质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和演示.doc

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1、学生实验质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和演示设计：沈培康执笔：沈培康、孟辉中山大学物理科学与工程技术学院2009年6月质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和演示一．实验目的本实验通过进行氢/氧（空）质子交换膜燃料电池（Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）关键组件膜电极(Membraneelectrodeassembly,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。二．实验原理燃料电池是一种通过电化学反应直接

2、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。燃料电池单体主要有四部分组成，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。图1燃料电池工作原理图。图中Anode为阳极，Cathode为阴极，BipolarPla

3、te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，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→2H++2e-Eo=0.00V(1)阴极半反应：1/2O2+2H++2e-→H2OEo

4、=1.23V(2)电池总反应：H2(g)+1/2O2(g)→H2O(l)Eocell=1.23V(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

5、。图2燃料电池膜电极结构。图中GDL是气体扩散层，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。Nafion系列膜具有体型网络结构，其中有很多

6、微孔(孔径约10-9m)。人们普遍用“离子簇网络结构模型”来描述这种结构，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。

7、由于膜的持水性，在H+摆脱-SO3-后，进行了“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，而燃料电池只要保证燃料和氧化剂的供应，可连续不断地产生电能，是一个发电装置。另

8、外，同为发电装置的燃料电池和内燃机也有根本的不同，这主要是它们产生电能的原理不同。内燃机发电分两步完成，第一步是燃料燃烧，产生热能，第二