質(zhì)子交換膜燃料電池實驗

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1、質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及單電池的制作和性能測試一．實驗?zāi)康谋緦嶒炌ㄟ^進行氫/氧（空）質(zhì)子交換膜燃料電池（Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）關(guān)鍵組件膜電極(Membraneelectrodeassembly,MEA)的制備和單電池組裝及實際演示一體化（all-in-one）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，使學(xué)生全面了解燃料電池的基本原理和制作過程及使用方法。二．實驗原理燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟姷难b置，即通過燃料和氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電和水。燃料電池裝置從本質(zhì)上說是水電解的一個逆裝置。在電解水過程中

2、，外加電源將水電解，產(chǎn)生氫和氧；而在燃料電池中，則是氫和氧通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能。燃料電池單體主要有四部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜）和外電路。圖1為組成燃料電池的基本單元的示意圖。陽極為氫電極，陰極為氧電極，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑（目的是用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)），兩極之間是電解質(zhì)。圖1燃料電池工作原理圖。圖中Anode為陽極，Cathode為陰極，BipolarPlate為雙極板，CL為催化劑層，PEM為質(zhì)子交換膜。工作原理為：氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽極，在陽極催化劑的作用下，氫氣發(fā)生氧化，釋放出電子，如反應(yīng)（1）所

3、示。氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，而在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，同時，電子通過外電路也到達(dá)陰極。在陰極側(cè)，氧氣與氫離子和電子在陰極催化劑的作用下反應(yīng)生成水，如反應(yīng)（2）所示。與此同時，電子在外電路的連接下形成電流，可以向負(fù)載輸出電能。燃料電池總的化學(xué)反應(yīng)如式（3）所示。陽極半反應(yīng)：H2→2H++2e-Eo=0.00V(1)陰極半反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2OEo=1.23V(2)電池總反應(yīng)：H2(g)+1/2O2(g)→H2O(l)Eocell=1.23V(3)燃料電池的膜電極如圖2所示。由碳紙（氣體擴散層）、陽極催化層、質(zhì)子交

4、換膜、陰極催化層和碳紙（氣體擴散層）構(gòu)成。其中碳紙作為氣體擴散層支撐體起收集電流的作用。因為碳紙上的孔隙率比較大，一般在碳紙表面制備一層中間層來整平（在本實驗中省略）。催化層的涂布分兩種情況，一種是將催化劑涂覆在碳紙的中間層表面，另一種是直接將催化劑涂覆在膜的兩側(cè)。催化劑一般是2－5納米的Pt顆粒負(fù)載在30納米左右的碳粉上，與溶劑和Nafion等均勻混合配置成漿料，使用時直接涂覆。圖2燃料電池膜電極結(jié)構(gòu)。圖中GDL是氣體擴散層，CL是催化劑層，M是質(zhì)子交換膜。燃料電池陽極和陰極之間由質(zhì)子交換膜（如杜邦公司的Nafion膜）隔開。最常用的Nafion212、Naf

5、ion115和Nafion117等型號的膜外觀為無色透明，平均分子量大概為105～106。由分子結(jié)構(gòu)可看出，Nafion膜是一種不交聯(lián)的高分子聚合物，在微觀上可以分成兩部分：一部分是離子基團群，含有大量的磺酸基團，它既能提供游離的質(zhì)子，又能吸引水分子；另一部分是憎水骨架，與聚四氟乙烯類似，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定。Nafion系列膜具有體型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中有很多微孔(孔徑約10-9m)。人們普遍用“離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”來描述這種結(jié)構(gòu)，把它分為三個區(qū)域：（1）憎水的碳氟主鏈區(qū)，（2）由水分子、固定離子、相對離子和部分碳氟高聚物側(cè)鏈所組成的“離子簇區(qū)”，（3）前兩

6、個區(qū)域相間的過渡區(qū)。膜中的-SO3H是一種親水性的陽離子交換基團，當(dāng)陰極反應(yīng)時，-SO3H中離解出H+會參與結(jié)合生成水，同時放熱。H+離去后，-SO3-會因靜電吸引鄰近的H+填充空位，同時還有電勢差的驅(qū)動，使H+在膜內(nèi)由陽極向陰極移動。在有水存在的條件下，-SO3H上的H+與H2O形成H3O+，從而削弱了-SO3-與H+間的引力，有利于H+的移動。由于膜的持水性，在H+擺脫-SO3-后，進行了“連鎖式的水合質(zhì)子傳遞”，即質(zhì)子沿著氫鍵鏈迅速地轉(zhuǎn)移，所以水是質(zhì)子傳遞必不可少的條件。質(zhì)子傳遞使得兩極反應(yīng)順利進行，維持了電池回路，所以，質(zhì)子傳遞快慢，直接影響電池的內(nèi)阻和

7、輸出功率。燃料電池雖然和普通化學(xué)電池一樣，都是通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，但是，反應(yīng)物的供給方式不同。普通化學(xué)電池的陽極和陰極反應(yīng)物共存于電池體內(nèi)。而燃料電池的氧化劑和燃料是由燃料電池外部的單獨儲存系統(tǒng)提供。因此，普通化學(xué)電池只是一個有限的電能輸出和儲存裝置，而燃料電池只要保證燃料和氧化劑的供應(yīng)，可連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能，是一個發(fā)電裝置。另外，同為發(fā)電裝置的燃料電池和內(nèi)燃機也有根本的不同，這主要是它們產(chǎn)生電能的原理不同。內(nèi)燃機發(fā)電分兩步完成，第一步是燃料燃燒，產(chǎn)生熱能，第二步是熱能驅(qū)動機械發(fā)電得到電能。而燃料電池中的燃料通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能。燃料電池由于反應(yīng)過程中

8、不涉及到燃燒，其能量轉(zhuǎn)換