实验五 质子交换膜燃料电池膜电极及单电池地制作和性能测试

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1、实用标准实验五 质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和性能测试1. 【实验目的】本实验通过进行氢/氧（空）质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuelcell，PEMFC）关键组件膜电极( Membrane electrode assembly, MEA)的制备和单电池组装及实际演示一体化（all-in-one）燃料电池发电系统，使学生全面了解燃料电池的基本原理和制作过程及使用方法。2.【实验原理】燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转变为低压直流电的装置，即通过燃料和氧化剂发生电化学反应产生直流电和水。燃料电池装置从本质上说是水电解的一个逆装置。在

2、电解水过程中，外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。 燃料电池单体主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质（质子交换膜）和外电路。图 1 为组成燃料电池的基本单元的示意图。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂（目的是用来加速电极上发生的电化学反应），两极之间是电解质。文档大全实用标准文档大全实用标准图 1 燃料电池工作原理图。图中 Anode 为阳极，Cathode 为阴极，Bipolar Plate 为双极板，CL 为催化剂层，PEM 为质子交换膜。工作原理为：氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，

3、氢气发生氧化，释放出电子，如反应（1）所示。氢离子穿过电解质到达阴极，而在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，电子通过外电路也到达阴极。在阴极侧，氧气与28文档大全实用标准文档大全实用标准氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水，如反应（2）所示。与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，可以向负载输出电能。燃料电池总的化学反应如式（3）所示。阳极半反应：H2 → 2 H+ + 2 e-Eo = 0.00 V(1)阴极半反应：1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- → H2OEo = 1.23 V(2)电池总反应：H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l

4、)Eocell = 1.23 V(3)燃料电池的膜电极如图 2 所示。由碳纸（气体扩散层）、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和碳纸（气体扩散层）构成。其中碳纸作为气体扩散层支撑体起收集电流的作用。因为碳纸上的孔隙率比较大，一般在碳纸表面制备一层中间层来整平（在本实验中省略）。催化层的涂布分两种情况，一种是将催化剂涂覆在碳纸的中间层表面，另一种是直接将催化剂涂覆在膜的两側。催化剂一般是 2－5 纳米的 Pt 颗粒负载在 30 纳米左右的碳粉上，与溶剂和 Nafion 等均匀混合配置成浆料，使用时直接涂覆。文档大全实用标准文档大全实用标准图 2 燃料电池膜电极结构。图中 GDL 是气体扩散层

5、，CL 是催化剂层，M 是质子交换膜。（燃料电池阳极和阴极之间由质子交换膜（如杜邦公司的 Nafion 膜）隔开。最常用的 Nafion212、Nafion115 和 Nafion117 等型号的膜外观为无色透明，平均分子量大概为 105～106。由分子结构可看出，Nafion 膜是一种不交联的高分子聚合物，在微观上可以分成两部分：一部分是离子基团群，含有大量的磺酸基团，它既能提供游离的质子，又能吸引水分子；另一部分是憎水骨架，与聚四氟乙烯类似，具有良好的化学稳定性和热稳定性。Nafion 系列膜具有体型网络结构，其中有很多微孔(孔径约 10-9 m)。人们普遍用“离子簇网络结构模型”来描

6、述这种结构，把它分为三个区域：（1）憎水的碳氟主链区，（2）由水分子、固定离子、相对离子和部分碳氟高聚物侧链所组成的“离子簇区”， 3）前两个区域相间的过渡区。膜中的-SO3H是一种亲水性的阳离子交换基团，当阴极反应时，-SO3H 中离解出 H+会参与结合生成水，同时放热。H+离去后，-SO3-会因静电吸引邻近的 H+填充空位，同时还有电势差的驱动，使H+在膜内由阳极向阴极移动。在有水存在的条件下，-SO3H 上的 H+与 H2O 形成 H3O+，从而削弱了-SO3-与 H+间的引力，有利于 H+的移动。由于膜的持水性，在 H+摆脱-SO3-后，进行29文档大全实用标准文档大全实用标准了“

7、连锁式的水合质子传递”，即质子沿着氢键链迅速地转移，所以水是质子传递必不可少的条件。质子传递使得两极反应顺利进行，维持了电池回路，所以，质子传递快慢，直接影响电池的内阻和输出功率。燃料电池虽然和普通化学电池一样，都是通过电化学反应产生电能，但是，反应物的供给方式不同。普通化学电池的阳极和阴极反应物共存于电池体内。而燃料电池的氧化剂和燃料是由燃料电池外部的单独储存系统提供。因此，普通化学电池只是一个有限的电能输出和储存装置