實驗五 質子交換膜燃料電池膜電極及單電池的制作和性能測試.doc

實驗五質子交換膜燃料電池膜電極及單電池的制作和性能測試1.【實驗目的】本實驗通過進行氫/氧（空）質子交換膜燃料電池（Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）關鍵組件膜電極(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)，使學生全面了解燃料電池的基本原理和制作過程及使用方法。2.【實驗原理】燃料電池是一種通過電化學反應直接將化學能轉變?yōu)榈蛪褐绷麟姷难b置，即通過燃料和氧化劑發(fā)生電化學反應產生直流電和水。燃料電池裝置從本質上說是水電解的一個逆裝置。在電解水過程中，外加電源將水電解，產生氫和氧；而在燃料電池中，則是氫和氧通過電化學反應生成水，并釋放出電能。燃料電池單體主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質（質子交換膜）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)生的電化學反應），兩極之間是電解質。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為質子交換膜。工作原理為：氫氣通過管道或導氣板到達陽極，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（1）所示。氫離子穿過電解質到達陰極，而在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極，同時，電子通過外電路也到達陰極。在陰極側，氧氣與28氫離子和電子在陰極催化劑的作用下反應生成水，如反應（2）所示。與此同時，電子在外電路的連接下形成電流，可以向負載輸出電能。燃料電池總的化學反應如式（3）所示。陽極半反應：H22H+2e-Eo=0.00V(1)陰極半反應：1/2O2+2H+2e-H2OEo=1.23V(2)電池總反應：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、質子交換膜、陰極催化層和碳紙（氣體擴散層）構成。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。催化劑一般是25納米的Pt顆粒負載在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燃料電池膜電極結構。圖中GDL是氣體擴散層，CL是催化劑層，M是質子交換膜。（燃料電池陽極和陰極之間由質子交換膜（如杜邦公司的Nafion膜）隔開。最常用的Nafion212、Nafion115和Nafion117等型號的膜外觀為無色透明，平均分子量大概為105106。由分子結構可看出，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，具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。Nafion系列膜具有體型網絡結構，其中有很多微孔(孔徑約10-9m)。人們普遍用“離子簇網絡結構模型”來描述這種結構，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鏈所組成的“離子簇區(qū)”，3）前兩個區(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，當陰極反應時，-SO3H中離解出H+會參與結合生成水，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動，使H+在膜內由陽極向陰極移動。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29了“連鎖式的水合質子傳遞”，即質子沿著氫鍵鏈迅速地轉移，所以水是質子傳遞必不可少的條件。質子傳遞使得兩極反應順利進行，維持了電池回路，所以，質子傳遞快慢，直接影響電池的內阻和輸出功率。燃料電池雖然和普通化學電池一樣，都是通過電化學反應產生電能，但是，反應物的供給方式不同。普通化學電池的陽極和陰極反應物共存于電池體內。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，可連續(xù)不斷地產生電能，是一個發(fā)電裝置。另外，同為發(fā)電裝置的燃料電池和內燃機也有根本的不同，這主要是它們產生電能的原理不同。內燃機發(fā)電分兩步完成，第一步是燃料燃燒，產生熱能，第二步是熱能驅動機械發(fā)電得到電能。而燃料電池中的燃料通過電化學反應直接產生電能。燃料電池由于反應過程中不涉及到燃燒，其能量轉換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，其能量轉換效率是普通內燃機的2-3倍。前面介紹了燃料電池膜電極的結構，膜電極是燃料電池的核心部件，但是必須組成電堆才能發(fā)電。圖3為燃料電池堆和便攜式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池堆由多個單電池組成，單電池是指由一片膜電極組成的電池。除了膜電極之外還需要其它部件，包括密封墊、集流板及端板等，最終由螺絲固定。燃料電池系統(tǒng)由多個單電池串聯(lián)而成，工作時需要更復雜的燃料供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)等。圖3燃料電池堆（左）和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)（右）燃料電池的工作特性可以極化曲線表示。圖4是典型的單電池的極化曲線，即電壓電流曲線。一個單電池的開路電壓可以在1伏左右，但是在工作時電池的輸出電壓會明顯降低，與工作電流有關。從圖4的曲線可以看到，隨著電流密度的加大，電壓降低。然而，電池輸出的功率在某一個電流密度下達到最大值。這表明燃料電池的工作特性與普通化學電池不同，它的輸出功率隨負載變化。30VoltagePowerCurrentdensity圖4燃料電池的工作極化曲線3.【儀器與試劑】電化學工作站，萬用表，鑷子，電吹風，六角小扳手，燒杯，直尺，玻璃攪棒，烘箱，丙酮，無水乙醇，脫脂棉，去離子水。4.【實驗步驟】4.1膜電極制備4.1.1清洗涂膜夾具，用脫脂棉蘸無水乙醇將夾具及墊圈清洗干凈。4.1.2按圖所示，將質子交換膜裝于夾具上。在底座上放上一塊密封墊，然后放上質子交換膜，再放上一塊密封墊。（質子交換膜要先將兩面的保護膜去掉，防止將催化劑涂在保護膜上）4.1.3將夾具面板蓋上，然后用螺絲將膜夾緊。將配好的催化劑漿料均勻涂在膜上（此時膜會發(fā)生卷曲，屬正?，F(xiàn)象），用電吹風器吹干。314.1.4將膜從夾具上取下，將質子交換膜的反面用同法涂覆催化劑。4.2燃料電池組裝4.2.1首先將四個螺絲裝在有機玻璃的氫氣側端板上。4.2.2裝上一片密封墊。4.2.3裝上一塊集流板。4.2.4裝上另一片密封墊。4.2.5將一碳紙放在中間部位。4.2.6將制備好的膜電極放在碳紙上，注意催化劑部分與碳紙覆蓋。324.2.7裝上另外一片碳紙，同樣使催化劑部分與碳紙覆蓋。4.2.8裝上另一塊集流板。注意此集流板的極耳和上一個集流板不在同一方向。4.2.9裝上氧氣側端板。4.2.10用螺絲將電池鎖緊。4.2.11裝上電極接頭。4.3一體化（all-in-one）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)安裝試驗4.3.1將組裝好的燃料電池按圖5所示放入發(fā)電裝置中，并與電機連接。4.3.2在制氫瓶中加入約2/3的去離子水，再加入復合含氫材料，充分溶解復合含氫材料，然后加蓋旋緊。4.3.3將制氫瓶按圖5所示，將氫氣導管連到燃料電池的陽極。4.3.4此時氫氣產生，經導管進入燃料電池。燃料電池開始工作，可見小風扇轉動。33圖5一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)4.4實驗觀察和測試4.4.1用萬用表檢查燃料電池接觸是否完好（不允許短路）。4.4.2觀察復合含氫材料溶解時的現(xiàn)象。4.4.3風扇轉動后測量燃料電池的電壓、電流。4.4.4測試燃料電池的工作極化曲線。4.5實驗后處理4.5.1將燃料電池與小風扇分離。4.5.2將制氫瓶中所剩溶液倒入廢液收集桶。4.5.3打開燃料電池。4.5.4將碳紙和涂覆催化劑的質子交換膜統(tǒng)一回收。4.5.5用脫脂棉蘸乙醇清洗氧氣/氫氣端板、密封墊、集極流板以及涂膜夾具。將這些可重復利用的部件按要求放回原處。4.6耗品回收4.6.1催化劑回收：將涂覆催化劑的膜浸入乙醇中，催化劑層會溶解脫落。將收集的催化劑醇溶液適當蒸發(fā)至一定稠度，可重新使用。4.6.2膜回收：將去除催化劑的膜在去離子水中煮沸1小時，然后放入去離子水中備用。4.6.3碳紙回收：將使用過的碳紙置于丙酮溶液中浸泡半小時，然后用去離子水清洗，最后將碳紙置于烘箱內烘干備用。345.【數(shù)據(jù)處理】測得開路電位為0.656V，選擇“線性掃描”功能，參數(shù)設置如下 初始電位=0.656V，終止電位0V，掃描速度0.001V/s，靜止時間2s，靈敏度10-6A/V圖6.燃料電池的電位-電流密度及功率-電流密度曲線6.【提問與思考】6.1本實驗成功的關鍵是什么？質子交換膜的制備：避免長時間熱風吹干，避免破裂，使催化劑更加均勻覆蓋，膜的組裝過程要注意制氫瓶的使用：不要用力搖晃，電池反應過程中不要打開瓶蓋，以防止制備氫氣的不穩(wěn)定而導致的電壓不穩(wěn)定6.2本實驗是氫/空氣（氧）燃料電池，是否可以甲醇或乙醇代替氫作燃料？如果可以陽極的反應是什么？可以。以甲醇為例：堿性條件下CH3OH - 6e- + 8OH- CO32- + 6H2O 酸性條