氢能燃料电池的能效因数和法拉第效率因数的测定＊

陈 坚 翁子丰 梅超悦 聂建峰 张 敏 陈东生

（上海电力学院数理学院 上海 201300）

1 引言

燃料是人类社会生存的基础，人类经历了植物燃料阶段之后，现处于化石燃料阶段.随着科学技术的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病：一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了大量的污染.燃料电池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.相对于其他电源及供能方式，燃料电池具有能量转化效率高、稳定性高、环境污染小、灵活性好、燃料广泛、补充方便、寿命长等特点与优势.

氢燃料电池不必经历热机过程，且反应物是水，所以可高效、清洁、无噪声地把化学能直接转化为电能，是比常规热机更为先进的转化技术.燃料电池技术的快速发展，为能源动力的变革带来重大契机.

2 实验原理

燃料电池的能效因数ηE为输出的电能Eel和存储的化学能Ech之间的比值，计算公式为法拉第效率因数也被叫做转化效率因数，燃料电池的法拉第效率因数ηF为理论上产生的气体的体积Vtheo和实际产生的气体体积Vexp之间的比值，计算公式为

其中F＝96 486C／mol为法拉第常数，Z＝2为生成1mol水所释放的电荷量，I为通电电流，T为通电时间，Vm为摩尔体积.

燃料电池的核心装置如图1所示，由电解水制出来的氢气和氧气通过储气装置直接通入燃料电池，燃料电池将氢气和氧气反应所释放出来的化学能，转化为可利用的有效电能.燃料电池内的反应是电解装置内的反应的逆反应：

正 极：O2＋4H＋＋4e－→2H2O

负 极：2H2－4e－→4H＋

总反应：O2＋2H2→2H2O

燃料电池通过氢气与氧气的化学反应，产出电势能，其电能可以通过连接端口A和D收集.将氢气供给线路的一侧（负极），产生一个负电势能，在氧气供给线路的一侧（正极），产生一个正电势能.如果加入一个用电负载，则会产生一个电流.

质子交换膜型燃料电池的核心，就是Nafion质子交换膜电极单元.其靠上面的套管是气体的供给管道，并且与气体储存装置中氢气或氧气储存区的管路连接.其靠下面的套管排出剩余气体和反应生成的水.

图1 燃料电池装置图

A.正极连接端口

B.氧气供给连接套管－－－来自气体储存装置中的氧气

C.剩余氧气或生成水的排放连接套管

D.负极连接端口

E.氢气供给连接套管－－－来自气体储存装置中的氢气

F.剩余氢气或生成水的排放连接套管

G.盖帽附件（4件）

燃料电池工作原理示意图如图2所示.

图2 燃料电池工作原理示意图

整个实验装置如图3所示，主要由电解装置、气体存储装置、燃料电池、负载和万用表组成.该装置能实现水分解制氢的同时又能完成燃料电池的特性研究.

图3 实验原理图

3 测定燃料电池的能效因数和法拉第效率因数

3.1 实验步骤

（1）本实验涉及到燃料电池的能效因数和法拉第效率因数.实验开始前，通过电解装置将气体存储装置只充满氢气和氧气.

（2）将电流表的测量范围调至0～2 000 mA（DC），电压表的范围调至0～20V（DC）.

（3）在测量中，为了测量转换的气体体积，不应再有电解的反应发生，必须确保调节器的输出为零.

（4）通过调节负载2的负载电阻值，从而来设定和改变电流.

（5）将该电流值所对应的计时时间输入定时器中，开始测量.

3.2 实验数据及分析

（1）能效因数的计算和分析

I／A U／V T／min VH2／ml VH2／ml ΔVH2／ml－-- 开始 结束-0.2 0.71 3 23 17.5 5.5 0.5 0.59 2 18 8.5 9.5

电能Eel可以由公式Eel＝UIT直接算出来.

氢燃料的化学能是286kJ／mol.而1mol的氢气体积为24 414ml.

化学能Ech与氢气实际消耗的体积Vexp有关.计算公式为

1）电流为0.2A，温度为20℃情况下

由以上计算可以看出电流增大，燃料电池的能效因数的值下降了.

（2）法拉第效率因数的计算和分析：

1）电流为0.2A，温度为20℃情况下产生气体量的理论值

法拉第效率因数

2）电流为0.5A，温度为20℃情况下产生气体量的理论值为

法拉第效率因数

4 结论

通过对燃料电池的特性研究发现，电流增大，燃料电池的能效因数和法拉第效率因数的值下降了.这可能与化学反应所造成的能量损耗（过电压），以及不同的浓度，电极反应的延迟和燃料电池的内阻值有关.这些情况可能都会使电压减小（可用的有效电压）.该结论为进一步提高燃料电池的转化效率以及氢能的研究提供了参考依据.

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11 氢能实验手册.