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.docx

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. 本实验通过进行氢/氧质子交换膜燃料电池关键组件膜电极( 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. 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 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，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，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，如反应所示。氢离子穿过电解质到达阴极，而在电池的另一端，氧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 氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水，如反应所示。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所示。 o阳极半反应：H2 2 H+ + 2 e- E = 0.00 V (1) 阴极半反应：1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- H2O 电池总反应：H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) E = 1.23 V Eocell = 1.23 V o(2) (3) 燃料电池的膜电极如图 2 所示。由碳纸、阳极催化层、质子交换膜、阴 极催化层和碳纸构成。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。 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 25 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。 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隔开。最常用的 Nafion 212、Nafion115 和 Nafion117 等型号的膜外观为无色透明，平均分子量大概为 1010。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 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：憎水的碳氟主链区，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）和燃料电池发电系统 燃料电池的工作特性可以极化曲线表示。图 4 是典型的单电池的极化曲线，即电压电 流曲线。一个单电池的开路电压可以在 1 伏左右，但是在工作时电池的输出电压会明显降低， 与工作电流有关。从图 4 的曲线可以看到，随着电流密度的加大，电压降低。然而，电池输 出的功率在某一个电流密度下达到最大值。这表明燃料电池的工作特性与普通化学电池不 同，它的输出功率随负载变化。 30 Current density 图 4 燃料电池的工作极化曲线 3. 电化学工作站，万用表，镊子，电吹风，六角小扳手，烧杯，直尺，玻璃搅棒，烘箱， 丙酮，无水乙醇，脱脂棉，去离子水。 4. 4.1 膜电极制备 4.1.1 清洗涂膜夹具，用脱脂棉蘸无水乙醇将夹具及垫圈清洗干净。 4.1.2 按图所示，将质子交换膜装于夹具上。在底座上放上一块密封垫，然后放上质子 交换膜，再放上一块密封垫。 4.1.3 将夹具面板盖上，然后用螺丝将膜夹紧。将配好的催化剂浆料均匀涂在膜上，用电吹风器吹干。 31 4.1.4 将膜从夹具上取下，将质子交换膜的反面用同法涂覆催化剂。 4.2 燃料电池组装 4.2.1 首先将四个螺丝装在有机玻璃的氢气側端板上。 4.2.2 装上一片密封垫。 4.2.3 装上一块集流板。 4.2.4 装上另一片密封垫。 4.2.5 将一碳纸放在中间部位。 4.2.6 将制备好的膜电极放在碳纸上，注意催化剂部分与碳纸覆盖。 32 4.2.7 装上另外一片碳纸，同样使催化剂部分与碳纸覆盖。 4.2.8 装上另一块集流板。注意此集流板的极耳和上一个集流板不在 同一方向。 4.2.9 装上氧气側端板。 4.2.10 用螺丝将电池锁紧。 4.2.11 装上电极接头。 4.3 一体化燃料电池发电系统安装试验 4.3.1 将组装好的燃料电池按图 5 所示放入发电装置中，并与电机连接。 4.3.2 在制氢瓶中加入约 2/3 的去离子水，再加入复合含氢材料，充分溶解复合含氢材料， 然后加盖旋紧。 4.3.3 将制氢瓶按图 5 所示，将氢气导管连到燃料电池的阳极。 4.3.4 此时氢气产生，经导管进入燃料电池。燃料电池开始工作，可见小风扇转动。 33 图 5 一体化燃料电池发电系统 4.4 实验观察和测试 4.4.1 用万用表检查燃料电池接触是否完好。 4.4.2 观察复合含氢材料溶解时的现象。 4.4.3 风扇转动后测量燃料电池的电压、电流。 4.4.4 测试燃料电池的工作极化曲线。 4.5 实验后处理 4.5.1 将燃料电池与小风扇分离。 4.5.2 将制氢瓶中所剩溶液倒入废液收集桶。 4.5.3 打开燃料电池。 4.5.4 将碳纸和涂覆催化剂的质子交换膜统一回收。 4.5.5 用脱脂棉蘸乙醇清洗氧气/氢气端板、密封垫、集极流板以及涂膜夹具。将这些可 重复利用的部件按要求放回原处。 4.6 耗品回收 4.6.1 催化剂回收：将涂覆催化剂的膜浸入乙醇中，催化剂层会溶解脱落。将收集的催 化剂醇溶液适当蒸发至一定稠度，可重新使用。 4.6.2 膜回收：将去除催化剂的膜在去离子水中煮沸 1 小时，然后放入去离子水中备用。 4.6.3 碳纸回收：将使用过的碳纸置于丙酮溶液中浸泡半小时，然后用去离子水清洗， 最后将碳纸置于烘箱内烘干备用。 345. 测得开路电位为0.656V，选择“线性扫描”功能，参数设置如下 初始电位=0.656V，终止电位0V，扫描速度0.001V/s，静止时间2s，灵敏度10-6A/V 图6.燃料电池的电位-电流密度及功率-电流密度曲线 6. 6.1 本实验成功的关键是什么？ 质子交换膜的制备：避免长时间热风吹干，避免破裂，使催化剂更加均匀覆盖，膜的组装过程要注意 制氢瓶的使用：不要用力摇晃，电池反应过程中不要打开瓶盖，以防止制备氢气的不稳定而导致的电压不稳定 6.2 本实验是氢/空气燃料电池，是否可以甲醇或乙醇代替氢作燃料？如果可以阳 极的反应是什么？ 可以。以甲醇为例：碱性条件下CH3OH - 6e- + 8OH- CO32- + 6H2O 酸性条件下CH4O - 6e(-) + H2O 6H(+) + CO2 6.3 本实验使用市售的含氢复合材料制氢，能用其它制氢方法代替吗？如果有请举例说 明。 可以。可以用氢气瓶直接通入氢气，金属氢化物制氢，碱金属与水反应，电解水制氢等 6.4 本实验的一体化燃料电池系统带动的是一个小风扇，如何设计一个可以带动更大功 率电器的燃料电池系统？ 可以串联多个燃料电池组，将反应温度设置为最佳温度，提高氢气活度，使用性能更加优良的隔膜等