CN101777276A - 自助式质子交换膜燃料电池一体化实验系统及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供自助式质子交换膜燃料电池一体化实验系统及其实验方法，实验系统包括：制备膜电极组件的夹具；单个燃料电池的氧气侧端板和氢气侧端板，用于夹住燃料电池，并提供气体传输通道；集流板，用作传导电流的导电板；中间开口的密封垫，用于防止燃料电池漏气；碳纸，提供气体扩散层和中间层，同时也起收集电流的作用；质子交换膜；电极接头，供连接负载；用于制备膜电极组件的催化剂浆料。实验方法包括：制备燃料电池关键部件膜电极组件；组装质子交换膜燃料电池单堆；组装一体化燃料电池发电系统。本发明适用于DIY制作燃料电池单堆的实验系统，操作安全，实验系统可重复使用。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及便携式质子交换膜燃料电池一体化实验系统和实验方法。
背景技术
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。燃料电池的基本单元包括：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。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。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。
阳极反应：H2→2H++2e- Eo＝0.00V (1)
阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O Eo＝1.23V (2)
电池总反应：H2+1/2O2→H2O Eo cell＝1.23V (3)
燃料电池的膜电极组件由碳纸(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。催化层的涂布分两种情况，一种是将催化剂涂覆在碳纸表面中间层的表面，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纳米左右的碳粉上而成，它与溶剂和Nafion溶液(作为粘结材料)等均匀混合配制成浆料，使用时直接涂覆。
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。Nafion膜是一种全氟磺酸膜，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。Nafion系列膜具有体型网络结构，其中有很多微孔(孔径约10-9m)。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-SO3H是一种亲水性的阳离子交换基团，当阴极反应时，-SO3H中离解出H+会参与结合生成水，同时放热。H+离去后，-SO3 -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，-SO3H上的H+与H2O形成H3O+，从而削弱了-SO3 -与H+间的引力，有利于H+的移动。由于膜的持水性，在H+摆脱-SO3 -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，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组件的结构，膜电极组件是燃料电池的核心部件，但是必须组成电堆才能发电。燃料电池堆和便携式燃料电池发电系统中，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件组成的电池。除了膜电极组件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。
便携式电子器件销售量的飞速增长与其对所使用电池寿命的要求的复杂情况引起了器件制造商关于能量需求的严峻思考。而小型燃料电池所具有的高能量密度则能满足这种新一代电子设备的要求。毫无疑问的，这将会使许多电子制造商开始考虑燃料电池的发展潜力。
便携式燃料电池的特点：(1)用于电子仪器电源附加值比较高，对成本问题比较不敏感。(2)小型燃料电池的使用时的水热管理可以比较简单，因而电池结构大为简化，工程复杂性降低，有利于规模化生产，成本大幅降低。(3)耐用性和目标：鉴于固定式发电和汽车电源市场分别要求发电设备具有高达8万小时和2万小时的使用年限，消费类电子产品的短使用年限则意味着针对电池组的典型要求会低于3千小时。目前燃料电池的使用年限已在这个范围，所以燃料电池可很轻易地满足便携式应用的需求。(4)市场巨大。便携式燃料电池可为手机、笔记本电脑、便携式录像机、无线设备、火警、救护车、警察、应急灯不间断电源、备用电源及军事、休闲、露营设备提供持久使用电源。
目前还没有一种适合大学及中学教学中的燃料电池实验系统，特别是缺少自助式质子交换膜燃料电池一体化实验系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供自助式质子交换膜燃料电池一体化实验系统及其实验方法。具体技术方案如下：
本发明的自助式质子交换膜燃料电池一体化实验系统包括：制备膜电极组件的夹具；单个燃料电池的氧气侧端板和氢气侧端板，用于夹住燃料电池，并提供气体传输通道；集流板，用作传导电流的导电板；中间开口的密封垫，用于防止燃料电池漏气；碳纸，提供气体扩散层和中间层，同时也起收集电流的作用；质子交换膜；电极接头，供连接负载；用于制备膜电极组件的催化剂浆料。
上述的实验系统中，所述夹具包括夹具底板、底板密封垫、顶板密封垫和圆型模型面板及四套紧箍螺丝。
上述述一体化实验系统的实验方法，包括：
(1)制备燃料电池关键部件膜电极组件；
(2)组装质子交换膜燃料电池单堆；
(3)组装一体化燃料电池发电系统。
上述实验方法中，所述的膜电极组件由如下步骤制备：
首先用脱脂棉蘸无水乙醇将制备膜电极组件的夹具及密封垫清洗干净；然后在夹具底板上放上一片底板密封垫，然后放上质子交换膜，再放上一片顶板密封垫，质子交换膜部分暴露在该密封垫中央的通孔处；
盖上模型面板，中央部分开有通孔，然拧上螺丝使底板密封垫和顶板密封垫夹紧质子交换膜；
将催化剂浆料均匀涂在暴露于通孔处的质子交换膜部分，等干燥后将质子交换膜从夹具上取下反转，用相同的方法，在质子交换膜的另一面上涂覆催化剂，形成两面覆盖催化剂的质子交换膜电极。
作为上述实验方法的优选方案，所述的质子交换膜为全氟磺酸膜。
作为上述实验方法的优选方案，所述的催化剂为Pt/C。
上述实验方法中，所述的燃料电池单堆以如下步骤组装：首先将四个螺丝装在氧气侧端板上，装上一块集流板，装上一片底板密封垫102，将一碳纸放在该密封垫的中间部位；然后将质子交换膜电极放在碳纸上，装上一片中间开孔的密封垫202，装上另外一片碳纸，装上另一块集流板，再装上另一片中间开孔的密封垫202；最后装上氢气侧端板，用螺丝将电池锁紧，并装上电极接头。
上述实验方法中，所述的一体化燃料电池发电系统由氢源、燃料电池单堆和负载组成，氢气由氢气钢瓶中减压供给；或从启普发生器经金属与酸反应供给；或从化学品分解供给。
上述实验方法中，所述的一体化燃料电池发电系统的负载为电机。
下面对本发明的原理作进一步说明：
(1)制备氢氧质子交换膜燃料电池的膜电极组件(MEA)。膜电极组件是燃料电池的核心部分，一般由三部分组成：阳极，阴极和质子交换膜。其中阳极和阴极主要由纳米铂颗粒负载在高比表面碳粉(即Pt/C催化剂)上构成，分别是氢气发生氧化和氧气(纯氧或者来源于空气中的氧)发生还原的反应场所。质子交换膜是固体电解质，起阴阳极隔离和质子传导的作用，在燃料电池工作过程中将氢气氧化产生的质子传递到阴极参加氧还原反应。这种结构的膜电极是各种膜电极结构中最基本的一种。本实验采用的是直接涂刷法制备，即将已经配好的催化剂浆料均匀涂抹在已处理好的质子交换膜两侧，构成三合一膜电极组件结构。
(2)制作燃料电池。如上所述，燃料电池的核心部件是膜电极组件，对于一个完整的燃料电池来讲，除了膜电极之外还有其他主要部件：气体扩散层，集流板，密封垫和端板。气体扩散层的作用是使阳极的氢气和阴极的氧气均匀分散到阳极和阴极，从而得到均匀分散的电流，排出反应生成的水。同时还有支撑催化层和收集电流的作用。气体扩散层一般由合适比例的聚四氟乙烯制备在导电的碳纸或碳布上，形成憎水层。本实验系统中采用碳纸作为气体扩散层，省略了整平层。集流板起收集电流的作用，与外电路连接。本实验使用不锈钢片作为集流板，连接负载构成回路。因为在本实验中的反应物均为气体，所以在电池安装中需要加密封垫以防气体泄漏。端板起固定电池的作用，同时也为气体的导入和产物排放提供通道(流场)。
(3)安装一体化(all-in-one)燃料电池发电系统，即氢源、电池和负载三合一的系统。其中的燃料电池即为上步制作的燃料电池单堆，带动小型电风扇负载转动。氢气供给本实验所制备的燃料电池单堆发电驱动风扇转动。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
本发明提供适用于自己动手(DIY)制作燃料电池单堆的实验系统。通过进行氢/氧(空)质子交换膜燃料电池关键部件膜电极组件的制备和单电池组装及一体化(all-in-one)燃料电池发电系统的实际运行，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。本发明为新能源技术的教学和发展提供了新的技术方案，涉及电化学、催化化学的基本原理及碳材料、聚合物离子导电材料、无机纳米材料的应用，同时，还包括了制氢技术和器件集成技术，高度综合了物理、化学和工程技术，填补了本领域教学系统的空白。本发明的实验系统操作安全、可重复使用。
附图说明
图1为本发明实施方式中自助式质子交换膜燃料电池一体化实验系统的部件示意图，其中101为夹具底板、102为底板密封垫、103为顶板密封垫、104为圆型模型面板、201为氢气侧端板、202为密封垫、203为集(电)流板、204为氧气侧端板、301为质子交换膜、302为碳纸、303为催化剂浆料、304为紧箍螺丝以及305为电极接头。
图2为实施方式中的一体化燃料电池发电系统示意图，其中203为集(电)流板、204为氧气侧端板、304为紧箍螺丝、305为电极接头、801为制氢容器、802为导氢气管、803为风扇座、805为电机风扇以及806为连接导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明的实施不限于此。
实施例1
膜电极组装：首先用脱脂棉蘸无水乙醇将制备膜电极组件的夹具(包括夹具底板101、底板密封垫102、顶板密封垫103和圆型模型面板104及四套紧箍螺丝304)清洗干净。然后在夹具底板101上放上一片底板密封垫102，放上一片4cm×4cm的质子交换膜301(质子交换膜是固体电解质，并起隔离作用，厚度为50μm的212 Nafion(DuPont，USA)膜)，再放上一片有直径为2.5厘米圆孔的顶板密封垫103。将圆型模型面板104(面板上有直径为2.5厘米的圆孔)盖上，然后用紧箍螺丝304将膜夹紧。将Pt/C催化剂浆料303均匀涂在圆型模型面板暴露部分的膜上，等干燥后将膜从夹具上取下。将一面涂有催化剂的膜反转，按相同方法安装和涂覆催化剂，最后形成两面覆盖催化剂的膜电极。
实施例2
燃料电池单堆装配：首先将四个紧箍螺丝装在氧气侧端板204上，在该端板上放置一块金属集流板203，再装上一片留有2.5cm×2.5cm暴露部分的密封垫202，将一2.5cm×2.5cm的碳纸302放在中间部位。然后将制备好的膜电极放在碳纸上，装上另一片留有2.5cm×2.5cm暴露部分密封垫，装上另外一片2.5cm×2.5cm的碳纸，装上另一块金属集流板，再装上一片密封垫202。最后装上氢气侧端板201，用螺丝将电池锁紧，并装上电极接头305，得到如图2所示的燃料电池单堆。通氢测量，开路电位大于0.95V。
实施例3
安装一体化燃料电池发电系统：将组装好的燃料电池按图2所示连接制氢容器801、导氢气管802、风扇座803、电机风扇805以及连接导线806组成发电装置。在制氢容器中加入SYSU-1复合含氢材料，加入去离子水至瓶盖并充分溶解复合含氢材料，然后加盖旋紧。此时氢气产生，经导管进入燃料电池。燃料电池开始工作，小风扇转动。
实施例4
将组装好的燃料电池与电机连接，并安装小风扇。利用启普发生器以金属锌与稀盐酸反应产生氢气，经导管进入燃料电池。燃料电池开始工作，小风扇转动。
实施例5
将组装好的燃料电池与电机连接，并安装小风扇。利用氢气钢瓶经减压向燃料电池提供氢气。燃料电池一工作，小风扇就转动。
Claims (9)
1.自助式质子交换膜燃料电池一体化实验系统，其特征在于包括：制备膜电极组件的夹具；单个燃料电池的氧气侧端板和氢气侧端板，用于夹住燃料电池，并提供气体传输通道；集流板，用作传导电流的导电板；中间开口的密封垫，用于防止燃料电池漏气；碳纸，提供气体扩散层和中间层，同时也起收集电流的作用；质子交换膜；电极接头，供连接负载；用于制备膜电极组件的催化剂浆料。
2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于所述夹具包括夹具底板、底板密封垫、顶板密封垫和圆型模型面板及四套紧箍螺丝。
3.权利要求1所述一体化实验系统的实验方法，其特征在于包括：
(1)制备燃料电池关键部件膜电极组件；
(2)组装质子交换膜燃料电池单堆；
(3)组装一体化燃料电池发电系统。
4.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于所述的膜电极组件由如下步骤制备：
首先用脱脂棉蘸无水乙醇将制备膜电极组件的夹具及密封垫清洗干净；然后在夹具底板上放上一片底板密封垫，然后放上质子交换膜，再放上一片顶板密封垫，质子交换膜部分暴露在该密封垫中央的通孔处；
盖上模型面板，中央部分开有通孔，然拧上螺丝使底板密封垫和顶板密封垫夹紧质子交换膜；
将催化剂浆料均匀涂在暴露于通孔处的质子交换膜部分，等干燥后将质子交换膜从夹具上取下反转，用相同的方法，在质子交换膜的另一面上涂覆催化剂，形成两面覆盖催化剂的质子交换膜电极。
5.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于所述的质子交换膜为全氟磺酸膜。
6.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于所述的催化剂为Pt/C。
7.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于所述的燃料电池单堆以如下步骤组装：首先将四个螺丝装在氧气侧端板上，装上一块集流板，装上一片底板密封垫(102)，将一碳纸放在该密封垫的中间部位；然后将质子交换膜电极放在碳纸上，装上一片中间开孔的密封垫(202)，装上另外一片碳纸，装上另一块集流板，再装上另一片中间开孔的密封垫(202)；最后装上氢气侧端板，用螺丝将电池锁紧，并装上电极接头。
8.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于所述的一体化燃料电池发电系统由氢源、燃料电池单堆和负载组成，氢气由氢气钢瓶中减压供给；或从启普发生器经金属与酸反应供给；或从化学品分解供给。
9.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于所述的一体化燃料电池发电系统的负载为电机。
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| CN201010101756A CN101777276A (zh) | 2010-01-25 | 2010-01-25 | 自助式质子交换膜燃料电池一体化实验系统及其实验方法 |
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Cited By (2)
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| CN107543942A (zh) * | 2017-08-18 | 2018-01-05 | 浙江科技学院（浙江中德科技促进中心） | 膜电极的测试夹具以及测试方法 |
| CN109888304A (zh) * | 2019-03-05 | 2019-06-14 | 惠州市亿纬新能源研究院 | 一种膜电极、其制备方法以及一种燃料电池和燃料电池的制备方法 |
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2010
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