质子交换膜燃料电池.docx

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1、华南师范大学实验报告学号：20120010027年级、班级：12新能源学生姓名:蓝中舜专业：新能源材料与器件励勤创新班课程名称：化学电源实验实验工程：质子交换膜燃料电池的装配及性能测试实验类型：验证设计综合实验时间：2014年6月16日实验指导老师：易芬云组员：吕俊余启鹏郭金海一.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根本原理和制作过程及

2、使用方法。二.实验原理燃料电池是一种通过电化学反响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响产生直流电和水。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，那么是氢和氧通过电化学反响生成水，并释放出电能。燃料电池单体主要有四局部组成，即阳极、阴极、电解质质子交换膜和外电路。图1为组成燃料电池的根本单元的示意图。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响)，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，BiPOEPIat

3、e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，如反响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响生成水，如反响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响如式3)所示。阳极半反响：H22H+2e-阴极半反响：1/2O2+2H+2eH2O电池总反响：H2(g)+1/202(g)H2O(I)Eo=0.00V(1)E7=1.23VEocel

4、l=123N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拟大，一般在碳纸外表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外表，另一种是直接将催化剂涂覆在膜的两位限催化剂一般是25纳米GDLCLGDL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如杜邦公司的N

5、afion膜隔开。最常用的Nafion212、NafiOnn5和NafiOnn7等型号的膜外观为无色透明，平均分子量大概为l（）5）60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局部：一局部是离子基团群，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；另一局部是憎水骨架，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，其中有很多微孔（孔径约IO-m）o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、相对离子和局部碳氟高聚物侧链所组成的“离子簇区L3前两个

6、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，当阴极反响时，-SChH中离解出H+会参与结合生成水,同时放热。H+离去后，-S03-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，-SChH上的H+与H2O形成H3O+,从而削弱了-SO3一与H+间的引力，有利于H+的移动。由于膜的持水性，在H+摆脱-S03-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响顺利进行，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

7、一样，都是通过电化学反响产生电能，但是，反响物的供给方式不同。普通化学电池的阳极和阴极反响物共存于电池体内。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给，可连续不断地产生电能，是一个发电装置。另外，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，第二步是热能驱动机械发电得到电能。而燃料电池中的燃料通过电化学反响直接产生电能。燃料电池由于反响过程中不涉及到燃烧，其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率是

8、普通内燃机的2-3倍。前面介绍了燃料电池膜电极的结构，膜电极是燃料电池的核心部件，但是必须组成电堆才能发电。除了膜电极之外还需要其它部件，包括密封垫、集流板及端板等，最终由螺丝固定。燃料电池系统由多个单电池串联而成，工作时需要更复杂的燃料供给系统、水热管理系统和电子控制系统等。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3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到达最大值。这说明燃料电池的工作特性与普通化学电池不同，它的

9、输出功率随负载变化。Currentdensity图3燃料电池的工作极化曲线三.实验仪器、材料与试剂电化学工作站，万用表，镶子，电吹风，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。四.实验内容及步骤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。质子交换膜要先将两面的保护膜去掉，防止将催化剂涂在保护膜上）后用螺丝将膜夹紧。将配好的催化剂浆料均匀涂在膜上此时膜会发生卷将夹具面板盖上，然曲，属正常现象），用电吹风器吹干。将膜从夹具上

10、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值J端板上。装上一片密封垫。装上一块集流板。装上另一片密封垫。将一碳纸放在中间部位。将制备好的膜电极放在碳纸上，注意催化剂局部与碳纸覆盖。装上另外一片碳纸，同样使催化剂局部与碳纸覆盖。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。装上氧气值J端板。用螺丝将电池锁紧。装上电极接头。19)10)(11)4.3 一体化(all-in-one)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。在制氢瓶中参加约2/3的去离子水，再参加复合

11、含氢材料，充分溶解复合含氢材料，然后加盖旋紧。将制氢瓶按图4所示，将氢气导管连到燃料电池的阳极。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。H图4一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不允许短路。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。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别离。4.5.2 将制氢瓶中所剩溶液倒入废液收集桶。4.5.3 翻开燃料电池。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

12、/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。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。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。五、实验数据处理由实验测量可得，电极面积S=3.142.52=19.625cm2o国_00.000250.000200.00015Power0.000100.000050.000000.000000.000020.000

13、040.000060.00008Currentdensity图6燃料电池的工作极化曲线由图中可得，当电流密度不断增大时，电压不断下降，但是电池功率先增后减。当电流密度为4.26X10-5a时，电池功率到达最大值，最大值为2.37X10-4w0六 .实验思考与讨论6.1 本实验成功的关键是什么？11）电池封装的气密性一定要好，防止氢气的泄露。2质子交换膜尽量要要处于正中间。3不能摇晃制取氢气的瓶子，氢气的释放速率要保持稳定。6.2 本实验是氢/空气氧燃料电池，是否可以甲醇或乙醇代替氢作燃料？如果可以阳极的反响是什么？可以。阳极反响：1甲醇：CH30H-6e+60HC02+5H20乙醇：酸性：C2

14、H6OH+3H2O-12e-=2CO2+12H+碱性：C2H5OH+16OH-12e=2CO32+11H2O6.3 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。1催化重整制氢技术；2金属置换制氢；3太阳能制氢；4金属氢化物制氢；5生物质制氢；6）微生物制氢；7）电解水制氢。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？增大氢气的释放速率，提高工作气体的压力；提高反响温度；提高催化剂的活性。七 .考前须知7.1 本实验中有氢气产生，实验室严禁明火，并保持良好通风。7.2 防止质子交换膜在操作过程中戳破。如果膜有破损那么需重新更换。7.3 必须将催化剂浆料均匀涂覆于膜上此时膜会发生卷曲，并及时吹干。7.4 安放碳纸时注意将碳纸准确放置在密封垫中空处，防止漏气。7.5 燃料电池装配时，螺丝应均匀、交叉拧紧，以达最正确密封。7.6 利用一体化燃料电池系统示范时，严格禁止制氢装置中的水流入燃料电池，以免损坏燃料电池。