最新实验五 质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和性能测试.doc

《最新实验五 质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和性能测试.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、__________________________________________________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

2、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。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除__________________________________

3、________________收集于网络，如有侵权请联系管理员删除__________________________________________________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，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

4、收集于网络，如有侵权请联系管理员删除__________________________________________________收集于网络，如有侵权请联系管理员删除__________________________________________________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- → H2OE

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

6、合配置成浆料，使用时直接涂覆。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除__________________________________________________收集于网络，如有侵权请联系管理员删除__________________________________________________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

7、，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

8、水性的阳离子交换基团，当