實(shí)驗(yàn)五 質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及單電池的制作和性能測(cè)試.doc

實(shí)驗(yàn)五質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及單電池的制作和性能測(cè)試1.【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹勘緦?shí)驗(yàn)通過進(jìn)行氫/氧（空）質(zhì)子交換膜燃料電池（Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）關(guān)鍵組件膜電極(Membraneelectrodeassembly,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)生全面了解燃料電池的基本原理和制作過程及使用方法。2.【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。燃料電池單體主要由四部分組成，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為陽極，Cathode為陰極，BipolarPlate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28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)：H22H+2e-Eo=0.00V(1)陰極半反應(yīng)：1/2O2+2H+2e-H2OEo=1.23V(2)電池總反應(yīng)：H2(g)+1/2O2(g)H2O(l)Eocell=1.23V(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)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Nafion212、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)定性。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10-9m)。人們普遍用“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29了“連鎖式的水合質(zhì)子傳遞”，即質(zhì)子沿著氫鍵鏈迅速地轉(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，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。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(gè)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，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。圖3燃料電池堆（左）和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)（右）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)明顯降低，與工作電流有關(guān)。從圖4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。30VoltagePowerCurrentdensity圖4燃料電池的工作極化曲線3.【儀器與試劑】電化學(xué)工作站，萬用表，鑷子，電吹風(fēng)，六角小扳手，燒杯，直尺，玻璃攪棒，烘箱，丙酮，無水乙醇，脫脂棉，去離子水。4.【實(shí)驗(yàn)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。314.1.4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。324.2.7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。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5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)。33圖5一體化燃料電池發(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。4.6.2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。345.【數(shù)據(jù)處理】測(cè)得開路電位為0.656V，選擇“線性掃描”功能，參數(shù)設(shè)置如下 初始電位=0.656V，終止電位0V，掃描速度0.001V/s，靜止時(shí)間2s，靈敏度10-6A/V圖6.燃料電池的電位-電流密度及功率-電流密度曲線6.【提問與思考】6.1本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是什么？質(zhì)子交換膜的制備：避免長時(shí)間熱風(fēng)吹干，避免破裂，使催化劑更加均勻覆蓋，膜的組裝過程要注意制氫瓶的使用：不要用力搖晃，電池反應(yīng)過程中不要打開瓶蓋，以防止制備氫氣的不穩(wěn)定而導(dǎo)致的電壓不穩(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。以甲醇為例：堿性條件下CH3OH - 6e- + 8OH- CO32- + 6H2O 酸性條