質子交換膜氫燃料電池實驗器

一個質子交換膜電，膜電不小于15mm×15mm，帶電流、電壓表。

電池電壓0.5V左右電流18-20mA左右；

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( Membrane electrode assembly, MEA)的制備和單電池組裝及實際演示一體化（all-in-one）燃料電池發電系統，使學生面了解燃料電池的基本原理和制作過程及使用方法。
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為低壓直流電的裝置，即通過燃料和氧化劑發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、陰、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。陽為氫電，陰為氧電，陽和陰上都含有**量的催化劑（目的是用來加速電上發生的電化學反應），兩之間是電解質。
工作原理為：氫氣通過管道或導氣板到達陽，在陽催化劑的作用下，氫氣發生氧化，釋放出電子，如反應（1）所示。氫離子穿過電解質到達陰，而
在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰，同時，電子通過外電路也到達陰。在陰側，氧氣與氫離子和電子在陰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。
陽半反應：H2 → 2 H+ + 2 e-                 Eo = 0.00 V        (1)
陰半反應：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)
由碳紙（氣體擴散層）、陽催化層、質子交換膜、陰催化層和碳紙（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。
燃料電池陽和陰之間由質子交換膜（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*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，具有的化學穩定性和熱穩定。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，把它分為三個區域：（1）憎水的碳氟主鏈區，（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”，（3）前兩個區域相間的過渡區。膜中的-SO3H是一種親水性的陽離子交換基團，當陰反應時，-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+在膜內由陽向陰移動。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***的條件。質子傳遞使得兩反應順利進行，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。普通化學電池的陽和陰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*儲存系統提供。因此，普通化學電池只是一個有限的電能輸出和儲存裝置，而燃料電池只要燃料和氧化劑的供應，可連續不斷地產生電能，是一個發電裝置。另外，同為發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。內燃機發電分兩步完成，**步是燃料燃燒，產生熱能，**步是熱能驅動機械發電得到電能。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”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的結構，膜電是燃料電池的核心部件，但是須組成電堆才能發電。圖3為燃料電池堆和便攜式燃料電池發電系統。燃料電池堆由多個單電池組成，單電池是指由一片膜電組成的電池。除了膜電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。燃料電池系統由多個單電池串聯而成，工作時需要*復雜的燃料供給系統、水熱管理系統和電子控制系統等。

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