氫燃料電池實驗器�(chǎn)品介紹:
本實驗通過進行�/氧(空)�(zhì)子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)關(guān)鍵組件膜�( 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�(tǒng)�氫燃料電池實驗器使學(xué)生面了解燃料電池的基本原理和制作過程及使用方��
氫燃料電池實驗器實驗原理�
燃料電池是一種通過電化�(xué)反應(yīng)直接將化�(xué)能轉(zhuǎn)�?yōu)榈蛪褐绷麟姷难b置,即通過燃料和氧化劑�(fā)生電化學(xué)反應(yīng)�(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�。在電解水過程中,外加電源將水電�,產(chǎn)生氫和氧;而在燃料電池中,則是氫和氧通過電化�(xué)反應(yīng)生成�,并釋放出電�� 燃料電池單體主要有四部分組成,即�、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�,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�(xué)反應(yīng)�,兩之間是電解質(zhì)�
工作原理為:氫氣通過管道�?qū)獍宓竭_�,在陽催化劑的作用下,氫氣發(fā)生氧�,釋放出電子,如反應(yīng)�1)所示。氫離子穿過電解�(zhì)到達�,�
在電池的另一�,氧氣(或空氣)通過管道�?qū)獍宓竭_�,同�,電子通過外電路也到達�。在陰側(cè),氧氣與氫離子和電子在陰催化劑的作用下反�(yīng)生成水,如反�(yīng)�2)所�。與此同時,電子在外電路的連接下形成電�,可以向負載輸出電能。燃料電池總的化�(xué)反應(yīng)如式�3)所��
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�(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�、質(zhì)子交換膜、陰催化層和碳紙(氣體擴散層)構(gòu)�。其中碳紙作為氣體擴散層支撐體起收集電流的作�。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�,另一種是直接將催化劑涂覆在膜的兩�(cè)。催化劑一般是2�5納米的Pt顆粒負載�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�(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�105�106。由分子�(jié)�(gòu)可看出,Nafion膜是一種不交聯(lián)的高分子聚合�,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�氫燃料電池實驗器既能提供游離的質(zhì)子,又能吸引水分�;另一部分是憎水骨架,與聚四氟乙烯類似,具有的化學(xué)�(wěn)定性和熱穩(wěn)定。Nafion系列膜具有體型網(wǎng)�(luò)�(jié)�(gòu),其中有很多微孔(孔徑�10-9 m)。人們普遍用“離子簇網(wǎng)�(luò)�(jié)�(gòu)模型”來描述這種�(jié)�(gòu),把它分為三個區(qū)域:�1)憎水的碳氟主鏈區(qū),(2)由水分�、固定離�、相對離子和部分碳氟高聚物側(cè)鏈所組成�“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�,當(dāng)陰反�(yīng)��-SO3H中離解出H+會參與結(jié)合生成水,同時放�。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)�,使H+在膜�(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�。由于膜的持水�,在H+擺脫-SO3-�,進行�“連鎖式的水合�(zhì)子傳�”,即�(zhì)子沿著氫鍵鏈迅速地�(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�,質(zhì)子傳遞快�,直接影響電池的�(nèi)阻和輸出功率�
氫燃料電池實驗器雖然和普通化�(xué)電池一�,都是通過電化�(xué)反應(yīng)�(chǎn)生電能,但是,反�(yīng)物的供給方式不同。普通化�(xué)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�,普通化�(xué)電池只是一個有限的電能輸出和儲存裝�,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�,是一個發(fā)電裝�。另�,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�(fā)電分兩步完成,步是燃料燃�,產(chǎn)生熱�,第二步是熱能驅(qū)動機械發(fā)電得到電�。而燃料電池中的燃料通過電化�(xué)反應(yīng)直接�(chǎn)生電�。燃料電池由于反�(yīng)過程中不涉及到燃�,其能量�(zhuǎn)換效率不�“卡諾循環(huán)”的限�,其能量�(zhuǎn)換效率是普通內(nèi)燃機�2-3�。前面介紹了燃料電池膜電的結(jié)�(gòu),膜電是燃料電池的核心部�,但是須組成電堆才能�(fā)�。圖3為燃料電池堆和便攜式燃料電池�(fā)電系�(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�,包括密封墊、集流板及端板等,終由螺絲固定。燃料電池系�(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�(tǒng)和電子控制系�(tǒng)�� |