質(zhì)子交換膜燃料電池

1、華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名:藍(lán)中舜 學(xué)號(hào)：20120010027專業(yè)：新能源材料與器件勷勤創(chuàng)新班 年級(jí)、班級(jí)：12新能源課程名稱： 化學(xué)電源實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：質(zhì)子交換膜燃料電池的裝配及性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證 設(shè)計(jì) 綜合 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2014年6月16日實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師：易芬云 組員：呂俊 余啟鵬 郭金海一實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)通過進(jìn)行氫/氧（空）質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）關(guān)鍵組件膜電極( Membrane electrode assembly, MEA)的制備和單電池組裝及實(shí)際演示一體化（all-in-one）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，使學(xué)生

2、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(shí)驗(yàn)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(gè)逆裝置。在電解水過程中，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

3、極，Cathode為陰極，Bipolar Plate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(shí)，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(shí)，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 2 H+ + 2 e- Eo = 0.00 V (1)陰極半反應(yīng)：1/2 O2 + 2

4、 H+ + 2 e- H2O Eo = 1.23 V (2)電池總反應(yīng)：H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) Eocell = 1.23 V (3)燃料電池的膜電極如圖2所示。由碳紙（氣體擴(kuò)散層）、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層和碳紙（氣體擴(kuò)散層）構(gòu)成。其中碳紙作為氣體擴(kuò)散層支撐體起收集電流的作用。因?yàn)樘技埳系目紫堵时容^大，一般在碳紙表面制備一層中間層來整平（在本實(shí)驗(yàn)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25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(shí)

5、直接涂覆。圖 2 燃料電池膜電極結(jié)構(gòu)。圖中GDL是氣體擴(kuò)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Nafion 212、Nafion115和Nafion117等型號(hào)的膜外觀為無色透明，平均分子量大概為105106。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(tuán)群，含有大量的磺酸基團(tuán)，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10-9 m)。人們普遍

6、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(gè)區(qū)域：（1）憎水的碳氟主鏈區(qū)，（2）由水分子、固定離子、相對(duì)離子和部分碳氟高聚物側(cè)鏈所組成的“離子簇區(qū)”，（3）前兩個(gè)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(tuán)，當(dāng)陰極反應(yīng)時(shí)，-SO3H中離解出H+會(huì)參與結(jié)合生成水，同時(shí)放熱。H+離去后，-SO3-會(huì)因靜電吸引鄰近的H+填充空位，同時(shí)還有電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)，使H+在膜內(nèi)由陽極向陰極移動(dòng)。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(dòng)。由于膜的持水性，在H+擺脫-SO3-后，進(jìn)行了“連鎖式的水合質(zhì)子傳遞”，即質(zhì)子沿著

7、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(jìn)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(dú)儲(chǔ)存系統(tǒng)提供。因此，普通化學(xué)電池只是一個(gè)有限的電能輸出和儲(chǔ)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(gè)發(fā)電裝置。另外，同為發(fā)電裝置的燃料電池和內(nèi)燃機(jī)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(jī)發(fā)電分兩步完成，第一步是燃料燃燒，產(chǎn)生熱能

8、，第二步是熱能驅(qū)動(dòng)機(jī)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)過程中不涉及到燃燒，其能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，其能量轉(zhuǎn)換效率是普通內(nèi)燃機(jī)的2-3倍。前面介紹了燃料電池膜電極的結(jié)構(gòu)，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。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(gè)單電池串聯(lián)而成，工作時(shí)需要更復(fù)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。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(gè)單電池的開路電壓可以在1伏左右，但是在工作時(shí)電池的輸出電壓會(huì)明顯

9、降低，與工作電流有關(guān)。從圖3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(gè)電流密度下達(dá)到最大值。這表明燃料電池的工作特性與普通化學(xué)電池不同，它的輸出功率隨負(fù)載變化。圖3 燃料電池的工作極化曲線三實(shí)驗(yàn)儀器、材料與試劑電化學(xué)工作站，萬用表，鑷子，電吹風(fēng)，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。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟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(zhì)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(zhì)子交換膜，再放上一塊密封墊。（質(zhì)子交換膜要先將兩面的保護(hù)膜去掉，防止將催化

10、劑涂在保護(hù)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(shí)膜會(huì)發(fā)生卷曲，屬正?，F(xiàn)象），用電吹風(fēng)器吹干。 4.1.4將膜從夾具上取下，將質(zhì)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(gè)螺絲裝在有機(jī)玻璃的氫氣側(cè)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。4.2.7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(gè)集流板不在同一方向。4.2.9裝

11、上氧氣側(cè)端板。4.2.10用螺絲將電池鎖緊。4.2.11裝上電極接頭。（1） （2） （3） （4）（5） （6） （7） （8）（9） （10） （11）4.3一體化（all-in-one）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)安裝試驗(yàn)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(jī)連接。4.3.2在制氫瓶中加入約2/3的去離子水，再加入復(fù)合含氫材料，充分溶解復(fù)合含氫材料，然后加蓋旋緊。4.3.3將制氫瓶按圖4所示，將氫氣導(dǎo)管連到燃料電池的陽極。4.3.4此時(shí)氫氣產(chǎn)生，經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入燃料電池。燃料電池開始工作，可見小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 4 一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)4.4 實(shí)驗(yàn)觀察和測(cè)試4.4.1 用萬用表檢查

12、燃料電池接觸是否完好（不允許短路）。4.4.2 觀察復(fù)合含氫材料溶解時(shí)的現(xiàn)象。4.4.3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)后測(cè)量燃料電池的電壓、電流。4.4.4 測(cè)試燃料電池的工作極化曲線。4.5 實(shí)驗(yàn)后處理4.5.1將燃料電池與小風(fēng)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(zhì)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(fù)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(huì)溶解脫落。將收集的催化劑醇溶液適當(dāng)蒸發(fā)至一定稠度，可重新使用。4.6.

13、2 膜回收：將去除催化劑的膜在去離子水中煮沸1小時(shí)，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(shí)，然后用去離子水清洗，最后將碳紙置于烘箱內(nèi)烘干備用。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理由實(shí)驗(yàn)測(cè)量可得，電極面積S=3.14×2.52=19.625cm2。圖6 燃料電池的工作極化曲線由圖中可得，當(dāng)電流密度不斷增大時(shí)，電壓不斷下降，但是電池功率先增后減。當(dāng)電流密度為4.26×10-5A時(shí)，電池功率達(dá)到最大值，最大值為2.37×10-4W。六實(shí)驗(yàn)思考與討論6.1 本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是什么？（1）電池封裝的氣密性一定要好，防止氫氣的泄露。（2）質(zhì)子交換膜盡

14、量要要處于正中間。（3）不能搖晃制取氫氣的瓶子，氫氣的釋放速率要保持穩(wěn)定。6.2 本實(shí)驗(yàn)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(yīng)是什么？可以。陽極反應(yīng)：（1）甲醇：CH3OH-6e-+6OH-CO2+5H2O（2）乙醇：酸性：C2H6OH + 3H2O - 12e- = 2CO2 + 12H+ 堿性：C2H5OH+16OH-12e-=2CO32-+11H2O6.3 本實(shí)驗(yàn)使用市售的含氫復(fù)合材料制氫，能用其它制氫方法代替嗎？如果有請(qǐng)舉例說明。（1）催化重整制氫技術(shù)；（2）金屬置換制氫；（3）太陽能制氫；（4）金屬氫化物制氫；（5）生物質(zhì)制氫；（6）微生物制氫；（7）電解水制氫。6.4 本實(shí)驗(yàn)的一體化燃料電池系統(tǒng)帶動(dòng)的是一個(gè)小風(fēng)扇，如何設(shè)計(jì)一個(gè)可以帶動(dòng)更大功率電器的燃料電池系統(tǒng)？增大氫氣的釋放速率，提高工作氣體的壓力；提高