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
质子交换膜燃料电池膜电极测试方法
附录 A （资料性附录） 膜电极性能测试报告 ................................... 12 A.1 概述.................................................................... 12 A.2 报告内容................................................................ 12
A.2.1 标题页............................................................ 12 A.2.2 内容目录.......................................................... 12 A.3 报告类型................................................................ 13 A.3.1 摘要式报告........................................................ 13 A.3.2 详细式报告........................................................ 13 A.3.3 完整式报告........................................................ 13 附录 B （规范性附录） 膜电极性能测试数据记录表 .............................. 14
质子交换膜燃料电池实验报告
质子交换膜燃料电池实验报告引言：质子交换膜燃料电池是一种新型的清洁能源技术，具有高效能转换和零排放的特点，被广泛研究和应用。
本实验旨在探究质子交换膜燃料电池的工作原理及其性能。
一、实验目的本实验的目的是通过搭建质子交换膜燃料电池实验装置，了解其工作原理，研究不同实验条件对燃料电池性能的影响，并对实验结果进行分析和讨论。
二、实验原理质子交换膜燃料电池是一种以氢气和氧气为燃料，在质子交换膜介质中进行氧化还原反应产生电能的装置。
其工作原理如下：1. 氢气在阴极电极上发生氧化反应，生成质子和电子。
2. 电子从阴极电极经外部电路流动至阳极电极。
3. 质子通过质子交换膜传递至阳极电极。
4. 阳极电极上的氧气与质子和电子发生还原反应，生成水。
5. 电子与质子在外部电路中流动，完成电流的闭合。
三、实验步骤1. 搭建质子交换膜燃料电池实验装置，包括阴极电极、阳极电极、质子交换膜和外部电路。
2. 将氢气作为燃料供给阴极电极，将氧气作为氧化剂供给阳极电极。
3. 测量和记录电池在不同工作条件下的电压和电流。
4. 分析和比较不同实验条件下的电池性能差异。
四、实验结果和讨论通过实验得到的数据可得到如下结论：1. 当氢气和氧气的流量越大，燃料电池的产生电压越高。
2. 在一定范围内，增加质子交换膜的厚度会增加燃料电池的电压输出。
3. 随着负载电阻的增加，燃料电池的电压会下降，但电流会增加。
4. 温度的升高有助于提高燃料电池的性能，但过高的温度会对膜材料产生损害。
五、实验结论本实验通过搭建质子交换膜燃料电池实验装置，研究了不同实验条件对燃料电池性能的影响。
结果表明，氢气和氧气流量、质子交换膜厚度、负载电阻和温度等因素对燃料电池的性能有显著影响。
对于质子交换膜燃料电池的实际应用，需要选择合适的实验条件，以提高电池的效率和稳定性。
六、实验总结本实验通过实验操作和数据分析，深入了解了质子交换膜燃料电池的工作原理和性能特点。
同时，也发现了实验中存在的一些问题和改进的空间，如实验装置的稳定性和可靠性，以及对燃料电池材料的进一步优化等。
质子交换膜燃料电池实验报告
质子交换膜燃料电池实验报告一、实验目的本实验旨在研究质子交换膜燃料电池的性能及其应用，通过实验掌握质子交换膜燃料电池的工作原理、构成和性能测试方法，为未来的燃料电池应用提供实验依据。
二、实验原理质子交换膜燃料电池是一种基于氢气与氧气反应产生电能的新型能源装置。
其工作原理是将氢气流经阳极，同时将空气或纯氧气流经阴极，在阳极上发生氢化反应产生质子和电子，质子穿过质子交换膜到达阴极，与阴极上的电子和空气或纯氧发生还原反应生成水和电能。
其中，质子交换膜扮演着关键角色，它可以选择性地传递正离子而阻止其他离子通过。
三、实验步骤1.准备好所需材料：质子交换膜燃料电池组件、液态水、加热器、温度计等。
2.将液态水注入质子交换膜燃料电池组件中。
3.将质子交换膜燃料电池组件连接到加热器和温度计上，调节加热器的温度使其达到适宜的工作温度范围。
4.连接电路，打开电源，记录并分析质子交换膜燃料电池的输出电流、输出电压、功率等参数。
5.根据实验数据分析质子交换膜燃料电池的性能，包括效率、稳定性等指标。
四、实验结果与分析通过实验测量，我们得到了质子交换膜燃料电池在不同工作条件下的输出电流、输出电压、功率等参数。
根据实验数据，我们可以得出以下结论：1.随着温度升高，质子交换膜燃料电池的输出功率有所提高。
这是因为在较高的温度下，氢气和氧气反应速率加快，反应产生的能量也更多。
2.在相同工作条件下，使用纯氧气作为阴极气体比使用空气能够产生更高的输出功率。
这是因为纯氧气中含有更多可用于反应产生能量的氧分子。
3.质子交换膜燃料电池的效率随着输出功率的提高而降低。
这是因为在高功率输出时，部分能量会被转化为热能而无法转化为电能。
4.质子交换膜燃料电池具有较好的稳定性，经过长时间运行后仍能保持较高的输出功率。
五、实验结论通过本次实验，我们深入了解了质子交换膜燃料电池的工作原理和性能表现。
实验结果表明，在适宜的工作条件下，质子交换膜燃料电池具有较高的效率和稳定性，具有广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池膜电极组件及单电池的制作和运行
Ａｂｔａ ｔ ｓｒｃ ：Ｔｈ ｂｅｔｖ ｓｏ ｈｓ“ ｔｙ ｕ ｓ ｌ ＤＩ ｅｏ ｊｃｉｅ ｆｔ ｉ Ｄｏｉ ｏ ｒｅｆ（ Ｙ）ｅ ｐ ｒ ｎ ”ａｅｔ ｅ ｎ ｔａｅｔ ｅｋ ｙｐ ｏ ｅ ｕ ｅｏ ｓ ｘ ｅｉ ｍｅ ｔ ｒ Ｏｄ ｍｏ ｓｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｃ ｄ ｒ ｆ — ａ
关 键 词 ： 子 交 换 膜燃 料 电池 ； 体 化 燃 料 电池 发 电 系统 ；制 氢 ；催 化剂 ； 电 极组 件 质 一 膜
中图 分 类 号 ： ＴＭ９ １ ４ １． 文 献标 志码 ：Ｂ 文 章 编 号 ： ０ ２４ ５ （ ０ ０ ０ — ０ ０ ０ １０ —９６ ２ １ ） ５ ０ ７— ３
Ａｓｅ ｌ ｎ ｅ ｎｔａｉｎｏ ｈ ｒｔｎｅ ｃ ａ ｇ ｓｍｂｙａ ｄｄ ｍｏ ｓｒｔ ｆｔｅｐｏｏ ｘ ｈ ｎ ｅ ｏ
ｍｅ ｒｎ ｕ １ ｅｌ Ｙ ｄ ｃｔ ｎ ｌ ｉ ｍｂａ ｅｒｅ ｌ ＤＩ ｅ ｕ ａｉ ａ ｔ ｃ ｏ ｋ
Ｍ ｅ ｕｉ ｎｇ Ｈ ，Ｓｈｅ ａ ｎ Ｈ ｎ，Ｃｕ ｉ Ｓ ｎ Ｐｅｋａ ｇ ｉＸ ｎ， ｈｅ ｉ ｎ
摘
要 ： 述 了氢 ／ （ ） 子 交 换膜 燃 料 电池 （ ｒ ｔｎ ｅ ｃ ａ ｇ ｍｂ ａ ｅｆｅ ｃｌ Ｐ ＭＦ ） 键 部 件— — 叙 氧 空 质 ｐ ｏ ｏ ｘ ｈ ｎ ｅｍｅ ｒｎ ｕ ｌ ｅｌ Ｅ Ｃ 关 ，
膜 电极 组 件 （ ｍｂ ａ ｅｅｅｔ ｄ ｓ ｅ ｌ ， ｍｅ ｒｎ ｌ ｒ ｅａ ｓｍｂ ｙ ＭＥ 的制 备 和 单 电 池组 装 ， 且 实 际 运行 了 一 体 化 燃 料 电池 发 ｃｏ Ａ） 并 电 系统 。介 绍 了燃 料 电池 的 工 作 原 理 和 实验 内容 。通 过 实 验 ， 学生 全 面 了解 燃 料 电池 的基 本 原 理 、 作 过 使 制 程及使用方法。
质子交换膜燃料电池原理与性能的研究测试分析
质子交换膜燃料电池原理与性能的研究测试分析质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于结构及工作原理的特点，在发生电化学反应过程中不产生任何污染气体，被世界认为最环保能源。
本文通过对燃料电池内部结构具体研究分析，详细的测试了不同紧固作用的改变对PEMFC 工作性能的影响。
研究结果表明随着夹紧力的增大，孔隙率会逐渐减小，并且会影响催化层和扩散层的水含量，直接影响电池性能。
0 前言质子交换膜燃料电池主要应用氢气作为原料，将氧化剂中的化学能转化为电能的一种发电装置。
它的发电原理与普通的化学电池发电原理基本相同：都是利用正负极板上的电子的移动完成燃料的氧化还原反应。
氧化过程发生在正极也就是阳极，还原过程发生在负极也就是阴极。
相对于内燃机而言质子交换膜燃料电池，它的工作特点是直接将化学能转化为电能，因此效率更高。
又因为它是以氢气为燃料，最后作用的产生物是水，没有生成任何有害气体释放到空气中，是我们所需要的环保新能源。
并且它的输出功率更高，无需充电。
正是因为它具有这么突出的优点，所以燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术，被世界认为是最有发展前途的新能源。
1 燃料电池的原理质子交换膜燃料电池主要由阳极流场板，膜电极和阴极流场板组成，其中膜电极又包含扩散层、催化层和质子交换膜。
在工作时质子交换膜燃料电池系统就相当于一个直流电源，直流电源的负极相当于燃料电池的阳极，正极相当于燃料电池的阴极。
首先氢气通过质子交换膜到达阳极，在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出2 个电子，阳极反应为：阳极（负极）：2H2-4e- →4H+.在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：阴极（正极）：O2+4H++4e- →2H2O总反应式：2H2+1/2 O2 →H2O + 电能电子在外电路形成直流电。
质子交换膜燃料电池 第5部分：膜电极测试方法-最新国标
e) 一块阳极侧的端板和一块阴极侧的端板； f) 电绝缘片； g) 螺栓、螺母、垫圈等； h) 温度控制组件：加热组件与热电偶等。 7.3.2 电池组装 电池组装按顺序将端板、电绝缘片、集流板、单极板、密封件、MEA、密封件、单极板、 集流板、电绝缘片、端板进行组装（参考附录B中B.1）。若采用螺栓紧固型夹具，螺栓的 紧固顺序按照附录B中B.2所示数字标注的顺序，使用紧固螺栓、螺母以及扭矩扳手对电池 进行夹紧处理。 电池组装程序对电池性能的可重复性有明显影响，下列组装操作中的一些特定过程应 以文件记录下来: a) 一侧密封件/密封的材料、尺寸及安装。 b) MEA 放置定位，包括阳极侧和阴极侧确认。 c) 另外一侧密封件/密封的材料、尺寸及安装。 d) 加压按照规定气体扩散层的压缩率或者组装力，做螺栓紧固。 注意：装配 GDL 的压缩率和组装力，基于需求进行设定。可以通过压敏纸或压力毯等 压力检测工具来核查 GDL 的受力情况。 e) 装配后，应检查同侧端板和集流体板之间的绝缘性。
n
d di n
i 1
······················································ (1)
式中： d ——膜电极的平均厚度，单位为微米（µm）；
di ——某一点膜电极的厚度测量值，单位为微米（µm）； n ——测量数据点数。
5.5.3 最大厚度相对偏差按照公式（3）进行计算：
3 术语和定义
GB/T 20042.1-2017界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
铂族金属担载量 Pt group metal loading
1
燃料电池（电极）单位活性面积铂族金属的质量。
注1：要明确是单独阳极或单独阴极铂族金属担载量，或者阳极和阴极铂族金属担载量的总和； 注2：Pt族金属，包括：铂(Pt)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、钌(Ru)和铑(Rh)等元素。
质子交换模的制备以及相关测试流程
质子交换模的制备以及相关测试流程下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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质子交换膜燃料电池 质子交换膜测试评价方法
质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种清洁高效的能源供应方案，受到了广泛关注和研究。
而质子交换膜作为PEMFC的核心部件，其性能评价方法对于燃料电池的研究和发展至关重要。
一、质子交换膜燃料电池的基本原理质子交换膜燃料电池是一种以氢气和氧气为燃料的电化学能量转换装置。
通过在阳极催化剂上发生氢气析出电子并通过外部电路流到阴极，同时在阴极催化剂上发生氧气接受电子和质子还原成水，完成能量转换的过程。
而质子交换膜则起到传递质子、隔离氢气和氧气的作用。
质子交换膜的性能评价直接关系到燃料电池的工作性能和稳定性。
二、质子交换膜测试评价的指标1. 质子传导率：质子交换膜的主要功能之一就是传导质子，因此其质子传导率是评价质子交换膜性能的重要指标之一。
传统的测定方法主要包括电化学阻抗谱法和膜电极装置法。
2. 水分管理能力：由于质子交换膜需要保持一定的水分状态才能发挥良好的性能，因此其水分管理能力也是一个重要的测试指标。
常用的测试方法包括原子力显微镜和X射线衍射等。
3. 化学稳定性：质子交换膜在工作过程中需要承受各种电化学环境和氧化还原反应，因此其化学稳定性也是被广泛关注的指标之一。
常见的测试方法主要有热失重分析和循环伏安法等。
三、质子交换膜测试评价方法的发展趋势随着质子交换膜燃料电池技术的不断发展，对质子交换膜性能评价的要求也在不断提高。
未来，质子交换膜测试评价方法的发展趋势将主要集中在以下几个方面：1. 多功能集成测试：未来的质子交换膜测试评价方法将更加注重对多种性能指标的综合评价，以更全面地揭示质子交换膜的性能特点。
2. 环境适应性测试：随着质子交换膜燃料电池的应用范围不断扩大，对质子交换膜在不同环境下的性能稳定性将成为测试评价的重点之一。
3. 在线实时监测：未来的质子交换膜测试评价方法将更加注重对质子交换膜在工作状态下的性能实时监测，以保证其在实际工作中的稳定性和可靠性。
四、个人观点和总结作为质子交换膜燃料电池领域的研究者，我认为质子交换膜测试评价方法的完善将对燃料电池技术的发展起到重要的推动作用。
质子交换膜燃料电池的制备及其效能探索
质子交换膜燃料电池的制备及其效能探索质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新型高效、清洁的能源转换器，能够将氢气（或可氧化物）和氧气在膜上催化反应产生电能和水。
其具有高能量转换效率、零污染排放、快速启动、组件化及便携性等优点，因此已被广泛应用于汽车、核潜艇、无人机等领域。
质子交换膜燃料电池的制备方法主要包括三步：制备膜、制备电极、组装电池。
其中，膜是PEMFC中最核心的组成部分，是质子传递和气体隔离的关键。
目前市面上常用的膜有质子交换膜（PEM）、碱交换膜（AEM）和固体氧化物燃料电池（SOFC）膜。
其中，PEM膜因其良好的温度和湿度适应性以及高传质效率，成为了较为成熟的膜之一。
制备PEM膜，主要通过均聚法、共聚法、膜法等方法。
均聚法是将Teflon类物质和酸催化剂加入水中形成“粉红乳”的混合物，再通过液氮冷冻和真空干燥等工艺步骤，最终形成粘性的PEM膜材料。
共聚法则通过聚合反应使Teflon等物质与酸催化剂直接交联，形成连续网状结构的膜材料。
而膜法则是通过在膜孔中混入聚合物溶液，然后移除孔洞内的过量水分和溶液，最终得到一种均匀膜的制备方法。
除了PEM膜外，电极也是PEMFC中至关重要的部分，能够催化氢气和氧气反应形成水分和电能。
电极的制备一般包括挥发剂法、浆料涂覆法等。
其中，挥发剂法是将铂等贵金属与碳载体混合，再通过高温煅烧除去挥发剂等有害物质，制成电极材料。
而浆料涂覆法则是将电极浆料涂覆在导电膜表面，再进行烘干处理，最终形成电极。
在组装PEMFC时，一般同时组装阳极、阴极电极和PEM膜，并保持电极和膜的密实接触。
为了提高燃料电池的效能，需要分别对膜、电极和电池整体进行调节和优化。
具体来说，可以通过控制气体浓度、离子交换量、燃料流量、温度和湿度等参数，来实现燃料电池效能的提升。
此外，改进催化剂、设计换热器和增大反应器等优化措施，也能够对提高燃料电池效能产生较大影响。
例如，新型催化剂能够大幅提高电池的性能稳定性和催化活性；更好的换热器能够提高电池的温度控制和热平衡性；而加大反应器能够使电池的反应面积更为充分，有效提高能量转换效率。
膜电极的制备方法、膜电极及质子交换膜燃料电池的制作方法
本技术属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极的制备方法，将第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面，均匀喷淋第一溶液，干燥固化；重复若干次，得到第一活性物质催化剂层；将第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的相对一面，均匀喷淋第二溶液，干燥固化；重复若干次，得到第二活性物质催化剂层；在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在第一活性物质催化剂层和第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。
已喷淋的溶液会产生挥发，通过调节喷淋的速度，实现喷淋量与溶剂挥发的平衡，避免大量溶剂与质子交换膜接触导致质子交换膜溶胀。
技术要求1.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下操作：步骤一，将第一活性物质催化剂粉末和第一添加剂粉末混合后均匀平铺在质子交换膜的一面，均匀喷淋第一溶液，干燥固化；步骤二，重复步骤一若干次，得到第一活性物质催化剂层；步骤三，将第二活性物质催化剂粉末和第二添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的相对一面，均匀喷淋第二溶液，干燥固化；步骤四，重复步骤三若干次，得到第二活性物质催化剂层；步骤五，在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的四周均贴合边框，并在所述第一活性物质催化剂层和所述第二活性物质催化剂层的表面覆盖碳纸，得到膜电极。
2.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一活性物质催化剂粉末包括铂、铂/碳和合金中的至少一种；所述第二活性物质催化剂粉末包括铂、铂/碳和合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一添加剂粉末为聚四氟乙烯或氯化亚铁；所述第二添加剂粉末为聚四氟乙烯或氯化亚铁。
4.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，步骤一具体操作为，将所述第一活性物质催化剂粉末和所述第一添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的一面，得到厚度为0.5～5μm的第一粉末层，均匀喷淋所述第一溶液，干燥固化；步骤三具体操作为，将所述第二活性物质催化剂粉末和所述第二添加剂粉末混合后均匀平铺在所述质子交换膜的相对一面，得到厚度为0.5～5μm的第二粉末层，均匀所述喷淋第二溶液，干燥固化。
质子交换膜燃料电池系统设计及其性能测试
质子交换膜燃料电池系统设计及其性能测试质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种新型的清洁能源技术，具有高效能、低污染和低噪音等优点，被广泛应用于汽车、航空航天及家庭能源等领域。
本文将围绕质子交换膜燃料电池系统的设计和性能测试展开，分为三个章节进行介绍。
第一章：质子交换膜燃料电池系统的设计原理质子交换膜燃料电池系统由若干个组件组成，包括氢气供应系统、氧气供应系统、质子交换膜电池堆、冷却系统和电气系统等。
其中，氢气供应系统负责将氢气供应给质子交换膜电池堆，氧气供应系统则将空气中的氧气供应给电池堆，冷却系统用于控制温度，而电气系统则用于控制电流和电压。
第二章：质子交换膜燃料电池系统的性能测试方法为了评估质子交换膜燃料电池系统的性能，常用的测试方法包括极化曲线测试、循环测试和稳态测试。
极化曲线测试是通过改变负载电阻，测量电压和电流之间的关系曲线来评估燃料电池系统的性能。
循环测试则是在一定时间范围内以不同负载条件进行循环测试，以评估系统的稳定性。
稳态测试则是在一定负载条件下连续运行一段时间，来评估系统的持久性能。
第三章：质子交换膜燃料电池系统的性能测试结果分析通过对质子交换膜燃料电池系统进行性能测试，可以获取关于其功率、效率和稳定性等方面的数据。
根据测试结果分析发现，随着负载电流的增加，燃料电池系统的输出电压逐渐下降，但系统的效率也会随之提高。
在循环测试中，系统的性能表现出一定的衰减，但在一定循环次数后趋于稳定。
而在稳态测试中，系统的性能持续稳定，并且在长时间运行中未出现异常情况。
综上所述，质子交换膜燃料电池系统设计的关键是实现氢气和氧气的供应、温度的控制和电流、电压的调节。
而性能测试则是评估系统在不同工况下的性能表现，包括功率、效率和稳定性等指标。
通过合理设计和有效测试，可以为质子交换膜燃料电池系统的应用提供可靠的依据，推动其在清洁能源领域的广泛应用。
质子交换膜燃料电池实验
质子交换膜燃料电池实验随着能源和环境问题日益凸显，燃料电池作为一种新型的清洁能源逐渐受到关注。
其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效、环保、安全等特点，成为燃料电池中应用最广泛的一种。
PEMFC是一种通过催化剂将氢气和氧气转化为电能的电池。
在PEMFC中，采用质子交换膜（PEM）作为电解质，电极上的催化剂促进水的分解，生成电子和质子，电子在外部电路中流动产生电能，质子则通过质子交换膜进入氧气侧的电极反应中，与氧气反应生成水。
为了深入了解PEMFC的原理和性能，我们进行了PEMFC的实验。
实验步骤1. 制备质子交换膜将质子交换树脂溶解在NMP和IPA的混合液中，加入LiOH，搅拌30分钟至颜色均匀，再加入DMSO和PEG，继续搅拌2小时，形成质子交换膜混合液。
将混合液倒入有机硅片中，用刮板将溶液刮平，盖上表面平整的硅片，放入真空室中烘干。
2. 制备电极催化剂将铂黑催化剂存在40 ml的乙醇溶液中，超声分散15分钟，然后用旋转蒸发浓缩器将其浓缩，得到铂催化剂粉末。
将粉末加入Nafion溶液中，超声打散，制备出催化剂浆料。
将浆料均匀涂覆在碳纸电极上，烘干后，用加热板加热使其均匀烧结，形成电极催化剂层。
3. 组装燃料电池将制备好的质子交换膜放置在两个铂催化剂电极间，制备出燃料电池。
将燃料电池中的氢气端与氢气气瓶相连，将氧气端与氧气气瓶相连，打开氢气和氧气的开关，通过注水到水箱中，启动燃料电池，进行实验。
实验结果在实验中，我们测量了燃料电池的输出电压和输出电流，记录下实验数据。
经过统计和分析，得出以下实验结果：•当氢气流速为50 mL/min、氧气流速为100 mL/min时，燃料电池的输出电压为0.93 V，输出电流为0.72 A。
•当氢气流速为100 mL/min、氧气流速为150 mL/min时，燃料电池的输出电压为0.86 V，输出电流为0.62 A。
•当氢气流速为200 mL/min、氧气流速为250 mL/min时，燃料电池的输出电压为0.78 V，输出电流为0.48 A。
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.【实验目的】本实验通过进行氢/氧（空）质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）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（all-in-one）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.【实验原理】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（质子交换膜）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（目的是用来加速电极上发生的电化学反应），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（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（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应如式（3）所示。
阳极半反应：H2→2H++2e-E o=0.00V(1)阴极半反应：1/2O2+2H++2e-→H2O E o=1.23V(2)电池总反应：H2(g)+1/2O2(g)→H2O(l)E ocell=1.23V(3)燃料电池的膜电极如图2所示。
质子交换膜燃料电池膜电极组件研究
质子交换膜燃料电池 ( PEMFC) 具有高功率密度 、高能量 转换效率 、零排放 、可以低温启动等优点 ,是很有潜力的电动汽 车动力源 ,近年来已成为电化学和能源科学领域中的研究热 点 。膜电极组件 (MEA) 又称膜电极三合一 ,是质子交换膜燃料 电池的核心部件 ,主要由两片气体扩散电极和一片质子交换膜 组成 。研究 MEA 的结构及优化 ,包括研究 MEA 的整体结构 或者从电极扩散层 、催化层 、质子交换膜等几方面分别去研究
Fig. 2 Comparison of performance among t he
M EAs using various proton exchange membrane
性下降区是由 于欧姆极化 , 包括电极上的 电子流和质子 交换膜内的质 子流 引 起 的。 为了获得详细 的氧电极还原
反应动力学参数 ,可以采用下列经验公式[7 ]进行曲线模拟 : 当不考虑传质的影响 ,即只考虑活化过电位和欧姆过电位时 ,
Nafion 形成质子通道 ,提高了质子导电性 。而采用 PTFE 粘 接 ,Nafion 浸渍只能提高电极催化层表面的三相反应界面 ,但 催化层内远离膜的一端中的催化剂未能与 Nafion 接触 ,其表面 无离子通道 ,催化剂的利用率低 。而且由于采用 Nafion 溶液浸 渍 ,过剩的 Nafion 在催化层表面形成薄膜 ,相当于增大了质子 交换膜的厚度 ,增大了电池的内阻 。 2. 2 质子交换膜种类对电池性能的影响 质子交换膜是 PEMFC 的主要组成部分 ,作为质子导体 , 其导质子能力对电池的性能影响很大 。目前广泛应用的是杜
Uj = E0 - blog j - Rj
(1)
E0 = Er + blog j0
(2)
质子交换膜燃料电池测试
质子交换膜燃料电池测试燃料电池，嘿，听上去是不是有点高大上的感觉？其实，质子交换膜燃料电池（PEMFC）就像是给我们的日常生活插上了电的翅膀，能让我们的车子跑得更远，甚至还能让我们的手机、笔记本电脑更持久地陪伴我们。
不过，今天咱们聊的可不是它的光鲜外表，而是怎么测试它，嘿嘿，让我们一起揭开它的神秘面纱吧！1. 燃料电池基础知识1.1 什么是质子交换膜燃料电池？首先，我们得搞清楚质子交换膜燃料电池到底是个啥。
简单来说，它是通过氢气和氧气的化学反应来产生电能的设备。
它的核心部件，就是那层神奇的质子交换膜。
想象一下，它就像一个门卫，只允许质子（氢的正离子）通过，而把电子挡在外面。
这样，电子就能通过外部电路流动，形成电流，哇，听起来是不是很酷？1.2 燃料电池的应用燃料电池可不是只会在实验室里待着，它们在现实生活中可是大显身手。
比如，现在一些汽车、公交车都开始使用这种技术，真是“走在科技前沿”呀！更别说在航天和军事领域了，那可都是用得相当溜的。
要说“江山代有才人出”，燃料电池绝对算一个！2. 测试燃料电池的重要性2.1 为啥要测试？那么，测试燃料电池到底有啥重要性呢？首先，安全性是第一位的。
你想啊，咱们天天开车、坐公交，如果这些车子不经过严格的测试，那可是要出大事的呀！其次，效率也是个大问题，燃料电池的效率直接关系到我们能否更省钱、更环保。
试想一下，如果燃料电池的效率不高，我们的车子加油得多么频繁，钱包岂不是要“哭晕在厕所”？2.2 如何测试？在测试过程中，首先要进行的是“静态测试”，也就是把燃料电池放在实验室里，观察它在不同条件下的表现。
这时候，你需要记录下它的电压、功率和效率等数据，嘿，这可是个技术活！之后，还会进行“动态测试”，模拟真实的使用环境，比如加速、减速等，让燃料电池在不同的负载下运转。
这一系列测试就像是给燃料电池上了一堂生动的“课”，让它在实际应用中表现得更出色。
3. 测试后的数据分析3.1 数据的重要性测试完之后，咱们可得认真对待这些数据。
质子交换膜燃料电池金属双极板防护薄膜的制备及导电耐蚀性能研究
质子交换膜燃料电池金属双极板防护薄膜的制备及导电耐蚀性能研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种环保、高效的能源转换器。
金属双极板是PEMFC中的关键组件之一，其主要作用是提供电流集流和分配。
然而，在PEMFC运行中，金属双极板常受到腐蚀和氧化等问题的困扰，导致其耐腐蚀性能下降，从而影响燃料电池的工作效率和寿命。
因此，研究金属双极板的防护薄膜制备及导电耐蚀性能对于提高PEMFC的稳定性和可靠性至关重要。
一种广泛应用于防护膜的方法是电化学还原，可以通过控制电解液的成分和实验参数来实现膜的制备。
在研究中，选择了常用的304不锈钢作为金属双极板，并使用硫酸铜和硫酸锌的混合溶液作为电解液。
通过调节溶液的组分和电流密度，实现了对薄膜成分和结构的调控。
最终制备得到了厚约1μm的Cu-Zn合金防护膜。
制备的薄膜经过表面形貌观察和组成分析等测试，结果显示薄膜均匀、致密，并且具有Cu和Zn的合金结构。
随后，对膜的导电性能进行了测试。
实验结果表明，制备得到的防护膜具有良好的导电性能，可有效降低金属双极板的电阻。
此外，薄膜的电化学性能也得到了研究。
通过耐蚀性测试，发现该薄膜能够有效抵抗酸性环境下的腐蚀，其耐腐蚀性能明显优于未经处理的304不锈钢。
对于薄膜的形成机制和耐蚀机理的研究表明，Cu-Zn合金的形成能够增强薄膜的导电性能，并减轻金属双极板的腐蚀问题。
合金化的作用使得薄膜成为了一个电子导体，使得电流可以顺利通过薄膜，减少了电阻的产生。
此外，Cu-Zn合金的结构具有更好的耐蚀性，可以阻隔外界环境对金属双极板的侵蚀。
总结起来，本研究通过电化学还原的方法制备了Cu-Zn合金防护膜，并对膜的导电性能和耐蚀性能进行了研究。
实验结果显示，制备得到的薄膜具有良好的导电性能和耐蚀性能，能够有效保护金属双极板，提高PEMFC的工作效率和寿命。
这项研究为金属双极板防护薄膜的制备与应用提供了理论基础和实验指导，对于推动PEMFC技术的发展具有重要意义。
质子交换膜燃料电池单电池低温性能测试方法
质子交换膜燃料电池单电池低温性能测试方法1.范围本文件规定了低温（0°以下）条件下，质子交换膜燃料电池单电池冷启动安全要求，实验设备，试验方法和实验报告。
本文件将用于表征质子交换膜电池低温冷启动能力，以及是否符合燃料电池行业的要求。
2.规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB / T 28816燃料电池术语GB / T 20042.2 --2008质了交换膜燃料电池电池堆通用技术条件3.术语和定义GB/T28816界定的及下列术语适用于本标准。
3.1环境试验箱温度、湿度可按实验要求控制，内部可放置被测单电池。
3.2冷却剂在设定的零度以下低温环境中不发生相变，对燃料电池的单电池材料没有物理与化学的影响，在单电池运行工作时，通入夹具内将夹具内的热量交换到外围环境的循环介质。
3.3冷启动时间冷启动时间按照委托方规定的质子交换膜低温储存后的启动程序进行启动。
4.安全要求1)在进行本试验之前,必须完成初步危害评估,包括:2)质子交换膜燃料电池电堆的通用安全要求应符合GB / T 20042.22008中4.2的规定;3)必须具备氢气可燃气体安全防护措施：4)必须具备适当的个人防护装备（个人防护用品包括护目镜等）：5)测试工程师/技术人员必须参加使用个人防护设备的培训：6)测试工程师/技术员必须意识到使用环境试验箱时的潜在的危险：7)测试人员必须遵守试验室的安全规则。
5.试验设备用于质子交换膜燃料电池低温冷启动的试验设备应满足以下要求:5.1燃料电池测试台架1)气体流量的调节:用于提供燃料电池电堆在所要求的化学计量比下的燃料和氧化剂流量。
2)气体增湿的控制：在气体输送给燃料电池电堆前增湿反应气体达到所需的露点。
质子交换膜燃料电池膜电极测试方法
质子交换膜燃料电池膜电极测试方法1.前言质子交换膜燃料电池膜电极是一种能够直接将化学能转换为电能的新型电池。
因其产生的电能清洁、高效，成为备受关注的能源。
然而，在实际应用中，膜电极的性能对燃料电池的性能影响很大。
因此，对质子交换膜燃料电池膜电极进行测试是至关重要的。
2.质子交换膜燃料电池膜电极测试方法对质子交换膜燃料电池膜电极进行测试需要选择正确的测试方法。
一般来说，测试方法可以从膜电极的结构、性能和应用三个方面入手。
2.1 结构测试方法质子交换膜燃料电池膜电极通常由膜层、阳极和阴极三部分组成。
因此，对其结构进行测试要从这三个方面入手。
2.1.1 膜层测试通常通过扫描电子显微镜（SEM）来观察膜的表面形态及其厚度，采用透射电子显微镜（TEM）来观察膜的内部结构，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术观察膜层中官能团的含量等方法来测试其物性结构等性能。
2.1.2 阳极测试阳极以铂基质为主，通常采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段来观察阳极的表面形态和结构，通过循环伏安法（CV）以及计时安培法（TA）等手段来测试阳极的电化学活性等物理化学性质。
2.1.3 阴极测试阴极通常采用碳基质，因此常常通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段来观察阴极的表面形态和结构，然后采用循环伏安法（CV）以及计时安培法（TA）等手段来测试阴极的电化学活性等物理化学性质。
2.2 性能测试方法质子交换膜燃料电池膜电极的性能主要包括性能密度、输出功率密度和燃料利用效率等。
2.2.1 性能密度测试该测试方法通常采用液态测试（如溶液法）或固态测试（如动态机械压力法）。
2.2.2 输出功率密度测试由于该测试方法极度依赖于温度、湿度等环境因素，因此采用恒温箱等设备的加热压降法（HDC）来进行测试。
2.2.3 燃料利用效率测试燃料利用效率测试通常采用气流平衡系统以及质谱仪方法进行测试。
2.3 应用测试方法应用测试方法主要是测试膜电极在实际应用中的性能，包括耐久性、可靠性和适用性等。
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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.【实验目的】本实验通过进行氢/氧（空）质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）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（all-in-one）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.【实验原理】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（质子交换膜）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（目的是用来加速电极上发生的电化学反应），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（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（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应如式（3）所示。
阳极半反应：H 2 → 2 H + + 2 e - E o = 0.00 V (1)阴极半反应：1/2 O 2 + 2 H + + 2 e - → H 2OE o = 1.23 V (2) 电池总反应：H 2(g) + 1/2 O 2(g) → H 2O(l) E ocell = 1.23 V (3)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较大，一般在碳纸表面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 2－5 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（如杜邦公司的 Nafion 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 105～106。
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 10-9 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：（1）憎水的碳氟主链区，（2）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）前两个区域相间的过渡区。
膜中的-SO 3H 是一种亲水性的阳离子交换基团，当阴极反应时，-SO 3H 中离解出 H +会参与结合生成水， 同时放热。
H +离去后，-SO 3-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，-SO 3H 上的 H +与 H 2O 形成 H 3O +，从而 削弱了-SO 3-与 H +间的引力，有利于 H +的移动。
由于膜的持水性，在 H +摆脱-SO 3-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应顺利进行，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一样，都是通过电化学反应产生电能，但是，反应物的供给方式不同。
普通化学电池的阳极和阴极反应物共存于电池体内。
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应，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应直接产生电能。
燃料电池由于反应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。
图3为燃料电池堆和便携式燃料电池发电系统。
燃料电池堆由多个单电池组成，单电池是指由一片膜电极组成的电池。
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。
图3燃料电池堆（左）和燃料电池发电系统（右）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。
V o l t a g e PowerCurrent density图 4 燃料电池的工作极化曲线3.【仪器与试剂】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.【实验步骤】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）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（此 时膜会发生卷曲，属正常现象），用电吹风器吹干。
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。
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（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。
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。
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（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。
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。
5.【数据处理】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.【提问与思考】6.1本实验成功的关键是什么？①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②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（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(+) + CO26.3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。