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產品簡介
產品介紹
| 質子交換膜氫燃料電池實驗器 型號：QRLL-26021 | 貨號：ZH9683 |
| 產品簡介: 本實驗通過進行氫/氧（空）質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）關鍵組件膜電（ 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直接將化學能轉變?yōu)榈蛪褐绷麟姷难b置，即通過燃料和氧化劑發(fā)生電化學反應產生直流電和水,。燃料電池裝置從本質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,，產生氫和氧,；而在燃料電池中，則是氫和氧通過電化學反應生成水,，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（質子交換膜）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）,，兩之間是電解質,。 工作原理為：氫氣通過管道或導氣板到達陽，在陽催化劑的作用下,，氫氣發(fā)生氧化,，釋放出電子，如反應（1）所示,。氫離子穿過電解質到達陰,，而 在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰,，同時,，電子通過外電路也到達陰。在陰側,，氧氣與氫離子和電子在陰催化劑的作用下反應生成水,，如反應（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如式（3）所示,。 陽半反應：H2 → 2 H+ + 2 e- Eo = 0.00 V （1） 陰半反應：1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O Eo = 1.23 V （2） 電池總反應：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、質子交換膜,、陰催化層和碳紙（氣體擴散層）構成,。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,。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子交換膜（如杜邦公司的Nafion膜）隔開,。zui常用的Nafion 212、Nafion115和Nafion117等型號的膜外觀為色透明,，平均分子量大概為105～106,。由分子結構可看出，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系列膜具有體型網絡結構，其中有很多微孔（孔徑約10-9 m）,。人們普遍用“離子簇網絡結構模型”來描述這種結構,，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,，當陰反應時，-SO3H中離解出H+會參與結合生成水,，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動，使H+在膜內由陽向陰移動,。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“連鎖式的水合質子傳遞”,，即質子沿著氫鍵鏈迅速地轉移,，所以水是質子傳遞的條件。質子傳遞使得兩反應順利進行,，維持了電池回路,，所以，質子傳遞快慢,，直接影響電池的內阻和輸出功率,。 燃料電池雖然和普通化學電池一樣，都是通過電化學反應產生電能,，但是,，反應物的供給方式不同。普通化學電池的陽和陰反應物共存于電池體內,。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,，可連續(xù)不斷地產生電能，是一個發(fā)電裝置,。另外,，同為發(fā)電裝置的燃料電池和內燃機也有根本的不同，這主要是它們產生電能的原理不同,。內燃機發(fā)電分兩步完成,，*步是燃料燃燒，產生熱能,，第二步是熱能驅動機械發(fā)電得到電能,。而燃料電池中的燃料通過電化學反應直接產生電能。燃料電池由于反應過程中不涉及到燃燒,，其能量轉換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制,，其能量轉換效率是普通內燃機的2-3倍。前面介紹了燃料電池膜電的結構,，膜電是燃料電池的核心部件,，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，zui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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