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太阳能及燃料电池预习材料

[实验原理]

1、太阳能电池原理

太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U与通过电流I的关系式为：

(1)

(1)式中，Io和β是常数。

由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC－EV的半导体构成，如图1所示。EC为半导体导电带，EV为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

图1

假设太阳能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与一个电阻Rs所组成，如图2所示。

图2

图2中，Iph为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，Id为光照时，通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：

（2）

（2）式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由（1）式可得，

（3）

假定Rsh=∞和Rs=0，太阳能电池可简化为图3所示电路。

图3

这里，。

在短路时，U＝0，Iph＝Isc；

而在开路时，I＝0，；

（4）

（4）式即为在Rsh=∞和Rs=0的情况下，太阳能电池的开路电压Uoc和短路电流Isc的关系式。其中Uoc为开路电压，Isc为短路电流，而I0、β是常数。

2、太阳能电池的效率

图4太阳能电池最大功率

太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是100％。就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。太阳能电池的转换效率定义为输出电能Pm和入射光能Pin的比值：

(5)

3、质子交换膜电解池(PEMWE,ProtonExchangeMembraneWaterElectrolyzer)

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。

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（6）

（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（7）

总的反应方程式：2H2O=2H2+O2（8）

图5质子交换膜电解池工作原理

4、质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作原理

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6所示：

图6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（9）

（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（10）

总的反应方程式：2H2+O2=2H2O（11）

燃料电池有