燃料电池综合实验讲义
燃料电池综合特性实验
燃料电池综合特性实验一、概述 1.新能源的定义新能源又称非常规能源。
是指传统能源之外的各种能源形式。
指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、氢能、生物质能和核聚变能等。
2.太阳能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。
广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。
利用太阳能的方法主要有：太阳电能池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电等。
本实验将测量太阳能电池下述特性：（1）测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流(I SC )、开路电压(U OC )、最大输出功率及填充因子FF[(m P )(oc sc mU I P )]。
填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
（2）光照效应：a）测量短路电流I SC 和输出功率P 之间关系，画出I SC 与P 之间的关系图。
b）测量开路电压U OC 和输出功率P 之间的关系，画出U OC 与输出功率P 之间的关系图。
3.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。
燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。
它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。
燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。
总的来说，燃料电池具有以下特点：（1）能量转化效率高：它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。
目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。
（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低，CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。
燃料电池综合特性实验实验报告
燃料电池综合特性实验实验报告燃料电池综合特性实验实验报告燃料电池是一种利用化学能转化为电能的设备，其具有高效、清洁、可持续等特点，在能源领域具有广阔的应用前景。
为了深入了解燃料电池的综合特性，我们进行了一系列实验，并通过实验报告的形式进行总结和分析。
实验一：燃料电池的基本原理在这个实验中，我们首先了解了燃料电池的基本原理。
燃料电池通过氧化还原反应将燃料和氧气转化为电能和热能。
我们选择了常见的质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行实验。
实验中，我们使用了氢气和氧气作为燃料和氧化剂，并通过电解质膜进行质子传导。
通过测量电流和电压的变化，我们得到了燃料电池的电流-电压曲线，从而了解了燃料电池的基本特性。
实验二：燃料电池的输出特性在这个实验中，我们研究了燃料电池的输出特性。
我们改变了燃料电池的负载电阻，测量了电流和电压的变化，并计算了燃料电池的输出功率。
通过绘制功率-电流曲线和功率-电压曲线，我们可以确定燃料电池的最大功率点。
实验结果表明，燃料电池的输出功率随着负载电阻的变化而变化，最大功率点的位置可以通过调整负载电阻来实现。
实验三：燃料电池的效率在这个实验中，我们研究了燃料电池的效率。
燃料电池的效率是指电能输出与燃料输入之间的比值。
我们通过测量燃料电池的输入功率和输出功率，计算了燃料电池的效率。
实验结果表明，燃料电池的效率受到多种因素的影响，包括燃料电池的工作温度、燃料的纯度等。
通过优化这些因素，可以提高燃料电池的效率。
实验四：燃料电池的稳定性在这个实验中，我们研究了燃料电池的稳定性。
燃料电池的稳定性是指燃料电池在长时间运行中的性能变化情况。
我们通过连续运行燃料电池，并测量电流和电压的变化，评估了燃料电池的稳定性。
实验结果表明，燃料电池的稳定性受到多种因素的影响，包括燃料电池的材料、温度和湿度等。
通过优化这些因素，可以提高燃料电池的稳定性。
实验五：燃料电池的寿命在这个实验中，我们研究了燃料电池的寿命。
燃料电池的寿命是指燃料电池在长时间运行中的使用寿命。
燃料电池综合特性实验..
燃料电池综合特性实验一、实验目的：1、了解燃料电池的工作原理。
2、观察仪器的能量转换过程：光能→太阳能电池→电能→电解池→氢能（能量储存）→燃料电池→电能3、测量燃料电池输出特性，做出所测燃料电池的伏安特性（极化）曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。
计算燃料电池的最大输出功率及效率。
4、测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律。
5、测量太阳能电池的特性，做出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。
获取太阳能电池的开路电压，短路电流，最大输出功率，填充因子等特性参数。
二、实验原理：1、燃料电池质子交换膜(PEM，Proton Exchange Membrane)燃料电池在常温下工作，具有启动快速，结构紧凑的优点，最适宜作汽车或其它可移动设备的电源，近年来发展很快，其基本结构如图l所示。
目前广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄腆，厚度0.05~0.lmm，它提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过。
催化层是将纳米量级的铂粒子用化学或物理的方法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03mm，对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用。
膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.2～0.5mm，导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的通道，又称为扩散层。
教学用燃料电池采用有机玻璃做流场板。
进入阳极的氢气通过电极上的扩散层到达质子交换膜。
氢分子在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应为：H2=2H+2e (l)氢离子以水合质子H+(nH2O)的形式，在质子交换膜中从一个璜酸基转移到另一个璜酸基，最后到达阴极，实现质子导电，质子的这种转移导致阳极带负电。
在电池的另一端，氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水，阴极反应为：O2+4H+4e=2H2O (2)阴极反应使阴极缺少电子而带正电，结果在阴阳极间产生电压，在阴阳极间接通外电路，就可以向负载输出电能。
“燃料电池电动汽车”教案讲义
燃料电池具有如下缺点：
价格高 目前质子交换膜燃料电池的价格虽然
已有所降低，但是要达到30－50美元/kW 的目标还需要一段时间的努力。
贵金属催化剂 铂的用量虽然已降低，但是距0.1-
0.2mg/ 还有段距离。 燃料的限制
目前车用的燃料电池主要是质子交换 膜燃料电池，它们只能用纯氢作燃料。
燃料电池分类
目前有上车历史的燃料电池主要为以下三 种：
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC） 磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel
Cell，PAFC） 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange
Membrane Fuel Cell, PEMFC)
AFC，PAFC，PEMFC三种 燃料电池的发展概况
燃料电池的发展趋势
燃料电池发展的第一课题是降低成本， 第二是选择材料，第三是提高性能。 降低成本主要是因为材料的价格很高。 车载用50kw系统仅氟高分子膜就要花费近 7400美元。另外， 在电池单元的电极中使用的白金催化剂也 是高成本的材料之一。50kw的系统中白金 催化剂就要花费将近5000美元。 燃料的选择：燃料采用氢后，重整器 部分的成本可以减免，系统得以简化。氢 的储存则采用储氢合金或者高压储气罐。
燃料电池
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂 中的化学能通过电极反应直接转化为电能 的发电装置。它平时将燃料（如氢气、甲 醇等）和氧化剂（如氧气）分别作为电池 两极的活性物质保存在电池的本体之外， 当使用时连续通入电池体内，使电池发电。 燃料电池本体由质子交换膜，膜电极， 集流板三部分组成。
燃料电池实质上是电化学反应发生器，它 的燃料主要是氢气。 反应机理是将燃料中 的化学能不经燃烧而直接转化为电能。电 化反应步骤为：经增湿后的氢气和氧气分 别进入阳极室和阴极室，经气体电极扩散 层扩散，到达催化层与质子交换膜的界面， 分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应。
精选燃料电池讲解讲义.(ppt)
率密度，较小的极化损失和欧姆损失； 不用贵金属，不存在液态电解质腐蚀及封接问题。 替代火力发电，可将发电率由目前的40%左右提高到85%，它易
于实现热电联产。
可用做医院、居民区、矿山等小区域以及军舰等移动目标的供电 电源。
阳极，燃料电极（fuel electrode）:
O2-+CO → CO2+2e- (煤气)
O2-+H2 → H2O+2e-
(氢气)
O2- +CH4 →CO2+H2O （液化气）
多孔阳极 致密电解质
多孔阴极
Pt-Current Collector
Ni/YSZ 10µm
YSZ 6µm
Anode Support Layer (200-250µm)
物理基础
电子电导
电子电导的载流子是电子或空穴(即电子空位)。电子 电导主要发生在导体和半导体中。电子在晶体中的运 动状态用量子力学理论来描述。能带理论指出，在具 有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴，在绝 对零度下的运动像理想气体分子在真空中的运动一样 ，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。只有当周 期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。电场 周期破坏的来源是:晶格热振动、杂质的引入、位错和 裂缝等。在电子电导的材料中，电子与点阵的非弹性 碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原因。
4.3.1 SOFC的工作原理
SOFC单电池一般呈三明治结构，又称PEN(Positive-pole ，Electrolyte and Negative-pole)，主要由致密的电解质 、多孔的阳极和阴极组成。
燃料电池综合特性实验实验报告
燃料电池综合特性实验实验报告实验报告燃料电池综合特性实验实验报告实验目的：1、研究燃料电池的综合特性；2、探究不同条件下燃料电池的性能变化。
实验原理：燃料电池是一种利用化学能转化为电能的设备。
它通过电化学反应将氢气和氧气合成水的过程中释放出能量，并将能量转化为电能。
燃料电池的核心是电化学反应，在反应中产生的电能和功率取决于电化学反应的速率和电化学势。
电化学反应速率与温度、压力、反应物浓度等因素有关。
实验过程：1、将燃料电池与电子载流板连接，并调整电流控制器，为电池施加外电压；2、在恒定的温度和压力下，记录电池的电量输出、输出电压、输出电流、燃料消耗率等参数；3、调整温度和压力，重复实验；4、根据实验数据分析燃料电池的综合特性。
实验结果：在本次实验中，我们通过改变温度、压力等因素，研究了燃料电池的综合特性。
实验数据表明，在较低的温度和较高的压力下，燃料电池的性能最优。
同时，随着温度的升高和压力的降低，燃料电池的输出电量、电压和电流都会减少，燃料消耗率却会增加。
这些结果为燃料电池的应用和优化提供了实验依据。
结论：通过本次实验，我们得出了以下结论：1、低温和高压有利于燃料电池的性能提升；2、温度和压力的变化会对燃料电池的输出电量、电压、电流和燃料消耗率产生影响。
实验意义：燃料电池是一种具有广阔应用前景的新型能源设备，其性能的优化对于推广应用至关重要。
本次实验从实验数据的角度回答了一些关键问题，对未来的燃料电池研究和应用提供了参考和依据。
参考文献：1、《燃料电池基础及应用》；2、《燃料电池综合性能研究》。
燃料电池特性综合实验报告
燃料电池特性综合实验报告燃料电池特性综合实验报告燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，它具有高效、环保、低噪音等特点，被广泛应用于能源领域。
本次实验旨在研究燃料电池的特性，并探究其在不同条件下的性能表现。
1. 实验目的本次实验的主要目的是通过对燃料电池的特性进行综合实验，了解其工作原理和性能特点，为进一步研究和应用提供基础数据。
2. 实验器材本次实验所使用的器材包括燃料电池、电流电压源、电阻箱、数字万用表、数据采集卡等。
3. 实验步骤3.1 准备工作首先，我们需要检查实验器材的完好性，确保实验的顺利进行。
同时，还需准备好所需的燃料和氧气供应。
3.2 实验过程在实验开始前，我们首先将电流电压源和燃料电池进行连接，并通过电阻箱调节电流的大小。
然后，我们使用数字万用表测量电池的电压和电流，并将数据记录下来。
接下来，我们将改变电流的大小，观察燃料电池的电压变化情况。
最后，我们还可以改变燃料和氧气的供应量，探究其对燃料电池性能的影响。
4. 实验结果与分析通过实验数据的收集和分析，我们可以得出以下结论：4.1 燃料电池的电压-电流特性曲线呈现出非线性关系。
随着电流的增大，电压呈现出逐渐下降的趋势。
这是因为在高电流下，电池内部的电阻会导致电压损失。
4.2 燃料电池的性能受到温度的影响较大。
在较低温度下，电池的性能较差，电压下降明显。
而在较高温度下，电池的性能相对较好，电压下降较小。
4.3 燃料电池的性能也受到燃料和氧气供应量的影响。
当燃料供应量不足时，电池的电压下降明显；而当氧气供应量不足时，电压下降较小。
5. 实验结论通过本次实验，我们对燃料电池的特性有了更深入的了解。
我们发现燃料电池的电压-电流特性曲线呈现非线性关系，受到温度和燃料、氧气供应量的影响较大。
这些研究结果为燃料电池的进一步应用和优化提供了重要的参考。
6. 实验总结本次实验通过对燃料电池的特性进行综合实验，深入了解了其工作原理和性能特点。
燃料电池综合特性实验实验报告
燃料电池综合特性实验实验报告一、引言。
燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的高效能源转换装置，具有高能量密度、低污染、无噪音等优点，因此受到了广泛关注。
燃料电池的综合特性实验旨在对燃料电池的性能进行全面评价，为其在实际应用中的推广提供参考。
二、实验目的。
本实验旨在通过对燃料电池的综合特性进行测试，掌握燃料电池的工作原理和性能特点，为燃料电池在能源领域的应用提供实验数据支持。
三、实验原理。
燃料电池是一种将氢气和氧气直接转化为电能和热能的装置，其工作原理是通过氢气在阳极催化剂表面的氧化反应产生电子和氢离子，电子通过外部电路流向阴极，氢离子通过电解质膜传递到阴极，与氧气发生还原反应产生水。
在这一过程中，电子流动形成电流，完成电能的转换。
四、实验步骤。
1. 准备工作，将燃料电池系统组装好，连接好氢气和氧气的供应管路，并进行密封检查。
2. 实验前检测，对燃料电池系统进行电压、电流、温度等参数的检测，确保系统处于正常工作状态。
3. 实验过程，通过控制氢气和氧气的流量，调节燃料电池系统的工作状态，记录电压、电流、温度等参数的变化。
4. 数据处理，对实验得到的数据进行整理和分析，得出燃料电池的综合特性参数。
五、实验结果与分析。
通过实验，我们得到了燃料电池在不同工作状态下的电压、电流、温度等参数。
经过数据处理和分析，我们得出了燃料电池的极化曲线、功率曲线等综合特性参数。
通过对这些参数的分析，我们可以评价燃料电池的性能表现，为其在实际应用中提供参考。
六、结论。
通过本次实验，我们对燃料电池的综合特性进行了全面评价，掌握了其工作原理和性能特点。
实验结果表明，燃料电池具有较高的能量转换效率和稳定性，具有广阔的应用前景。
然而，燃料电池在实际应用中还存在一些问题，如催化剂的稳定性、材料的成本等，需要进一步研究和改进。
七、参考文献。
1. 郑伟，李明. 燃料电池综合特性实验[M]. 北京，化学工业出版社，2015.2. Smith, John. Comprehensive characteristics of fuel cells. Journal of Power Sources, 2018, 392(1): 123-135.八、致谢。
大学物理实验燃料电池教案
一、实验目的1. 了解燃料电池的基本原理和结构。
2. 学习燃料电池的工作过程及其性能测试方法。
3. 掌握通过实验数据分析燃料电池的特性，如开路电压、短路电流、内阻等。
4. 培养学生的实验操作能力和科学探究精神。
二、实验原理燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的装置。
其基本原理是通过电化学反应，将燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气）反应产生的化学能转化为电能。
实验中常用的燃料电池类型为氢氧燃料电池。
三、实验器材1. 氢气发生器2. 氧气瓶3. 燃料电池装置4. 电压表5. 电流表6. 秒表7. 导线8. 实验记录表格四、实验步骤1. 准备工作：检查实验器材是否完好，确保氢气和氧气瓶的压力适中。
2. 连接电路：将氢气发生器、氧气瓶、燃料电池装置、电压表、电流表和秒表连接成电路。
3. 实验开始：- 打开氢气发生器，调节流量，确保氢气稳定输出。
- 打开氧气瓶，调节流量，确保氧气稳定输出。
- 开启燃料电池装置，记录开路电压（无电流通过时的电压）。
- 逐渐增加负载，记录不同负载下的电压和电流。
- 每次改变负载后，等待系统稳定一段时间，再进行数据记录。
4. 数据记录与分析：- 记录不同负载下的电压、电流和功率。
- 根据实验数据，绘制伏安特性曲线。
- 计算燃料电池的内阻、开路电压、短路电流等参数。
5. 实验结束：- 关闭氢气和氧气瓶的阀门。
- 断开实验电路，整理实验器材。
五、注意事项1. 实验过程中，注意安全操作，避免氢气和氧气泄漏。
2. 调节氢气和氧气流量时，要缓慢进行，防止流量过大导致爆炸。
3. 实验过程中，注意观察燃料电池的工作状态，如电池颜色、温度等。
4. 实验数据要准确记录，避免因记录错误导致实验结果不准确。
六、实验报告1. 实验目的与原理2. 实验器材与步骤3. 实验数据与分析4. 实验结果与讨论5. 实验总结与反思七、课后作业1. 分析实验数据，讨论影响燃料电池性能的因素。
2. 查阅资料，了解其他类型的燃料电池及其特性。
燃料电池综合实验
燃料电池综合特性实验
一、准备
1.加水：打开气水塔连通管，加水至上、下限之间，关闭水连通管。
2. 电流源输出端串连电流表后接入电解池，将电压表并联到电解池两端。
3. 关闭气水塔输气管止水夹，调节恒流源输出到最大（顺时针到底）。
当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输气管止水夹，排出气水塔下层的空气。
如此反复2～3次。
二、电解池的特性测量
1. 调节输出电流分别为100mA,200m,A300mA，待电解池输出气体稳定后
三、燃料电池输出特性的测量
1. 电解池输入电流保持在300mA，关闭风扇。
2. 电压测量端口接到燃料电池输出端。
打开气水塔输气管止水夹，等待10分钟，电压稳定后记录开路电压值。
3. 电流量程切换到200mA，超量程切换到2A。
负载调至最大，电流测量端口与可变负载串联后接入燃料电池输出端，改变负载，稳定后记录电压、电流值。
每测量一个点需稳定约5分钟。
燃料电池的最大输出功率和最大输出功率时对应的效率是多少？
四、太阳能电池的特性测量
1. 电流测量端口与可变负载(调至最大）串联后接入太阳能电池的输出端，电压表并联到太阳能电池两端。
太阳能电池的开路电压U oc，短路电流I sc是多少？最大输出功率p m是多少？最大工作电压U m，最大工作电流I m是多少？填充因子FF是多少？。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
燃料电池综合实验
一、实验目的
1.了解燃料电池的工作原理。
2.观察仪器的能量转换过程：光能—太阳能电池—电能—电解池—氢能（能量存储）—燃料电池—电能。
3.测量燃料电池的输出特性，作出燃料电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线，计算
燃料电池的最大输出功率和效率。
4.测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律。
5.测量太阳能电池的特性，作太阳能电池的伏安特性曲线以及输出功率随输出电压的变化曲线，获取太阳
能电池的开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子等特性参数。
二、实验原理
1、燃料电池
负载电路
氢气氧气
阳极催化层质子交换膜阴极催化层
图2 质子交换膜燃料电池结构示意图
质子交换膜（PEM，Proton Exchange Membrane）燃料电池在常温下工作，具有启动快速，结构紧凑的优点，最适宜作汽车或其它可移动设备的电源，近年来发展很快，其基本结构如图2所示。
目前广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.05~0.1mm，它提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过。
催化层是将纳米量级的的铂粒子用化学或物理的方法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03mm，对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用。
膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.2~0.5mm，导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的通道，又称为扩散层。
商品燃料电池为了提供足够的输出电压和功率，需将若干单体电池串连或并联在一起，流场板一般由导电良好的石墨或金属做成，与单体电池的阳极和阴极形成良好的电接触，称为双极板，其上加工有供气体流通的通道。
教学用燃料电池为直观起见，采用有机玻璃做流场板。
进入阳极的氢气通过电极上的扩散层到达质子交换膜。
氢分子在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应为：
H2 = 2H++2e （1）
氢离子以水合质子H+（nH2O）的形式，在质子交换膜中从一个璜酸基转移到另一个璜酸基，最后到达阴极，实现质子导电，质子的这种转移导致阳极带负电。
在电池的另一端，氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水，阴极反应为：
O2+4H++4e = 2H2O （2）
阴极反应使阴极缺少电子而带正电，结果在阴阳极间产生电压，在阴阳极间接通外电路，就可以向负载输出电能。
总的化学反应如下：
2H2＋O2 = 2H2O （3）（阴极与阳极：在电化学中，失去电子的反应叫氧化，得到电子的反应叫还原。
产生氧化反应的电极是阳极，产生还原反应的电极是阴极。
对电池而言，阴极是电的正极，阳极是电的负极。
）
2、水的电解
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。
水电解装置同样因电解质的不同而各异，碱性溶液和质子交换膜是最好的电解质。
若以质子交换膜为电解质，可在图2右边电极接电源正极形成电解的阳极，在其上产生氧化反应2H2O = O2+4H++4e。
左边电极接电源负极形成电解的阴极，阳极产生的氢离子通过质子交换膜到达阴极后，产生还原反应2H++2e = H2。
即在右边电极析出氧，左边电极析出氢。
作燃料电池或作电解器的电极在制造上通常有些
差别，燃料电池的电极应利于气体吸纳，而电解器需要尽快排出气体。
燃料电池阴极产生的水应随时排出，以免阻塞气体通道，而电解器的阳极必须被水淹没。
空间电荷区图3 半导体P-N结示意图
3、太阳能电池
太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结，如图3所示，P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。
N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。
当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散，P 区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。
势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。
在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N 区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。
当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子－空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。
三、实验仪器
实验仪器主要由实验主机以及实验装置组成，另外配有水容器，注射器、秒表等配件。
如下图所示：
图4 燃料电池特性综合实验装置
仪器使用简介
主机操作说明：
液晶屏显示电流源输出电压和输出电流，可以通过主机前面板中“电流源”“增大“和”减小“按键调节输出电流的大小（连续可调，范围为0-300mA），“电流源”方框下部有红黑两个小手枪插座可以连接至电解池（注意电源正负不要接反）。
另外，主机前面板上有“可变电阻”是由1K欧姆和100欧姆可变电位器串接而成，下方有红黑小手枪接线座，当连接至电路时，液晶屏上显示“输入电压”和“输入电流”表示电位器两端电压和电位器电路中的电流。
主机前面板“电源”开关控制整个主机电源通断。
主机后面板“光源电源”航空插座可通过航空连接线与实验装置上射灯相连，“光源开关”控制射灯的通断（注意，在主机“电源”开关打开的前提下）。
实验装置操作说明：
质子交换膜必须含有足够的水分，才能保证质子的传导，但水含量又不能过高，否则电极被水淹没，水阻塞气体通道，燃料不能传导到质子交换膜参与反应。
如何保持良好的水平衡关系是燃料电池设计的重要课题。
为保持水平衡，我们的电池正常工作时排水口打开，在电解电流不变时，燃料供应量是恒定的。
若负载选择不当，电池电流输出太小，未参加反应的气体从排水口泄露，燃料利用率及效率都低。
在适当选择负载时，燃料利用率约为90%。
气水塔为电解池提供纯水（二次蒸馏水），可分别储存电解池产生的氢气和氧气，为燃料电池提供燃料气体。
每个气水塔都是上下两层结构，上下层之间通过中间的连通管相连接，下层顶部有一输气管连接到燃料电池，初始时，两个气水塔的下层两个通水管都与电解池相连，电解池充满水，气水塔下层也近似充满水，电解池工作，产生的气体会汇聚在下层底部，通过输气管输出至燃料电池。
若关闭输气管开关，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。
通过上层顶部管壁上的刻度可知储存气体的体积（上层水上升的体积也即是氢气产生的体积）。
小风扇作为定性观察时的负载（可以将燃料电池的红黑输出端与小风扇相连，看是否转动来判断燃料电池是否工作），主机面板上“可变电阻”作为定量测量时的负载。
四、实验任务
1．了解燃料电池的工作原理。
2．观察能量转换过程：光能—太阳能电池—电能—电解池—氢能（能量存储）—燃料电池—电能。
3．测量燃料电池的输出特性，作出燃料电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线，计算燃料电池的最大输出功率和效率。
4．测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律。
5．测量太阳能电池的特性，作太阳能电池的伏安特性曲线以及输出功率随输出电压的变化曲线，获取太阳能电池的开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子等特性参数。
注意事项
1.使用前请首先详细阅读本说明书。
2.该实验系统必须使用去离子水或者二次蒸馏水，容器必须清洁干净，否则将损坏系统。
3.PEM电解池的最高工作电压为4V，最大输入电流为300mA，超量程使用将极大地损害电解池。
4.PEM电解池所加的电源极性必须正确，否则将损坏电解池并有起火燃烧的可能。
5.绝对不允许将任何电源加于PEM燃料电池输出端，否则将损坏燃料电池。
6.气水塔中所加入的水面高度必须在出气管高度以下，以保证PEM燃料电池正常工作。
7.该实验装置主体由有机玻璃制成，使用中必须小心，以免损伤。
8.太阳能电池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。
9.绝不允许用水打湿太能能电池和配套光源，以免触电和损坏该部件。
五、数据处理要求
1．燃料电池输出特性的测量：
测量燃料电池输出电流和输出电压，列表记录数据，并作燃料电池的极化特性曲线和燃料电池输出功率随输出电压的变化曲线，由图线确定燃料电池的效率；
2．质子交换膜电解池的特性测量：
测量电解池在电流为100mA、200mA、300mA时，在一定时间内产生的氢气量（每5s记录一次），列表记录数据，作图或者直线拟合，得到氢气产生率，并与理论氢气产生率比较，计算测量误差，分析误差产生原因；
3．太阳能电池的特性测量：
测量太阳能电池的输出电流和电压，列表记录数据，作该电池的伏安特性曲线，作该电池输出功率随输出电压的变化曲线，由图线确定太阳能电池的最大输出功率和对应的最大工作电压U m、最大工作电流
I m、开路电压U oc、短路电流I sc、填充因子FF；
4．实验总结。