孟輝，沈韓，崔新圖，沈培康

(中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，光電材料與技術(shù)國家重點實驗室，廣東廣州510275)

摘要：敘述了氫/氧(空)質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)關(guān)鍵部件——膜電極組件(membrane electrode assembly，MEA)的制備和單電池組裝，并且實際運行了一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。介紹了燃料電池的工作原理和實驗內(nèi)容。通過實驗，使學(xué)生全面了解燃料電池的基本原理、制作過程及使用方法。

目前全人類使用的能源主要是石油、煤炭、天然氣等礦石燃料，屬于非再生能源，儲量有限。據(jù)統(tǒng)計，能源消耗每隔12a要翻一番。能源短缺，已是世界性問題，預(yù)計21世紀中葉，作為主要能源的石油將枯竭。另一方面，燃燒礦石燃料時，直接向大氣排放大量的廢氣，在全球形成嚴重污染，所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等已嚴重威脅著人類的生存環(huán)境。所以開發(fā)新能源、尋找新材料以求解決上述問題變得日益重要，其中燃料電池被認為是21世紀的能源之星。燃料電池的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化將從便攜式電源系統(tǒng)開始逐步過渡到電動汽車和大型發(fā)電站。

目前關(guān)于燃料電池的研究是世界上的一大熱點，國內(nèi)外許多大學(xué)和研究單位都在積極開展這方面的研究。燃料電池是一個綜合多個學(xué)科知識的研究領(lǐng)域，除了最核心的電化學(xué)外，還涉及流體力學(xué)、電子技術(shù)、材料科學(xué)、化學(xué)工程、機械制造等專業(yè)知識。所以，非常有必要普及燃料電池的基本知識，培養(yǎng)潛在的研究人員對這個方向的興趣。本實驗面向化學(xué)、物理、環(huán)境、材料、化工等專業(yè)的學(xué)生，使之成為大學(xué)理科或工科基礎(chǔ)實驗之一。通過該實驗使學(xué)生了解燃料電池的工作原理并掌握燃料電池的基本制作工藝，激發(fā)學(xué)生對新能源領(lǐng)域探索的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰?。目前國?nèi)新能源方向的學(xué)生實驗還是一個空白，而國外已經(jīng)發(fā)展成比較成熟的實驗課程，甚至在高中就開展了新能源方面的實驗。本實驗的設(shè)計考慮了國內(nèi)普及教育的特點，便于在國內(nèi)高等院校的實施和推廣。

1燃料電池工作原理

燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)產(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置。在電解水過程中，外加電源將水電解，產(chǎn)生氫和氧；而在燃料電池中，則是氫和氧通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能。燃料電池單體主要由4部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)(質(zhì)子交換膜)和外電路。陽極為氫電極，陰極為氧電極，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑(目的是用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng))，兩極之間是電解質(zhì)。

氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_陽極，在陽極催化劑的作用下，氫氣發(fā)生氧化，釋放出電子，氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極；而在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過管道或?qū)獍宓竭_陰極，同時，電子通過外電路也到達陰極；在陰極側(cè)，氧氣與氫離子和電子在陰極催化劑的作用下反應(yīng)生成水，與此同時，電子在外電路形成電流，可以向負載輸出電能。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)見式(1)—式(3)，其中Eo為標(biāo)準電極電勢。

2實驗內(nèi)容

(1)制備氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極組件(MEA)。膜電極組件是燃料電池的核心部分，一般由3部分組成：陽極，陰極和質(zhì)子交換膜。陽極和陰極主要由納米鉑顆粒負載在高比表面碳粉(即Pt/C催化劑)上構(gòu)成，分別是氫氣發(fā)生氧化和氧氣(純氧或者來源于空氣中的氧)發(fā)生還原的反應(yīng)場所。質(zhì)子交換膜是固體電解質(zhì)，起陰、陽極隔離和質(zhì)子傳導(dǎo)的作用，在燃料電池工作過程中將氫氣氧化產(chǎn)生的氫離子傳遞到陰極參加氧還原反應(yīng)。本實驗采用直接涂刷法制備膜電極，即將已經(jīng)配好的催化劑漿料均勻涂抹在已處理好的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，構(gòu)成三合一膜電極組件結(jié)構(gòu)。

(2)制作燃料電池。對于一個完整的燃料電池來講，除了膜電極之外還有氣體擴散層/碳紙，集流板，密封墊和端板等。氣體擴散層的作用是使陽極的氫氣和陰極的氧氣均勻分散到陽極和陰極，從而得到均勻分布的電流，排出反應(yīng)生成的水。氣體擴散層一般由合適比例的聚四氟乙烯制備在導(dǎo)電的碳紙或碳布上，形成憎水層，亦可在上面再施加整平層。本實驗采用已做好氣體擴散層的碳紙，省略了整平層。集流板起收集電流的作用，與外電路連接。本實驗使用不銹鋼片作為集流板，連接負載構(gòu)成回路。因為在本實驗中的反應(yīng)物均為氣體，所以在電池安裝中需要加密封墊以防氣體泄漏。端板起固定電池的作用，同時也為氣體的導(dǎo)入和產(chǎn)物排放提供通道(流場)。

(3)安裝一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，即制氫、電池和負載三合一的系統(tǒng)。在此一體化發(fā)電系統(tǒng)中采用先進的水活化制氫技術(shù)，現(xiàn)場制氫供給燃料電池發(fā)電，其中的燃料電池即為上步制作的燃料電池單堆，帶動小型電風(fēng)扇負載轉(zhuǎn)動。這種水活化制氫技術(shù)安全、簡便，只需將一定量復(fù)合材料倒入水中，馬上產(chǎn)生氫氣，供給本實驗所制備的燃料電池單堆發(fā)電，并驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。

3實驗

3.1膜電極制備

(1)清洗涂膜夾具，用脫脂棉蘸無水乙醇將夾具及墊圈(見圖1(a))清洗干凈。

(2)將質(zhì)子交換膜裝于夾具上，在底座上放上一塊密封墊，見圖1(b)；然后放上質(zhì)子交換膜，見圖1(c)；再放上一塊圓孔密封墊，見圖1(d)。

(3)將夾具面板蓋上，見圖1(e)；然后用螺絲將膜夾緊，見圖1(f)；將配好的催化劑漿料均勻涂在膜上(此時膜會發(fā)生卷曲，屬正常現(xiàn)象)，用電吹風(fēng)吹干，見圖1(g)。

(4)將膜從夾具上取下反轉(zhuǎn)，重復(fù)涂覆催化劑步驟。

3.2燃料電池組裝

(1)將4個螺絲裝在有機玻璃的氧氣側(cè)端板上，見圖2(a)。

(2)裝上一塊集流板，見圖2(b)。

(3)裝上一片密封墊，見圖2(c)。

(4)將一碳紙放在中間部位，見圖2(d)。

(5)將制備好的膜電極放在碳紙上，催化劑部分與碳紙覆蓋，見圖2(e)。

(6)裝上另一片密封墊，見圖2(f)。

(7)裝上另外一片碳紙，使催化劑部分與碳紙覆蓋，見圖2(g)。

(8)裝上另一塊集流板，見圖2(h)。注意此集流板的極耳和上一個集流板不在同一方向。

(9)再裝上一片密封墊，見圖2(i)。

(10)裝上氫氣端板，見圖2(j)。

(11)用螺絲將電池鎖緊，見圖2(k)。

(12)裝上電極接頭，見圖2(l)。

3.3一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)安裝實驗

(1)將組裝好的燃料電池按圖3所示放入發(fā)電裝置中，并與電機連接。

(2)在制氫瓶中加入復(fù)合含氫材料，加入去離子水至瓶蓋并充分溶解復(fù)合含氫材料，然后加蓋旋緊。

(3)將制氫瓶按圖3所示，將氫氣導(dǎo)管連到燃料電池的陽極(氫電極)。

(4)此時氫氣產(chǎn)生，經(jīng)導(dǎo)管進入燃料電池，燃料電池開始工作，可見小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。

3.4實驗觀察和測試

(1)用萬用表檢查燃料電池接觸是否完好(不允許短路)。

(2)觀察復(fù)合含氫材料溶解時的現(xiàn)象。

(3)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動后測量燃料電池的電壓、電流。

4結(jié)束語

本實驗高度綜合了物理、化學(xué)和工程技術(shù)知識。作為一個知識高度綜合的實驗，本實驗設(shè)計合理，便于實施。通過技術(shù)與趣味相結(jié)合的實驗，激發(fā)學(xué)生對于科學(xué)研究的興趣。本實驗填補了國內(nèi)新能源技術(shù)學(xué)生實驗方面的空白，可以在國內(nèi)推廣使用。