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質(zhì)子交換膜氫燃料電池實驗器介紹

時間:2024/10/28閱讀:193
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一個質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)關(guān)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(fā)電系統(tǒng),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(yīng)直接將化學能轉(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反應(yīng)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(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,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(fā)生的電化學反應(yīng)),兩,之間是電解質(zhì)。
工作原理為:氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_陽,,在陽,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)到達陰,,而
在電池的另一端,氧氣(或空氣)通過管道或?qū)獍宓竭_陰,,同時,電子通過外電路也到達陰,。在陰,側(cè),氧氣與氫離子和電子在陰,催化劑的作用下反應(yīng)生成水,如反應(yīng)(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(yīng)如式(3)所示。
陽,半反應(yīng):H2 → 2 H+ + 2 e-                 Eo = 0.00 V        (1)
陰,半反應(yīng):1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O        Eo = 1.23 V       (2)
電池總反應(yīng):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(zhì)子交換膜、陰,催化層和碳紙(氣體擴散層)構(gòu)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(cè)。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(zhì)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(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:一部分是離子基團群,含有大量的磺酸基團,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,的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定。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10-9 m)。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(cè)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,反應(yīng)時,-SO3H中離解出H+會參與結(jié)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(qū)動,使H+在膜內(nèi)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(zhì)子傳遞",即質(zhì)子沿著氫鍵鏈地轉(zhuǎn)移,所以水是質(zhì)子傳遞,的條件。質(zhì)子傳遞使得兩,反應(yīng)順利進行,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電池一樣,都是通過電化學反應(yīng)產(chǎn)生電能,但是,反應(yīng)物的供給方式不同。普通化學電池的陽,和陰,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%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,燃料和氧化劑的供應(yīng),可連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能,是一個發(fā)電裝置。另外,同為發(fā)電裝置的燃料電池和內(nèi)燃機也有根本的不同,這主要是它們產(chǎn)生電能的原理不同。內(nèi)燃機發(fā)電分兩步完成,,步是燃料燃燒,產(chǎn)生熱能,第二步是熱能驅(qū)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(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)燃機的2-3倍。前面介紹了燃料電池膜電,的結(jié)構(gòu),膜電,是燃料電池的部件,但是,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,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(tǒng)由多個單電池串聯(lián)而成,工作時需要%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。


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