燃料电池原理及发电实验

燃料电池是无公害的绿色能源，正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入以工业规模发电的行列。它是一种化学电池，利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池类似。但是，它工作时需要连续地向其供给燃料(氢气)和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不像充电电池一样，用完须继续充电，燃料电池正如其名，需持续添加燃料以维持其电力(燃料并不产生火焰)。
    

具体地说，燃料电池不是电池，而是"发电机"。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在已发展为直接使用固体的电解质。

    

工作时给负极供给燃料(氢)，给正极给氧化剂(空气)。氢在负极分解成正离子H＋和电子e一：2H2→4H++4e－，氢离子进入电解质中，而电子则沿外部电路(含负载)移向正极。

    

氧在正极获得氢离子和电子反应为水：O2+4H++4e-→2H2O。可见这正是水的电解反应的逆过程，且燃料电池唯一的排放物是水。燃料电池所使用的氢燃料可以来自于任何的碳氢化合物，例如天然气、甲醇、乙醇(酒精)、水的电解、沼气……。
     图1是一种固体高分子型燃料电池的外形，其结构见图2。在图2中，关键的部件是膜电极接合体MEA(Mem．brane：Electrode Assembly)，它是在固体高分子膜的两侧涂有白金触媒作为电解质，然后再在表面贴上导电的多孔气体扩散层构成；最右侧的净化阀用来排除燃料电池中的余气(空气)。为了清楚了解燃料电池的构造，图3给出了另一种燃料电池的组装步骤。

    

单个燃料电池的输出电压约0.3V~0.7V，实际使用时如多个串联来提高电压，则成本太高。一般需要配合专用的升压电路，以便为电子电路供电。

    

发电实验：

     给图1的燃料电池注入5毫升的氢，在6.811负载时的输出电压为额定电压，约0.5V，发电时间30秒后终止。即5毫升氢燃料可使燃料电池发电30秒，功率约0.6W。若要连续发电，则需要有注入氢的机械装置。

    

给图3的燃料电池注入甲醇溶液(3wt％)，其输出电压缓慢上升(见图4)，其输出电流一电压特性见图5，获得最大输出功率时的输出电压约0.3V。