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

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（ 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 2O

E 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。