《氢能源动力实验原理与指导》课件 氢能源动力实验部分

氢能源动力

实验部分目录电化学基础实验储氢与制氢实验燃料电池核心实验燃料电池系统集成实验01020304课程实验安全总则防护装备所有实验必须佩戴防护手套、护目镜，穿实验服，长发需束起通风防火涉及氢气、高压气瓶的实验需在通风橱内操作，严禁明火靠近用电安全电化学实验前需检查线路绝缘性，避免短路、触电风险危废处理危废试剂、实验废液需按规范分类存放，严禁随意倾倒收工规范实验结束后必须关闭电源、气源、水源，清理实验台面应急处置发生泄漏、起火时第一时间关闭设备总阀，及时报告指导老师实验预习与报告撰写要求预习要求认真阅读实验指导书，明确实验目的、原理、操作步骤提前梳理实验安全注意事项，完成预习思考题提前了解实验仪器的基本操作方法，避免误操作配套资源标准实验报告模板提供规范的报告格式示例，确保内容结构完整统一数据记录规范示意图展示原始数据记录的正确方法与注意事项报告撰写要求核心内容完整：包含实验目的、原理、仪器试剂、操作步骤、实验数据、结果分析、思考题解答数据真实：如实记录实验数据，严禁篡改，图表需标注清晰、单位明确分析深入：结合理论知识，对实验误差来源进行合理解释课程考核与成绩评定标准40%实验操作核心考核项·占比最高10%预习检查40%实验报告10%期末考核评分规则缺席处理缺席本次记0分，累计2次以上不及格数据造假本次实验成绩记0分安全违规视情节扣除本次10%-50%分数评分细则表格评分标准细则表格图（各考核项详细评分标准）电化学基础实验01实验1：交流阻抗法测试电极过程参数Rct电荷转移电阻Cd双电层电容Rs溶液电阻实验目的学习电化学工作站测试交流阻抗的基本原理测定开路电位（OCP）下电化学系统的电极过程参数测试方法要点小幅正弦扰动控制电流或电势在小幅条件下按正弦规律变化，确保系统处于线性响应区频率扫描测量在宽频率范围内扫描，获取不同频率下的阻抗响应数据图谱解析分析通过Nyquist图或Bode图解析，提取电极过程动力学参数交流阻抗法原理控制电流（或电势）在小幅条件下按正弦规律变化，测量系统的电化学响应信号，通过响应与扰动的比值获得交流阻抗谱。该方法属于频域电化学测试技术，具有非破坏性、信息丰富的特点。等效电路模型纯电化学控制电极系统可用Randles等效电路模型表示，包含溶液电阻、电荷转移电阻与双电层电容阻抗虚部与实部呈半圆关系，Nyquist图位于复数平面第一象限圆心坐标：(Rs+Rct/2,0)，半径：Rct/2实验1：仪器、步骤与思考实验步骤思考题影响因素分析工作原理简述应用领域简述仪器及试剂电化学工作站三电极电化学系统试剂根据需要选择结果分析用Origin软件绘制Nyquist图对测试结果进行简单分析1连接电化学系统与工作站2运行测试软件，查看并记录开路电压（OCP）3选择"Potentiostatic"→"Singlepotential"→"Editfrequencies"，设置频率范围与振幅4检查条件与连接无误后，开始测试5测试结束，关闭电池开关，保存结果实验1：交流阻抗测试操作实拍01注意事项一三电极连接需确认接线牢固，工作电极、参比电极、对电极接线不可接反02注意事项二测试前需等待体系开路电位稳定3-5分钟，避免初始数据漂移03注意事项三振幅设置不可过大，避免体系发生极化偏离线性区04注意事项四测试过程中避免触碰设备或桌面，防止震动干扰测试结果储氢与制氢实验02实验2：合金储氢材料（LaNi5）吸放氢性能M+H₂→MHₓ吸氢MHₓ→M+H₂释氢LaNi₅：温和条件储氢，可逆性优异，本实验核心材料放热反应吸氢过程吸热反应释氢过程实验目的了解合金储氢材料的储氢基本原理学习掌握吸放氢性能测试方法储氢合金分类AB₅型如LaNi₅温和条件储氢可逆性好AB₂型如TiMn₂储氢密度高适用高压环境A₂B型如Mg₂Ni储氢能力高需较高温度释氢实验2：热力学与动力学表征热力学与动力学特征热力学特征吸氢为放热反应，释氢为吸热反应决定储氢过程的能量需求动力学特征反应速率与合金结构、氢气压力和温度相关影响储氢系统效率和应用场景PCT曲线压力-组成-等温线，获得吸放氢容量、压力、滞后特性，求出氢化物生成焓和反应熵动力学曲线利用PCT测试仪测试吸放氢量随时间变化，表征反应速率特性主要仪器PCT测试仪TPD测试仪DSC差示扫描量热仪球磨机测试原理通过控制温度、压力条件，测定合金的吸放氢平衡特性与动力学行为PCT曲线01获得吸放氢容量数据02测定平衡压力特性03分析吸放氢滞后特性仪器清单超声波清洗器电子天平磁力搅拌器真空干燥箱行星式球磨机PCT测试仪TPD测试仪DSC差示扫描量热仪实验2：实验步骤1球磨处理2g样品量氩气氛围保护气体450r/min60:1球料比12+6min间歇运行2PCT测试1装入约0.1g样品，上部填充玻璃棉防飞出→2测试前进行三次完全吸放氢活化→3三次活化确保样品性能稳定→4抽真空10min

→充氢至指定压力→5设置放氢温度→程序测试→数据处理3TPD/DSC测试TPD程序升温脱附推算始末放氢温度分析放氢峰数量及峰值温度DSC差示扫描量热5mg样品，氩气手套箱封入铝坩埚，扎孔后30℃稳定10min2.5℃/min5℃/min7.5℃/min10℃/min12.5℃/min30℃→500℃，氩气气流80ml/min保护实验2：PCT曲线与动力学曲线解读性能评价标准理想储氢合金应具备平坦的平台区、较小的滞后系数及较大的反应斜率LaNi₅PCT曲线吸氢曲线平台区等温放氢动力学曲线PCT曲线核心参数平台区吸放氢过程压力基本稳定，平台越平代表合金性能越均匀滞后系数吸氢与释氢平台压差值，差值越小能耗越低储氢质量分数横轴wt%，代表单位质量合金的储氢量动力学曲线核心参数反应速率纵轴随时间变化曲线，反映实际吸放氢进程曲线斜率代表反应速率，斜率越大反应动力学性能越好实验3：氢气的制备与纯化实验目的学习氢气制备方法掌握纯化技术理解氢气性质及应用氢气制备方法酸与金属反应Zn+2HCl→ZnCl₂+H₂条件简单、速度快、氢气较纯净电解水2H₂O→2H₂+O₂可获得高纯度氢气，但耗电、设备复杂其他方法热化学反应、生物质气化等新型制备技术氢气纯化技术冷凝法降低温度使杂质凝结，去除水分（氢气沸点-252.9℃）吸附法利用活性炭、分子筛选择性吸附，阻挡较大杂质分子化学吸收法通过化学反应转化杂质气体实现分离收集方法向下排空气法排水法实验3：实验操作步骤01实验准备材料齐全检查反应器、锌粉、稀盐酸、气体收集装置、冷凝管、干燥剂安全防护手套、护目镜；通风环境；灭火器备用02制备氢气1.将约5g锌粉放入干燥反应器，均匀分布2.小心加入约50mL稀盐酸（浓度约1M），观察气泡产生3.连接气体收集装置，确保密封，记录生成时间和数量03纯化氢气1.冷凝管连接收集装置出口，接冷却水源2.调节水流量降温，观察冷凝水滴3.通过干燥剂（如氯化钙）进一步纯化04观察与记录观察氢气颜色、气味进行点燃实验（注意安全）记录氢气体积、反应时间、纯化效果实验3：氢气制备与纯化操作实拍稀盐酸添加沿反应器壁缓慢倒入，避免液体飞溅造成危险气密性测试连接后浸水冒泡法检查，确保装置密封无泄漏氢气点燃验纯通风橱内操作，点燃前必须验纯，防止爆炸冷凝管操作冷却水下进上出，保证最佳冷凝效果装置整体冷凝纯化验纯操作燃料电池核心实验03实验4：双极板制备与测试实验目的理解双极板在燃料电池中的作用机制与功能定位掌握双极板制备方法和特性测试的完整流程双极板类型对比石墨双极板耐腐蚀、导电性好，但机械强度低、易碎、需增加厚度复合双极板集两者优点，耐腐蚀、轻量、高强度，但成本高、工艺复杂金属双极板加工难度低、可批量生产、超薄、成本较低流道结构类型单蛇形流道直通道平行流道交叉指状流道针状流道平行流道和蛇形流道结构简单、成本低，最常用成形工艺冲压成形批量生产主推液压成形批量生产主推辊轧成形特殊工艺60-80%电池总质量占比30-40%生产成本占比实验4：实验内容阶段参数操作数量材料准备SUS304不锈钢切割为250×100×0.1mm24块流道构建压边力：60/45/30kN控制变量法加工—流道构建模具间隙：1.0t/1.1t/1.2tt=0.1mm，共18组条件—流道构建流道类型平行流道+蛇形流道各12块—涂层处理表面涂层处理增强耐腐蚀性和导电性6块涂层处理无处理（对照组）作为性能对比基准6块性能测试电阻测试电阻测试仪测量所有双极板24块性能测试耐腐蚀测试浸入相同腐蚀化学试剂，测腐蚀速率24块思考题表面处理对双极板导电性能和耐腐蚀性能的改善效果如何？平行流道与蛇形流道结构对电池性能的影响有何差异？不同压边力和模具间隙工艺参数对成型质量的影响规律是什么？实验4：双极板流道与性能对比实拍涂层前后性能对比接触电阻(mΩ·cm²)↓86%腐蚀速率(μA/cm²)↓15.6倍流道结构实拍对比平行流道压降小·分布均匀性一般蛇形流道吹扫好·压降较大86%↓接触电阻降低15.6×↓腐蚀速率下降不同压边力下流道成型合格率压边力(MPa)平行流道蛇形流道8078%72%12092%88%16096%94%实验5：PEMFC的组装与性能测试实验目的理解PEMFC工作原理，掌握组装方法和性能测试方法核心反应关键组件阳极·氢氧化反应H2→2H++2e-电子经外电路流向阴极阴极·氧还原反应O2+4e-+4H+→2H2O质子穿过膜与电子、氧结合质子交换膜(PEM)只允许质子通过，迫使电子经外部电路产生电流；需具备化学稳定性、质子传导性、机械性能、低气体渗透性双极板提供机械支撑、充当电极和气体分配通道催化剂层Pt铂(Pt)或其合金，降低活化能、加速反应速率气体扩散层(GDL)均匀分布气体、收集电子传递到双极板；多孔碳材料制成实验5：组装与测试步骤1实验准备检查PEM完整性和尺寸检查GDL碳纸孔隙率检查双极板尺寸与流道检查气体供应与仪表2组装电池2.1催化剂浆料均匀涂覆PEM，干燥后反面同法处理2.2两侧覆盖GDL碳纸，组装成膜电极2.3双极板夹紧膜电极，检查密封性3连接测试3.1橡胶软管将H₂和O₂分别引入阳极和阴极3.2电子负载从无负载开始逐步增加3.3测量OCV，记录电压、电流和功率4思考题绘制V-I和P-I曲线，计算最大输出功率及效率分析确保实验成功的关键步骤关键成功因素：PEM无破损催化剂涂覆均匀密封性良好气体纯度高实验5：PEMFC组装实拍与性能曲线解读V-I特性曲线P-I功率曲线组装操作注意事项洁净环境操作催化剂涂覆需在洁净无尘环境下进行，避免杂质落在膜表面影响性能精准对齐组装膜电极组装时需对齐，避免GDL碳纸超出双极板流道区域均匀紧固夹具夹具紧固需均匀用力，避免应力不均导致密封失效或膜破损气密性预检通气前需进行气密性测试，保压5分钟压力下降不超过5%方可开始测试配套图示膜电极组装实拍测试现场实拍燃料电池系统集成实验04实验6：氢燃料电池动力系统的搭建与测试实验目的应用场景·搭建流程·测试方法PEMFC优势高功率密度·高效率·低温启动解决方案辅助动力源·混合结构燃料电池分类碱性AFC质子交换膜PEMFC磷酸PAFC熔融碳酸盐MCFC固体氧化物SOFCPEMFC单一动力源劣势动态性能偏软难以满足快速负荷变化需求大功率成本高寿命不及内燃机，经济性受限无法反向充电制动能量回收困难，造成能源浪费辅助动力源方案混合结构类型串联并联并联含直接并联、带DC/DC、间接并联、双DC/DC混联优选方案PEMFC间接并联结构实验6：搭建与测试步骤→→→01实验准备设备检查：PEMFC模块、锂电池模块、DC/DC变换器、电子负载氢气氧气供应系统（储气罐、减压阀、流量计）安全准备：防护眼镜、手套确保通风环境02搭建系统1PEMFC与锂电池通过DC/DC连接，PEMFC为主电源2连接氢气氧气储气罐到减压阀，调节压力3通过流量计控制气体流量，匹配电池消耗4检查电气连接牢固、气体管道无泄漏03性能测试1启动测试：打开气体供应，调整流量至推荐值2数据记录：逐步增加电子负载，测量不同负载下两种电池的OCV、电流和功率输出04思考题Q1混合动力系统各结构优劣分析Q2PEMFC和锂电池不同负载下的性能表现实验6：混合动力系统实拍与性能曲线解读安全警示1电气连接确认正负极，避免短路烧毁2高压气瓶缓慢开启，确认无泄漏3负载逐步提升，防电流突增4先关气源再关电源，排空残余性能曲线解读低负载区PEMFC单独输出，锂电池待机状态中负载区PEMFC为主输出，锂电池补充峰值功率高负载区PEMFC与锂电池共同输出，满足大功率需求负载状态分布低负载PEMFC独立·锂电池待机中负载PEMFC主供·锂电补峰高负载双源协同·大功率输出配套图示混合动力系统整体连接实拍图不同负载下功率分配对比曲线图DC/DC变换器参数设置界面截图实验7：电解槽的拆装实验电子流入电解槽基本原理利用电流通过电解液发生电解反应，实现物质分解或转化。电流驱动离子迁移，在电极表面发生氧化还原反应。阳极·氧化反应Cu²⁺+2e⁻→Cu阳离子失去电子阴极·还原反应2H₂O+2e⁻→H₂+2OH⁻阴离子获得电子电子流出PEM水电解槽特点固体质子交换膜为电解质，纯水为反应物氢气渗透率低，产氢纯度高，工艺简单，安全性高零间距结构，欧姆电阻低，效率高，体积紧凑压力调控范围大，氢气输出压力可达数兆帕阳极强酸性环境（pH约2），电解电压1.4~2.0V实验目的01理解电解槽基本结构和工作原理02掌握电解槽拆装步骤与操作规范03提高动手实践能力与实验操作技能PEM关键性能指标1.4~2.0V电解工作电压范围数MPa氢气输出压力可达数兆帕pH≈2阳极强酸性环境实验7：拆装操作步骤1组装电解槽→2连接电源与电解→3拆卸电解槽1.1选择清洁电解槽，安装阳极和阴极（间距1~2cm）1.2加入电解液（0.1mol/L硫酸铜溶液），确保电极完全浸没2.1阳极接正极，阴极接负极