燃料电池综合特性实验解读
氢燃料电池的原理及应用实验报告
氢燃料电池的原理及应用实验报告引言氢燃料电池是一种能够通过氢气与氧气的反应产生电能的装置。
它具有高效、清洁、环保等特点，被广泛应用于交通运输、能源储存等领域。
本报告将介绍氢燃料电池的工作原理以及它在实际应用中的一些实验结果。
原理氢燃料电池的工作原理基于氢气与氧气的反应产生水和电能的过程。
具体过程如下： 1. 氢气（H2）以及氧气（O2）在电极上发生电化学反应。
2. 在阳极上，氢气将电子丢失并且被氢气离子化（2H2 → 4H+ + 4e-）。
3. 在阴极上，氧气接受电子并与氢气离子结合形成水（O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O）。
4. 电子流经外部电路，产生电流。
5. 产生的水蒸气可以通过废气排出。
实验设备实验中我们使用了以下设备： - 氢气供应系统 - 氧气供应系统 - 双电极燃料电池- 电池测试仪实验步骤1.搭建氢气供应系统以及氧气供应系统，并将其连接至双电极燃料电池。
2.将双电极燃料电池与电池测试仪相连接，并设置相应参数。
3.打开氢气供应系统和氧气供应系统，调节供气量。
4.观察电池测试仪上的电流输出值。
5.将实验数据记录下来。
实验结果与讨论通过以上实验步骤和操作，我们得到了一系列实验结果，并对其进行了分析和讨论。
以下是其中一些重要结果： - 在不同供气量下，电池的输出电流存在一定的线性关系。
- 实验结果显示，提高氢气供应量可以提高燃料电池的输出电流。
- 实验过程中，没有观察到明显的能量损失或副产品产生。
根据以上实验结果，我们可以得出以下结论： 1. 氢燃料电池是一种高效且环保的能源转换装置。
2. 在实际应用中，适当增加氢气供应量可以提高燃料电池的输出性能。
3. 氢燃料电池可以作为替代传统能源的一种可行选择。
结论氢燃料电池是一种清洁、高效的能源转换装置，能够通过氢气与氧气的反应产生电能。
通过实验，我们验证了氢燃料电池在不同供气量下的输出特性，并得出了一些实验结论。
在实际应用中，氢燃料电池具有广阔的发展前景，可以成为替代传统能源的一种可行选择。
OUC燃料电池综合实验
燃料电池综合实验王忠成，宋鹏，吴宝兰中国海洋大学，海洋地球科学学院，地球信息科学与技术专业，山东省青岛市 26610摘要：燃料电池以氢和氧为燃料，通过电化学反应直接产生电力，能量转换效率高于燃烧燃料的电机。
燃料电池的反应生成物为水，对环境无污染，单位体积氢的储能密度远高于现有的其他电池。
燃料电池的燃料氢（反应所需的氧可从空气中获得）可电解水获得，也可由矿物或生物原料转化制成。
本实验包含太阳能电池发电（光能-电能转换），电解水制取氢气（电能-氢能转换），燃料电池发电（氢能-电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换，储存，使用的链条。
实验内含物理内容丰富，实验内容紧密结合科技发展热点与实际应用，实验过程清洁环保。
关键词：空气热机；卡诺定理；实际效率中图法分类号： xxx 文献标志码：A文章编号： 1672-5174(xxxx)xx-xxx-xx1 实验原理（1）燃料电池在电池的两极一端通入氢气另一端通入氧气，通入氢气的一端在催化剂的作用下解离为两个氢离子，即质子，并释放出两个电子，阳极反应为：O2=2H++2e （1）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：O 2+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。
（2）2水的电解将水电解生成氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气的反应生成水互为逆过程。
电源正极形成电解的阳极，在其上产生的反应为2H2O=O2+4H++4e。
电源负极形成点解的阴极，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。
（3）太阳能电池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。
燃料电池综合特性研究
实验题目：燃料电池综合特性的研究实验目的：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，作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，作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。
实验原理：一、燃料电池质子交换膜燃料电池（如上图）在常温下工作，其基本结构如图1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。
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。
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）二、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。
燃料电池材料实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解燃料电池的基本原理和结构。
2. 研究不同燃料电池材料（如催化剂、电解质等）的性能及其对燃料电池性能的影响。
3. 通过实验，验证理论知识和提高实验技能。
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，其工作原理是基于氧化还原反应。
燃料电池主要由燃料电极、空气电极、电解质和隔膜组成。
在燃料电池中，氢气在燃料电极上发生氧化反应，释放电子；氧气在空气电极上发生还原反应，接受电子。
电子通过外电路流动，产生电能。
三、实验材料与设备1. 实验材料：- 氢气- 氧气- 铂催化剂- 石墨电极- 碳纤维纸- 磷酸氢二铵溶液- 银网- 隔膜- 电解质- 电池测试仪- 烧杯- 烧瓶- 移液管- 滴定管- 电子天平2. 实验设备：- 燃料电池测试装置- 数据采集系统- 真空泵- 恒温水浴- 真空干燥箱四、实验步骤1. 准备燃料电池测试装置，包括燃料电极、空气电极、电解质和隔膜。
2. 将铂催化剂涂覆在石墨电极上，形成燃料电极。
3. 将银网涂覆在碳纤维纸上，形成空气电极。
4. 将磷酸氢二铵溶液作为电解质。
5. 将燃料电池测试装置组装好，连接电池测试仪和数据采集系统。
6. 向燃料电极注入氢气，向空气电极注入氧气。
7. 开始实验，记录电池的电压、电流和功率等数据。
8. 重复实验，比较不同催化剂、电解质和隔膜对燃料电池性能的影响。
五、实验结果与分析1. 实验数据：| 实验次数 | 催化剂 | 电解质 | 隔膜 | 电压(V) | 电流(A) | 功率(W) ||----------|--------|--------|------|----------|----------|----------|| 1 | 铂 | 磷酸氢二铵 | 隔膜A | 0.6 | 0.2 | 0.12 || 2 | 钌 | 磷酸氢二铵 | 隔膜A | 0.5 | 0.3 | 0.15 || 3 | 铂 | 磷酸氢二铵 | 隔膜B | 0.7 | 0.4 | 0.28 || 4 | 钌 | 磷酸氢二铵 | 隔膜B | 0.6 | 0.25 | 0.15 |2. 结果分析：- 铂催化剂在磷酸氢二铵电解质和隔膜A的条件下，电压和功率均高于钌催化剂。
太阳能电池实验报告
实验题目：燃料电池综合特性的研究1，电解池的特性测量根据法拉第电解定律，电解生成物的量与输入电量成正比。
可得公式：氢气式中T为摄氏室温，Po为标准大气压，P为所在地大气压，F为法拉第常数其中F=e*NA ，NA为阿伏伽德罗常数。
故在误差允许的范围内，电解生成的氢气产生量V与输入电量It近似成正比，即验证了法拉第定律。
2，燃料电池输出特性测量燃料电池输出功率-电压变化曲线:从图中看出，燃料电池在电压较大时，功率随着电压的增大而减小。
此时，燃料电池内部的电极部分存在一定的内阻，内阻消耗了部分的功率。
在输出电压为646mV 左右的位置，燃料电池取得了最大输出功率。
最大输出功率为218.35mW ，输出电流为338mA 。
综合考虑燃料电池的利用率及输出电压与理想电动势差异，燃料电池的效率为：电池电池 电解 输出3,太阳能电池输出特性的测量B1．太阳能电池伏安特性曲线050100150200250300V/VI/mA2.太阳能电池输出功率-电压变化曲线0150300450600750900BA V/VP/mW从曲线中看出，输出电压较大时电流下降较快，曲线斜率比较大。
太阳能电池 的最大输出功率约为Pm=831.5mW ，这时的输出电压是Um=2.79V,输出电流为Im=298mA,太阳能电池的开路电压U oc =3.26V ，短路电流I oc =314mA 。
算得其填充因子:理论上，填充因子应在70%~85%左右，说明实验数据正确。
太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系数就越大，反映到太阳能电池的电流—电压特性曲线上，曲线斜率的变化就越突然，整个曲线有趋向于直角的趋势。
此时太阳能电池的转换效率就越高。
燃料电池的动态特性及其控制研究
燃料电池的动态特性及其控制研究一、燃料电池的基本原理及分类燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，其基本原理是利用氢气与氧气的氧化还原反应产生电流。
根据燃料电池中使用的原料不同，燃料电池分为多种类型，如氢氧燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池、天然气燃料电池等。
二、燃料电池的动态特性分析动态特性是指燃料电池在不同工况下的电压、电流变化规律。
燃料电池的动态特性与其用途密切相关，不同的用途需要不同的动态特性。
1.稳态动态特性稳态动态特性是指燃料电池在恒定工况下的电压、电流变化规律。
稳态动态特性测试是燃料电池性能评价的重要指标之一。
在实际应用中，燃料电池的稳态特性应符合应用要求，如稳定、高效、安全、可靠等。
2.瞬态动态特性瞬态动态特性是指燃料电池在瞬间加断负载时的电压、电流响应规律。
瞬态动态特性测试是燃料电池在应对急变负荷时的能力评估指标之一。
瞬态动态特性直接影响燃料电池在复杂负荷条件下的稳定性能。
3.响应速度动态特性响应速度动态特性是指燃料电池在响应超负荷电流时的响应速度。
响应速度动态特性是燃料电池性能评价中的重要指标之一。
响应速度是评估燃料电池在响应急速变化负荷时的能力，需要在充分考虑运行安全的前提下，尽力提高其响应速度。
三、燃料电池的控制研究1.传统控制方法传统的控制方法主要采用PID控制算法。
PID控制器通过测量系统的输出信息与目标值误差，计算出控制变量，提高系统性能的控制过程。
PID控制算法简单可行，但受到瞬态响应差、鲁棒性不佳等问题的制约，需要通过大量实验来调整参数，控制效果差异较大。
2.先进控制方法先进控制方法主要包括模型预测控制、反馈线性化控制、滑模控制、自适应控制等。
这些方法的优点在于可以减少控制器调试的时间和成本，同时也有能力更好地掌握动态特性变化，提高系统响应速度和稳定性。
但是，这些方法需要较高的计算能力和专业技能，使得复杂的控制系统更加困难。
四、总结与展望随着燃料电池领域的快速发展，燃料电池控制技术也在快速发展。
质子交换膜燃料电池实验报告
质子交换膜燃料电池实验报告一、实验目的本实验旨在研究质子交换膜燃料电池的性能及其应用，通过实验掌握质子交换膜燃料电池的工作原理、构成和性能测试方法，为未来的燃料电池应用提供实验依据。
二、实验原理质子交换膜燃料电池是一种基于氢气与氧气反应产生电能的新型能源装置。
其工作原理是将氢气流经阳极，同时将空气或纯氧气流经阴极，在阳极上发生氢化反应产生质子和电子，质子穿过质子交换膜到达阴极，与阴极上的电子和空气或纯氧发生还原反应生成水和电能。
其中，质子交换膜扮演着关键角色，它可以选择性地传递正离子而阻止其他离子通过。
三、实验步骤1.准备好所需材料：质子交换膜燃料电池组件、液态水、加热器、温度计等。
2.将液态水注入质子交换膜燃料电池组件中。
3.将质子交换膜燃料电池组件连接到加热器和温度计上，调节加热器的温度使其达到适宜的工作温度范围。
4.连接电路，打开电源，记录并分析质子交换膜燃料电池的输出电流、输出电压、功率等参数。
5.根据实验数据分析质子交换膜燃料电池的性能，包括效率、稳定性等指标。
四、实验结果与分析通过实验测量，我们得到了质子交换膜燃料电池在不同工作条件下的输出电流、输出电压、功率等参数。
根据实验数据，我们可以得出以下结论：1.随着温度升高，质子交换膜燃料电池的输出功率有所提高。
这是因为在较高的温度下，氢气和氧气反应速率加快，反应产生的能量也更多。
2.在相同工作条件下，使用纯氧气作为阴极气体比使用空气能够产生更高的输出功率。
这是因为纯氧气中含有更多可用于反应产生能量的氧分子。
3.质子交换膜燃料电池的效率随着输出功率的提高而降低。
这是因为在高功率输出时，部分能量会被转化为热能而无法转化为电能。
4.质子交换膜燃料电池具有较好的稳定性，经过长时间运行后仍能保持较高的输出功率。
五、实验结论通过本次实验，我们深入了解了质子交换膜燃料电池的工作原理和性能表现。
实验结果表明，在适宜的工作条件下，质子交换膜燃料电池具有较高的效率和稳定性，具有广阔的应用前景。
燃料电池试验
燃料电池试验實驗九氫氧燃料電池的製備實驗⼗直接甲醇燃料電池的製備與量測⼀、實驗⽬的1.學習氧化還原反應、電解、充電、放電之原理。
2.學習燃料電池之製作及性能測定。
3.藉由製備不同燃料電池，探討電池之電壓、充電效果及持久性。
⼆、實驗原理燃料電池（Fuel cell）是⼀種主要透過氧或其他氧化劑進⾏氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的電池。
⽽最常⾒的燃料為氫，⼀些碳氫化合物例如天然氣、醇、和甲烷等有時亦會作燃料使⽤。
燃料電池有別於原電池，因為需要穩定的氧和燃料來源，以確保其運作供電。
這種電池的優點是可以不間斷的提供穩定電⼒，直⾄燃料耗盡。
現今⽣活中存在多種燃料電池，但它們運作原理基本上⼤致相同，必定包含⼀個陽極，⼀個陰極以及讓電荷通過電池兩極的電解質。
電⼦由陽極傳⾄陰極產⽣直流電，形成完整的電路。
各種燃料電池是基於使⽤不同的電解質以及電池⼤⼩⽽分類的，因此電池種類變得更多元化，⽤途亦更廣泛。
由於以個體燃料電池計，單⼀顆電池只能輸出相對較⼩的電壓，⼤約0.7V，所以燃料電池多以串連或⼀組的⽅式製造，以增加電壓，配合應⽤需求。
（⼀）氫氧燃料電池以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑，通過化合作⽤發電，此種燃料電池⼜叫再⽣性氫氧燃料電池(regenerative fuel cell，RFC)。
氫和氧化學反應⽣成⽔蒸氣，不排放碳化氫、⼀氧化碳、氮化物和⼆氧化碳等污染物質，排出物是無污染的⽔。
氫氧燃料電池排放出⾮常清潔副產品，幾乎無污染且⾼效率。
其設計原理是利⽤可⾃發的氧化還原反應之化學能轉換為電能。
陽極進⾏氫氣氧化，產⽣的電⼦經外電路傳遞給陰極之氧氣，氧氣經還原反應獲得電⼦形成氧離⼦，陽極所產⽣的質⼦經質⼦交換膜傳遞到陰極與氧反應⽣成⽔（如下圖）。
氫氧燃料電池⽰意圖陽極半反應（氧化）H2→2H+ + 2e- E o cell = 0 V (1) 陰極半反應（還原）1/2 O2 + 2H+ + 2e-→H2O E o cell = 1.23 V (2) 總電池反應H2(g) + 1/2 O2(g)→H2O(l)E o cell = 1.23 V (3)（⼆）⽔的電解（對氫氧電池充電）：⽔電解的過程中，電極的陽極部分發⽣氧化作⽤（放出氧氣），陰極部分則發⽣還原作⽤（放出氫氣），兩極產⽣的氣體體積⽐為1：2。
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？。
PEM燃料电池效率和特性的研究
t/min:s v/ml 225 200 175 150 125 100 75 50 t=540s 25 25 25 25 0:00 9:05 0:00 9:07 0:00 8:57 0:00 8:51 U=0.75V
U/V 0.75 0.75 0.75 0.73 0.75 0.75 0.75 0.74 I=0.35A
24
I=2.01A
表3.2
U=1.83A
v/ml 0 25 50 75 100 125 150 175 t/min:s 0:00 1:42 3:24 5:07 6:49 8:34 10:15 12:03 t/s 0 102 204 307 409 514 615 723
25
根据 就可以算出电解的效率。 就可以算出电解的效率。
PEM燃料电池效率和特性的研究 PEM燃料电池效率和特性的研究
1
目录
实验目的 实验仪器 实验原理与计算 实验步骤 总结
2
实验目的
绘制水的电解特性曲线。 绘制水的电解特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 测量水的电解效率。 测量水的电解效率。 测量燃料电池的效率。
3
实验仪器
6
图二：
7
电解过程中发生的反应如下： 电解过程中发生的反应如下：
阳极
2H2O → 4e + 4H + O2
4 H + 4e → 2 H 2
2 H 2O → 2 H + O2
8
−
+
阴极
+
−
总反应
2
图三：
9
图四：
10
燃料电池中发生的反应如下: 燃料电池中发生的反应如下
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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。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1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=H2O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。 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，图2为P-N结示意图。 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一空穴对，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 仪器的构成如图3所示。
图3 燃料电池综合实验仪 质子交换膜必需含有足够的水分，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，电池输出电流太小，未参加反应的气体从排水口泄漏，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（2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，上下层之间通过插入下层的连通管连接，下层顶部有一输气管连接到燃料电池。初始时，下层近似充满水，电解池工作时，产生的气体会汇聚在下层顶部，通过输气管输出。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。 风扇作为定性观察时的负载，可变负载作为定量测量时的负载。 测试仪面板如图4所示。测试仪可测量电流，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。 图4 燃料电池测试仪前面板示意图 如图4所示为燃料电池实验仪系统的测试仪前面板图。 区域l——电流表部分：作为一个独立的电流表使用。其中： 两个档位：2A档和200mA档，可通过电流档位切换开关选择合适的电流档位测量电流。 两个测量通道：电流测量I和电流测量II。通过电流测量切换键可以同时测量两条通道的电流。 区域2——电压表部分：做为一个独立的电压表使用。共有两个档位：20V档和2V档，可通过电压档位切换开关选择合适的电压档位测量电压。 区域3——恒流源部分：为燃料电池的电解池部分提供一个从0~350mA的可变恒流源。
四、实验内容与步骤： 1、质子交换膜电解池的特性测量 理论分析表明，若不考虑电解器的能量损失，在电解器上加1.48伏电压就可使水分解为氢气和氧气，实际由于各种损失，输入电压高于1.6伏电解器才开始工作。 电解器的效率为： η=输入U48.1×100% (4) 输入电压较低时虽然能量利用率较高，但电流小，电解的速率低，通常使电解器输入电压在2伏左右。 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（温度为零℃，电解器产生的氢气保持在1个大气压），设电解电流为I，经过时间t生产的氢气体积（氧气体积为氢气体积的一半）的理论值为： V氢气=FIt2× 22.4升 (5)
式中F =e N= 9.65×104库仑/摩尔为法拉第常数，e=1.602×1019-库仑为电子电量，N =6.022×1023为阿伏伽德罗常数，It/2F为产生的氢分子的摩尔（克分子）数，22.4升为标淮状态下气体的摩尔体积。 若实验时摄氏温度为T，所在地区气压为P，根据理想气体状态方程，可对(5)式作修正：
V氢气=升4.222t16.27316.2730FIPPT (6) 式中P0为标准大气压。自然环境中，大气压受各种因素的影响，如温度和海拔高度等，其中海拔对大气压的影响最为明显，由国家标准GB4797. 2-2005可查到，海拔每升高1000米，大气压下降约10%。
由于水的分子量为18，且每克水的体积为lcm3，故电解池消耗的水的体积为： V水= 35-3cm10t33.9cm182IFIt (7) 应当指出，(6),(7)式的计算对燃料电池同样适用，只是其中的I代表燃料电池输出电流，V氢气代表燃料消耗量，V水代表电池中水的生成量。确认气水塔水位在水位上限与下限之间。将测试仪的电压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。将气水塔输气管止水夹关闭，调节恒流源输出到最大（旋钮顺时针旋转到底），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，打开气水塔输气管止水夹，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，剩下的就足纯净的氢气和氧气了。根据表l中的电解池输入电流大小，调节恒流源的输出电流，待电解池输出气体稳定后（约1分钟），关闭气水塔输气管。测量输入电流，电压及产生一定体积的气体的时间，记入表1中。 由(6)式计算氢气产生量的理论值。与氢气产生量的测量值比较。若不管输入电压与电流大小，氢气产生量只与电量成正比，且测量值与理论值接近，即验证了法拉第定律。 2、燃料电池输出特性的测量 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，如图5所示。电化学家将其称为极化特性曲线，习惯用电压作纵坐标，电流作横坐标。理论分析表明，如果燃料的所有能量都被转换成电能，则理想电动势为1.48伏。实际燃料的能量不可能全部转换成电能，例如总有一部分能量转换成热能，少量的燃料分子或电子穿过质子交换膜形成内部短路电流等，故燃料电池的开路电压低于理想电动势。
随着电流从零增大，输出电压有一段下降较快，主要是因为电极表面的反应速度有限，有电流输出时，电极表面的带电状态改变，驱动电子输出阳极或输入阴极时，产生的部分电压会被损耗掉，这一段被称为电化学极化区。 输出电压的线性下降区的电压降，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，所以被称为欧姆极化区。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，这一段被称为浓差极化区。 综合考虑燃料的利用率（恒流供应燃料时可表示为燃料电池电流与电解电流之比）及输出电压与理想电动势的差异，燃料电池的效率为：
η=48.1输出电解电池UII×100% =电解输出IP48.1×100% (8) 某一输出电流时燃料电池的输出功率相当于图5中虚线围出的矩形区，在使用燃料电池时，应根据伏安特性曲线，选择适当的负载匹配，使效率与输出功率达到最大。