电压为 Um， 最大工作电流为 Im。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，表明太阳能电池输出特性越趋近于矩形，电

池的光电转换效率就越高。2）质子交换膜燃料电池及质子交换膜电解池的工作原理及特性测量燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉.罗泊特.格鲁夫（WilliamRobertGrove）提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。质子交换膜燃料电池（PEMFC，ProtonExchangeMembraneFuelCell）技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术，其工作原理如图4所示：阳极阴极水+热燃料空气/氧气氧气厂质子交换膜催化剂图4质子交换膜燃料电池工作原理（1）氢气通过管道到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。H2= 2H++2e（2）氢离子穿过质子交换膜到达阴极：电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。（3）在电池另一端，氧气通过管道到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。O2+4H++4e=2H20

池的光电转换效率就越高。 2）质子交换膜燃料电池及质子交换膜电解池的工作原理及特性测量 燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在 1839 年由英国律师兼物理学家威廉.罗泊特.格鲁夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学 家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少 受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护 有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。质子 交换膜燃料电池（PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell）技 术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水 并释放出电能的技术，其工作原理如图 4 所示： 图 4 质子交换膜燃料电池工作原理 （1）氢气通过管道到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离 为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。 H2 = 2H++2e （2）氢离子穿过质子交换膜到达阴极；电子则通过外电路到达阴 极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。 （3）在电池另一端，氧气通过管道到达阴极；在阴极催化剂作用 下，氧与氢离子及电子发生反应生成水 。 O2+4H++4e = 2H2O

总的反应方程式：2H2+02=2H20同燃料电池一样，水电解装置因电解质的不同而各异，碱性溶液和质子交换膜是最常见的电解质，图5为质子交换膜电解池原理图。电源阴极阳极4氧气氢气一水水一L质子交换膜催化剂图5质子交换膜电解池工作原理质子交换膜电解池的核心是一块涂覆了贵金属催化剂铂（Pt）的质子交换膜和两块钛网电极。电解池将水电解产生氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气反应生成水互为逆过程，其具体工作原理如下（1）外加电源向电解池阳极施加直流电压，水在阳极发生电解，生成氢离子、电子和氧，氧从水分子中分离出来生成氧气，从氧气通道溢出。2H2O=O2+4H++4e（2）电子通过外电路从电解池阳极流动到电解池阴极，氢离子透过聚合物膜从电解池阳极转移到电解池阴极，在阴极还原成氢分子，从氢气通道中溢出，完成整个电解过程。2H++2e=H2总的反应方程式：2H20=2H2+O2水的理论分解电压为Uo=1.23V，如果不考虑电解器的能量损失，在电解器上加1.23伏电压就可使水分解为氢气和氧气，实际由于各种损失，输入电压在Uin=(1.5～2)Uo时电解器才能开始工作

总的反应方程式： 2 H2 +O2 = 2H2O 同燃料电池一样，水电解装置因电解质的不同而各异，碱性溶液 和质子交换膜是最常见的电解质，图 5 为质子交换膜电解池原理图。 图 5 质子交换膜电解池工作原理 质子交换膜电解池的核心是一块涂覆了贵金属催化剂铂（Pt）的 质子交换膜和两块钛网电极。 电解池将水电解产生氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气反应 生成水互为逆过程，其具体工作原理如下： （1）外加电源向电解池阳极施加直流电压，水在阳极发生电解， 生成氢离子、电子和氧，氧从水分子中分离出来生成氧气，从氧气通 道溢出。 2H2O= O2+4H++4e （2）电子通过外电路从电解池阳极流动到电解池阴极，氢离子透 过聚合物膜从电解池阳极转移到电解池阴极，在阴极还原成氢分子， 从氢气通道中溢出，完成整个电解过程。 2H++2e = H2 总的反应方程式： 2H2O = 2 H2 +O2 水的理论分解电压为 U0=1.23V，如果不考虑电解器的能量损失， 在电解器上加 1.23 伏电压就可使水分解为氢气和氧气，实际由于各种 损失，输入电压在 Uin=(1.5～2)U0 时电解器才能开始工作

电解器的效率定义为：1.23×100%7=Uin根据法拉第电解定律，电解生成物的量与输入电量成正比。在标准状态下（1个标准大气压Po，温度为零摄氏度），设电解电流为I，经过时间t产生的氢气和氧气体积的理论值为：It×22.4LVu."2F1.Ix22.4LVo.=22F式中：法拉第常数F=e×NA=9.648×10°C/mol元电荷e=1.602×10-19C；阿伏伽德罗常数NA=6.022X1023mol；It/2F为产生的气体分子的摩尔数22.4L为标准状态下气体的摩尔体积；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，如图5所示。该特性曲线分为三个区域：活化极化区（又称电化学极化区）、欧姆极化区和浓差极化区，燃料电池正常工作在欧姆极化区。空载时，燃料电池输出电压为其平衡电位，在实际工作工程中，由于有电流流过，电极的电位会偏离平衡电位，实际电位与平衡电位的差称作过电位，燃料电池的过电位主要包括：活化过电位、欧姆过电位、浓差过电位。这样，PEMFC的输出电压可以表示为：V=V, -Vacr -Vohm-Ucom其中，V为燃料电池输出电压，V,为燃料电池理论电动势，UacrUohm、Ucom分别为活化过电位、欧姆过电位、浓差过电位

电解器的效率定义为： 100% 1.23 =  Uin  根据法拉第电解定律，电解生成物的量与输入电量成正比。在标 准状态下（1 个标准大气压 P0，温度为零摄氏度），设电解电流为 I， 经过时间 t 产生的氢气和氧气体积的理论值为： L F It VH 22.4 2 2 =  L F It VO 22.4 2 2 1 2 = •  式中： 法拉第常数 F=e×NA= 9.648×104 C/mol； 元电荷 e = 1.602×10-19 C； 阿伏伽德罗常数 NA = 6.022×1023 mol-1 ； It/2F 为产生的气体分子的摩尔数； 22.4L 为标准状态下气体的摩尔体积； 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，如图 5 所示。该特性曲线分为三个区域：活化极化区（又称电化学极化区）、 欧姆极化区和浓差极化区，燃料电池正常工作在欧姆极化区。空载时， 燃料电池输出电压为其平衡电位，在实际工作工程中，由于有电流流 过，电极的电位会偏离平衡电位，实际电位与平衡电位的差称作过电 位，燃料电池的过电位主要包括：活化过电位、欧姆过电位、浓差过 电位。 这样，PEMFC 的输出电压可以表示为： V =Vr −act − ohm−com 其中，V 为燃料电池输出电压，Vr为燃料电池理论电动势， act 、 ohm、com 分别为活化过电位、欧姆过电位、浓差过电位

标准状态下的理论电动势.229电化学极化区总的过电位输出电压欧姆极化区(V)浓差极化区输出电流（A/cm2）图5燃料电池静态特性曲线（1）理论电动势理论电动势是指标准状态下燃料电池的可逆电动势，与外接负载无关，其公认值为1.229V。（2）活化过电位活化过电位主要由电极表面的反应速度过慢导致。在驱动电子传输到或传输出电极的化学反应时，产生的部分电压会被损耗掉。活化过电位分为阴极活化过电位和阳极活化过电位。（3）欧姆过电位这种过电位是克服电子通过电极材料以及各种连接部件，离子通过电子质的阻力引起的。（4）浓差过电位浓差过电位主要是由电极表面反应物的压强发生变化而导致的，而电极表面压强的变化主要是由电流的变化引起的。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。3．介绍主要仪器设备与使用1、新能源电池综合特性测试仪2、太阳能电池测试架3、燃料电池测试架4、电阻箱

图 5 燃料电池静态特性曲线 （1）理论电动势 理论电动势是指标准状态下燃料电池的可逆电动势，与外接负 载无关，其公认值为 1.229V。 （2）活化过电位 活化过电位主要由电极表面的反应速度过慢导致。在驱动电子 传输到或传输出电极的化学反应时，产生的部分电压会被损耗掉。 活化过电位分为阴极活化过电位和阳极活化过电位。 （3）欧姆过电位 这种过电位是克服电子通过电极材料以及各种连接部件，离子 通过电子质的阻力引起的。 （4）浓差过电位 浓差过电位主要是由电极表面反应物的压强发生变化而导致 的，而电极表面压强的变化主要是由电流的变化引起的。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。 3．介绍主要仪器设备与使用 1、 新能源电池综合特性测试仪 2、 太阳能电池测试架 3、 燃料电池测试架 4、 电阻箱

5、小风扇等其他附件4.实验内容（1）太阳能电池特性测量OCQQ图6太阳能电池特性测试实验连线图1、按图6所示接线，电阻箱调到9999.9欧姆，插上卤钨灯电源，等待2分钟待电压表示数稳定：2、断开电阻箱接头连线，读取开路电压填入报告册表1（负载8列);3、再次接上电阻箱连线，按报告册中表1改变负载电阻R的大小（注意9.9欧姆及以下需换电阻箱接线柱），记录太阳能电池的输出电压U和输出电流I，填入表中，并计算输出功率P：4、绘制太阳能电池伏-安特性曲线图和电压-功率曲线图；5、将步骤4中相关数据再填入报告册表2中，算出太阳能电池的填充因子FF。（2）质子交换膜电解池的特性测量1.将测试仪的恒流源输出接到电解池上（注意正负极），将电压表并联到电解池两端，打开燃料电池下部的排气口止气夹，燃料电池输出端不要接负载。2.调节输入电流为300mA，待电解池输出气体稳定，并且确保电解池与储水储气罐之间的输气管内无水柱后，用止水止气夹关闭氢气

5、小风扇等其他附件 4. 实验内容 （1）太阳能电池特性测量 图 6 太阳能电池特性测试实验连线图 1、按图 6 所示接线，电阻箱调到 9999.9 欧姆，插上卤钨灯电源， 等待 2 分钟待电压表示数稳定； 2、断开电阻箱接头连线，读取开路电压填入报告册表 1（负载∞ 列）； 3、再次接上电阻箱连线，按报告册中表 1 改变负载电阻 R 的大 小（注意 9.9 欧姆及以下需换电阻箱接线柱），记录太阳能电池的输出 电压 U 和输出电流 I，填入表中，并计算输出功率 P； 4、绘制太阳能电池伏-安特性曲线图和电压-功率曲线图； 5、将步骤 4 中相关数据再填入报告册表 2 中，算出太阳能电池的 填充因子 FF。 （2）质子交换膜电解池的特性测量 1. 将测试仪的恒流源输出接到电解池上（注意正负极），将电压 表并联到电解池两端，打开燃料电池下部的排气口止气夹，燃料电池 输出端不要接负载。 2. 调节输入电流为 300mA，待电解池输出气体稳定，并且确保电 解池与储水储气罐之间的输气管内无水柱后，用止水止气夹关闭氢气

连接管和氧气连接管，观察氢气储气罐液面，当液面下降到临近的整刻度线时开始计时（利用手机秒表软件），等待液面下降5格（5ml）时停止计时，读出电压表和秒表示数并填入表2中。依次打开氢气连接管和氧气连接管上的止水止气夹使液面回位，重复步骤测量3组数据：3.按步骤（2）分别测量输入电流为200mA和100mA的数据；（3）燃料电池的特性测量1.把测试仪的恒流输出连接到电解池供电输入端，调节电解电流1wE到300mA，使电解池快速产生氢气和氧气，用电压表测量燃料电池的开路输出电压（表3负载列）和电解池的输入电压UWE：2.将电阻箱调到9999.9欧姆，参照图7，连接燃料电池、电压表、电流表以及电阻箱。3.按表3数据改变负载电阻R的大小（注意9.9欧姆及以下需换电阻箱接线柱），测量燃料电池的输出特性，即记录燃料电池的输出电压U和输出电流I填入表中。注意：1.测量开始时应确保已排出储水储气罐中的空气；2.在负载调节过程中，依次减小电阻值，不可突变3.若负载电阻很小时输出稳定性降低，则可在测量开始时，关闭燃料电池下部氢气排气口止气夹：测试时间要尽可能短（快速读数）：测量过程中注意监测储水储氧罐液面上升高度，防止水通过连接管注入燃料电池导致其损坏。4.200mA档电流表内阻为1欧姆，2A档电流表的内阻为0.1欧姆，在负载电阻较小时换挡，需考虑电流表内阻变化的影响。因此建议根据燃料电池的最大输出电流值选择某一合适量程并在测量过程中不改变量程

连接管和氧气连接管，观察氢气储气罐液面，当液面下降到临近的整 刻度线时开始计时（利用手机秒表软件），等待液面下降 5 格（5ml） 时停止计时，读出电压表和秒表示数并填入表 2 中。依次打开氢气连 接管和氧气连接管上的止水止气夹使液面回位，重复步骤测量 3 组数 据； 3. 按步骤（2）分别测量输入电流为 200mA 和 100mA 的数据； （3）燃料电池的特性测量 1. 把测试仪的恒流输出连接到电解池供电输入端，调节电解电流 WE I 到 300mA，使电解池快速产生氢气和氧气，用电压表测量燃料电 池的开路输出电压（表 3 负载∞列）和电解池的输入电压 UWE； 2. 将电阻箱调到 9999.9 欧姆，参照图 7，连接燃料电池、电压表、 电流表以及电阻箱。 3. 按表 3 数据改变负载电阻 R 的大小（注意 9.9 欧姆及以下需换 电阻箱接线柱），测量燃料电池的输出特性，即记录燃料电池的输出电 压 U 和输出电流 I 填入表中。 注意： 1. 测量开始时应确保已排出储水储气罐中的空气； 2. 在负载调节过程中，依次减小电阻值，不可突变； 3. 若负载电阻很小时输出稳定性降低，则可在测量开始时，关闭 燃料电池下部氢气排气口止气夹；测试时间要尽可能短（快速读数）； 测量过程中注意监测储水储氧罐液面上升高度，防止水通过连接管注 入燃料电池导致其损坏。 4. 200mA 档电流表内阻为 1 欧姆，2A 档电流表的内阻为 0.1 欧姆， 在负载电阻较小时换挡，需考虑电流表内阻变化的影响。因此建议根 据燃料电池的最大输出电流值选择某一合适量程并在测量过程中不改 变量程

广RA学BOCQ图7燃料电池特性测试实验连线图（4）观察太阳能-燃料电池能量转换过程（选做）1、断开实验（3）所有连线，将太阳能电池输出接到电解池上（注意正负极），插上卤钨灯电源：2、待稳定产生氢气氧气后，用止水止气夹关闭氢气连接管和氧气连接管，观察氢气储气罐液面，当液面下降约5格（5ml）时断开卤钨灯电源，此时能量已被储存在储气罐内：3、将小风扇接燃料电池电压输出口，关闭燃料电池下部的排气口止气夹；4、同时打开氢气和氧气连接管，小风扇在燃料电池的供电下开始运转，观察能持续运转多久。5.强调实验中要注意的问题（1）禁止在储水储气罐中无水的情况下接通电解池电源，以免烧坏电解池。（2）电解池用水必须为去离子水或者蒸馏水，否则将严重损坏电解池。（3）电解池禁止正负极反接，以免烧坏电解池。（4）禁止在燃料电池输出端外加直流电压，禁止燃料电池输出短路。（5）光源和太阳能电池在工作时，表面温度会很高，禁止触摸：禁止用水打湿光源和太阳能电池防护玻璃，以免发生破裂

图 7 燃料电池特性测试实验连线图 （4）观察太阳能-燃料电池能量转换过程（选做） 1、断开实验（3）所有连线，将太阳能电池输出接到电解池上（注 意正负极），插上卤钨灯电源； 2、待稳定产生氢气氧气后，用止水止气夹关闭氢气连接管和氧气 连接管，观察氢气储气罐液面，当液面下降约 5 格（5ml）时断开卤钨 灯电源，此时能量已被储存在储气罐内； 3、将小风扇接燃料电池电压输出口，关闭燃料电池下部的排气口 止气夹； 4、同时打开氢气和氧气连接管，小风扇在燃料电池的供电下开始 运转，观察能持续运转多久。 5．强调实验中要注意的问题 （1）禁止在储水储气罐中无水的情况下接通电解池电源，以免烧坏电 解池。 （2） 电解池用水必须为去离子水或者蒸馏水，否则将严重损坏电解 池。 （3）电解池禁止正负极反接，以免烧坏电解池。 （4）禁止在燃料电池输出端外加直流电压，禁止燃料电池输出短路。 （5）光源和太阳能电池在工作时，表面温度会很高，禁止触摸；禁止 用水打湿光源和太阳能电池防护玻璃，以免发生破裂

三、学生的实验开始(140分钟)四、指导实验1.指导实验注意启发学生思维，帮助学生自主解决问题：2.排除仪器故障：3.解答问题，提出问题，激发学生探究兴趣。五、检查实验的结果，签字六、实验小结实验中能量转换过程的意义和启发课（1）为什么在燃料电池特性测量实验中负载电阻很小时输出稳定性会降低？后思（2）简述能量从太阳能到燃料电池输出的过程和原理。考题参考DH-NE-1新能源实验系统使用说明书，杭州大华科教仪器研究所，杭州大华仪器制造有限公文司献

三、学生的实验开始 (140 分钟) 四、指导实验 1.指导实验注意启发学生思维，帮助学生自主解决问题； 2.排除仪器故障； 3.解答问题，提出问题，激发学生探究兴趣。 五、检查实验的结果,签字 六、实验小结 实验中能量转换过程的意义和启发。 课 后 思 考 题 （1）为什么在燃料电池特性测量实验中负载电阻很小时输出稳定性会降低？ （2）简述能量从太阳能到燃料电池输出的过程和原理。 参 考 文 献 DH-NE-1 新能源实验系统使用说明书，杭州大华科教仪器研究所，杭州大华仪器制造有限公 司