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靈龍

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26021氫燃料電池演示器

26021氫燃料電池演示器是生化實驗的教學模型

質子交換膜燃料電池膜電極及單電池的制作和演示

一．實驗目的
       
本實驗通過進行氫/氧（空）質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）關鍵組件膜電極( Membrane electrode assembly, 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。

二．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。 燃料電池單體主要有四部分組成，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，Bipolar Plate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：H2 → 2 H+ + 2 e-                 Eo = 0.00 V         (1)
陰極半反應：1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O        Eo = 1.23 V         (2)
電池總反應：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2－5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。常用的Nafion 212、Nafion115和Nafion117等型號的膜外觀為無色透明，平均分子量大概為105～106。由分子結構可看出，Nafion膜是一種不交聯的高分子聚合物，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。Nafion系列膜具有體型網絡結構，其中有很多微孔(孔徑約10-9 m)。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，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，終由螺絲固定。燃料電池系統(tǒng)由多個單電池串聯而成，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。