本帖最后由 火星居士 于 2014-3-30 10:06 编辑

一、绪论  
  大家都知道，电池的电功率受到主要是受电池电动势，电源内阻和外电阻的影响。当外电阻等于电源内阻时，电池的输出功率最大，具体推导过程如下：
电池电压U，内阻r，外电路负载电阻R
电流：I=U/（R+r）
P=I^2*R=U^2*R/(R+r)^2=U^2/(R+r^2/R+2R)
=U^2/[（R+r^2/R-2r)+4r]=U^2/[(R-r)^2/R+4r]
当R=r时，(R-r)^2/R=0,最小，此时，分母最小，为4r；因此输出功率最大。
即，当外电路电阻与电池内阻相等时，输出功率最大：
Pmax=U^2/(4r)
  由上面的推导过程可以看出，电池的最大输出功率其实和电动势和电源内阻有关，因此本文的重点即讨论燃料电池电动势和可能的影响因素之间的关系。
二、可能影响因素和分析
  在原电池中，根据能斯特公式，


  可得原电池电动势与电极材料，温度，离子浓度有关。类比到燃料电池，笔者作出以下预测：
  燃料电池电动势只与燃料种类，温度，燃料浓度，电极（包括催化剂）材料有关。由于燃料已定，工作状态下温度恒定，因此本文将对后二者进行着重研究。
  其他可能的性能影响因素主要有：
1. 电解质的种类
2. 电解质的浓度
3. 电极间距
4. 电极材料和催化剂
5. 燃料气体的浓度
  由于笔者目前经费有限，再加上笔者所在地济南市最近化学品管制太厉害，因此笔者手里只有氢氧化钾和冰乙酸两种电解质可用。再加上乙酸是弱电解质，一定浓度的溶液十分难配制，因此只能通过ph试纸标定ph，再进行实验。
  至于电解质的浓度，笔者使用0.5,1,2mol/l的氢氧化钾溶液。没有容量瓶，笔者只能使用普通的量杯和天平来配制溶液，因此可能会造成小幅度误差。不过，由于配置的溶液浓度差较大，因此如果有关，电动势差距还是比较明显的。另外，根据电离理论，电解液浓度越大，其中自由移动的带电粒子浓度就越大，因此浓度大的电解液有利于降低电池内阻，从而增大功率。
  电极间距也是一个可能的影响因素。之前的回帖中，曾有某位前辈向笔者说笔者的电池电极间距太大，可能会影响效率，再加上间距过大的电极确实会影响内阻，因此也将它考虑。
  最后是催化剂。很明显，催化剂一定会影响氢氧燃料电池的性能。本文中，笔者将用和不用催化剂的情况放在一起进行对比。至于什么样的催化剂组合能够获得更高的效率和功率，笔者将会在下一篇文章中进行实验和讨论。
三、实验方法和实验过程
1.实验器材和方法  
上次通气实验结束后，燃料电池出现了密封层脱落。因此，笔者进行了燃料电池大修，更换了导气管和密封层，加装了一个小底座，如下图所示

大修完成的燃料电池
  上一次的通气实验获得的电动势和电流远低于预期值，再加上笔者因为在参加学校化学实验大赛期间打烂了一个气体发生器，因此本次实验在再生模式下进行。
  上次用9v方块电池充电十分让笔者抓狂，因此笔者从旧航模上拆下来一块12v锂电池组，输出电压十分稳定，容量特大。充电时间选在60秒和90秒，因为此时燃料电池的两端基本可以被气泡填满，浓度基本相同。为了避免温度的影响，所有溶液都是在冷却到室温之后才加注的。
2.具体实验
（一）电解液浓度
  首先进行的是关于电解液浓度的实验。配制好不同浓度的电解液后，对燃料电池进行充电。

  每种浓度的电解液单独配制，每种浓度的电解液进行两次充放电实验，第一次60秒，第二次90秒。

充电中的燃料电池
充电完成后，立即进行放电。具体数据如下




放电数据，部分实验中测量了电流
  由于电池在放电时电动势是匀速递减的，因此记录电动势时记录刚接通时的最高电动势。
  从上表中可以看出，不同浓度下的电动势数据相近，大部分集中在1.5－1.56伏之间，可以证明燃料电池的电动势与电解液浓度无关。
（二）电解液种类
  笔者先配制了0.1mol／l的氢氧化钾溶液，通电90秒后进行放电实验。
  笔者在配制酸时遇到了困难。不管如何努力，到最后笔者只得到了ph在4左右的溶液。

加注了酸的燃料电池

放电数据
  虽然酸很稀，但最终还是达到了和碱一样的气体的量，并且获得了几乎一样的电动势，最终证明燃料电池电动势与电解液种类无关。
（三）电极间距
为了保证电极和电解液的接触面积相同，笔者只能向中心或向两边摆动电极，调整两个电极之间的距离，并在最大和最小距离时分别进行实验。

最大电极距离

最小电极距离

电池放电数据表
  充电六十秒后，进行放电。两种情况下得到的电动势基本相似，但是电流却有一定差距，说明电极间距虽然对电动势没有影响，却对输出电流产生了影响。
（四）催化剂
  笔者在有铂催化剂的情况下进行了第一次放电实验，而后再将催化剂拆下，只用多孔石墨电极进行实验，如下图

拆下铂催化剂的燃料电池

放电数据比较
  结果是明显的，有和没有催化剂的电池表现差距很大。电动势差了超过0.5v。这证明了催化剂对于燃料电池来时是至关重要的，同时也证明了铂对于氢氧燃料电池来说确实是一种优良的催化剂。
（五）燃料浓度
  在再生式电池中，燃料浓度主要是靠电极端的气泡总体积和气泡个数体现的。产生的气泡越多，体积越大，燃料和氧化剂气体浓度就越大。断电之后，气体气泡会逐渐破裂，气体溢出，从而使气体浓度降低。断电后时间越长，气体浓度降低越多，因此，可以通过控制在断电后不同的时间接通电池来比较燃料气体浓度对于电池电动势的影响。

断电瞬间的电极气泡情况

断电后30秒

断电后60秒
  
放电数据
  由此可以看出，燃料电池的电动势确实和燃料气体浓度有关。气体浓度越高，电动势越大。
四、实验结论与制造建议
  通过上面的实验，笔者的猜想得到了验证，即对于燃料，温度一定的燃料电池，其电动势与燃料气体浓度，电极和催化剂材料有关，而电解液浓度和电极间距对燃料电池的内阻产生了影响，进而影响了功率。由此笔者提出以下制造建议：
1. 尽量选用较浓的电解液，不要选用弱电解质
2. 设计时尽量让电极端的燃料气体浓度保持在高水平，尽量减少气体溢出
3. 尽量缩小电极间距
4. 催化剂一定要用，否则会极大影响电池性能
  至此，笔者对于燃料电池功率的影响因素的研究暂时告一段落，而精细化的定量研究则需要等到实验条件进一步完善后才能进行。下一篇文章中，笔者将对几种不同的燃料电池催化剂进行介绍和比较实验，敬请期待。