專利名稱：自助式質(zhì)子交換膜燃料電池一體化實驗系統(tǒng)及其實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及便攜式質(zhì)子交換膜燃料電池一體化實驗系
統(tǒng)和實驗方法。
背景技術(shù)：
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四部分組成，即陽極、陰極、電 解質(zhì)(質(zhì)子交換膜)和外電路。燃料電池的基本單元包括陽極為氫電極，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)。工作原理為氫氣通過管道或?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，如反應(yīng)(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(xué)反應(yīng)如式(3)所示。 陽極反應(yīng)H2 — 2H++2e— E° = 0. 00V (1) 陰極反應(yīng)l/202+2H++2e— — H20 E° = 1. 23V (2) 電池總反應(yīng)H2+l/202 — H20E°cell = 1. 23V (3) 燃料電池的膜電極組件由碳紙(氣體擴散層)、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催 化層和碳紙(氣體擴散層)構(gòu)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。催化層的涂布分兩種 情況，一種是將催化劑涂覆在碳紙表面中間層的表面，另一種是直接將催化劑涂覆在膜的 兩側(cè)。催化劑一般是2-5納米的Pt顆粒負載在30納米左右的碳粉上而成，它與溶劑和 Nafion溶液(作為粘結(jié)材料)等均勻混合配制成漿料，使用時直接涂覆。
燃料電池陽極和陰極之間由質(zhì)子交換膜(如杜邦公司的Naf ion膜)隔開。Naf ion 膜是一種全氟磺酸膜，最常用的Nafion 212、Nafionll5和Nafionll7等型號的膜外觀為無 色透明，平均分子量大概為105 106。由分子結(jié)構(gòu)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(zhì)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，具有良好的 化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定。Nafion系列膜具有體型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中有很多微孔(孔徑約10—9m)。 人們普遍用"離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型"來描述這種結(jié)構(gòu)，把它分為三個區(qū)域(l)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(cè)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-S03H是一種親水性的陽離子交換基團，當(dāng)陰極反應(yīng) 時，-S03H中離解出H+會參與結(jié)合生成水，同時放熱。H+離去后，-S(V會因靜電吸引鄰近的 H+填充空位，同時還有電勢差的驅(qū)動，使H+在膜內(nèi)由陽極向陰極移動。在有水存在的條件
3下，_30311上的11+與1120形成1130+，從而削弱了-S03—與H+間的引力，有利于H+的移動。由 于膜的持水性，在H+擺脫-S(V后，進行了"連鎖式的水合質(zhì)子傳遞"，即質(zhì)子沿著氫鍵鏈迅 速地轉(zhuǎn)移，所以水是質(zhì)子傳遞必不可少的條件。質(zhì)子傳遞使得兩極反應(yīng)順利進行，質(zhì)子傳遞 快慢，直接影響電池的內(nèi)阻和輸出功率。燃料電池雖然和普通化學(xué)電池一樣，都是通過電化 學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，但是，反應(yīng)物的供給方式不同。普通化學(xué)電池的陽極和陰極反應(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獨儲存系統(tǒng)提供。因此，普 通化學(xué)電池只是一個有限的電能輸出和儲存裝置，而燃料電池只要保證燃料和氧化劑的供 應(yīng)，可連續(xù)不斷地產(chǎn)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(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)燃機發(fā)電分兩步完成，第一步是燃料 燃燒，產(chǎn)生熱能，第二步是熱能驅(qū)動機械發(fā)電得到電能。而燃料電池中的燃料通過電化學(xué)反 應(yīng)直接產(chǎn)生電能。燃料電池由于反應(yīng)過程中不涉及到燃燒，其能量轉(zhuǎn)換效率不受"卡諾循 環(huán)"的限制，其能量轉(zhuǎn)換效率是普通內(nèi)燃機的2-3倍。前面介紹了燃料電池膜電極組件的結(jié) 構(gòu)，膜電極組件是燃料電池的核心部件，但是必須組成電堆才能發(fā)電。燃料電池堆和便攜式 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，燃料電池堆由多個單電池組成，單電池是指由一片膜電極組件組成 的電池。除了膜電極組件之外還需要其它部件，包括密封墊、集流板及端板等，最終由螺絲 固定。燃料電池系統(tǒng)由多個單電池串聯(lián)而成，工作時需要更復(fù)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。 便攜式電子器件銷售量的飛速增長與其對所使用電池壽命的要求的復(fù)雜情況引 起了器件制造商關(guān)于能量需求的嚴(yán)峻思考。而小型燃料電池所具有的高能量密度則能滿足 這種新一代電子設(shè)備的要求。毫無疑問的，這將會使許多電子制造商開始考慮燃料電池的 發(fā)展?jié)摿Α?便攜式燃料電池的特點(l)用于電子儀器電源附加值比較高，對成本問題比較 不敏感。(2)小型燃料電池的使用時的水熱管理可以比較簡單，因而電池結(jié)構(gòu)大為簡化，工 程復(fù)雜性降低，有利于規(guī)模化生產(chǎn)，成本大幅降低。(3)耐用性和目標(biāo)鑒于固定式發(fā)電和 汽車電源市場分別要求發(fā)電設(shè)備具有高達8萬小時和2萬小時的使用年限，消費類電子產(chǎn) 品的短使用年限則意味著針對電池組的典型要求會低于3千小時。目前燃料電池的使用年 限已在這個范圍，所以燃料電池可很輕易地滿足便攜式應(yīng)用的需求。(4)市場巨大。便攜式 燃料電池可為手機、筆記本電腦、便攜式錄像機、無線設(shè)備、火警、救護車、警察、應(yīng)急燈不間 斷電源、備用電源及軍事、休閑、露營設(shè)備提供持久使用電源。 目前還沒有一種適合大學(xué)及中學(xué)教學(xué)中的燃料電池實驗系統(tǒng)，特別是缺少自助式 質(zhì)子交換膜燃料電池一體化實驗系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供自助式質(zhì)子交換膜燃料電
池一體化實驗系統(tǒng)及其實驗方法。具體技術(shù)方案如下 本發(fā)明的自助式質(zhì)子交換膜燃料電池一體化實驗系統(tǒng)包括制備膜電極組件的夾 具；單個燃料電池的氧氣側(cè)端板和氫氣側(cè)端板，用于夾住燃料電池，并提供氣體傳輸通道； 集流板，用作傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電板；中間開口的密封墊，用于防止燃料電池漏氣；碳紙，提供 氣體擴散層和中間層，同時也起收集電流的作用；質(zhì)子交換膜；電極接頭，供連接負載；用于制備膜電極組件的催化劑漿料。 上述的實驗系統(tǒng)中，所述夾具包括夾具底板、底板密封墊、頂板密封墊和圓型模型 面板及四套緊箍螺絲。
上述述一體化實驗系統(tǒng)的實驗方法，包括
(1)制備燃料電池關(guān)鍵部件膜電極組件；
(2)組裝質(zhì)子交換膜燃料電池單堆；
(3)組裝一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
上述實驗方法中，所述的膜電極組件由如下步驟制備 首先用脫脂棉蘸無水乙醇將制備膜電極組件的夾具及密封墊清洗干凈；然后在夾 具底板上放上一片底板密封墊，然后放上質(zhì)子交換膜，再放上一片頂板密封墊，質(zhì)子交換膜 部分暴露在該密封墊中央的通孔處； 蓋上模型面板，中央部分開有通孔，然擰上螺絲使底板密封墊和頂板密封墊夾緊 質(zhì)子交換膜； 將催化劑漿料均勻涂在暴露于通孔處的質(zhì)子交換膜部分，等干燥后將質(zhì)子交換膜 從夾具上取下反轉(zhuǎn)，用相同的方法，在質(zhì)子交換膜的另一面上涂覆催化劑，形成兩面覆蓋催 化劑的質(zhì)子交換膜電極。 作為上述實驗方法的優(yōu)選方案，所述的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸膜。
作為上述實驗方法的優(yōu)選方案，所述的催化劑為Pt/C。 上述實驗方法中，所述的燃料電池單堆以如下步驟組裝首先將四個螺絲裝在氧 氣側(cè)端板上，裝上一塊集流板，裝上一片底板密封墊102，將一碳紙放在該密封墊的中間部 位；然后將質(zhì)子交換膜電極放在碳紙上，裝上一片中間開孔的密封墊202，裝上另外一片碳 紙，裝上另一塊集流板，再裝上另一片中間開孔的密封墊202 ;最后裝上氫氣側(cè)端板，用螺 絲將電池鎖緊，并裝上電極接頭。 上述實驗方法中，所述的一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由氫源、燃料電池單堆和負載 組成，氫氣由氫氣鋼瓶中減壓供給；或從啟普發(fā)生器經(jīng)金屬與酸反應(yīng)供給；或從化學(xué)品分 解供給。 上述實驗方法中，所述的一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的負載為電機。
下面對本發(fā)明的原理作進一步說明 (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，一般由三部分組成陽極，陰極和質(zhì)子交換膜。其中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)生的質(zhì)子傳遞到陰極參加氧還原反 應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的膜電極是各種膜電極結(jié)構(gòu)中最基本的一種。本實驗采用的是直接涂刷法制 備，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。如上所述，燃料電池的核心部件是膜電極組件，對于一個完整 的燃料電池來講，除了膜電極之外還有其他主要部件氣體擴散層，集流板，密封墊和端板。 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
5散的電流，排出反應(yīng)生成的水。同時還有支撐催化層和收集電流的作用。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。本實驗系統(tǒng)中采用碳 紙作為氣體擴散層，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(all-in-one)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，即氫源、電池和負載三合一的 系統(tǒng)。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。氫氣供 給本實驗所制備的燃料電池單堆發(fā)電驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果 本發(fā)明提供適用于自己動手(DIY)制作燃料電池單堆的實驗系統(tǒng)。通過進行 氫/氧(空)質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵部件膜電極組件的制備和單電池組裝及一體化 (all-in-one)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實際運行，使學(xué)生全面了解燃料電池的基本原理和制作 過程及使用方法。本發(fā)明為新能源技術(shù)的教學(xué)和發(fā)展提供了新的技術(shù)方案，涉及電化學(xué)、催 化化學(xué)的基本原理及碳材料、聚合物離子導(dǎo)電材料、無機納米材料的應(yīng)用，同時，還包括了 制氫技術(shù)和器件集成技術(shù)，高度綜合了物理、化學(xué)和工程技術(shù)，填補了本領(lǐng)域教學(xué)系統(tǒng)的空 白。本發(fā)明的實驗系統(tǒng)操作安全、可重復(fù)使用。


圖1為本發(fā)明實施方式中自助式質(zhì)子交換膜燃料電池一體化實驗系統(tǒng)的部件示 意圖，其中101為夾具底板、102為底板密封墊、103為頂板密封墊、104為圓型模型面板、201 為氫氣側(cè)端板、202為密封墊、203為集(電)流板、204為氧氣側(cè)端板、301為質(zhì)子交換膜、 302為碳紙、303為催化劑漿料、304為緊箍螺絲以及305為電極接頭。 圖2為實施方式中的一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖，其中203為集(電)流板、 204為氧氣側(cè)端板、304為緊箍螺絲、305為電極接頭、801為制氫容器、802為導(dǎo)氫氣管、803 為風(fēng)扇座、805為電機風(fēng)扇以及806為連接導(dǎo)線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明，但本發(fā)明的實施不限于此。
實施例1 膜電極組裝首先用脫脂棉蘸無水乙醇將制備膜電極組件的夾具(包括夾具底板 101、底板密封墊102、頂板密封墊103和圓型模型面板104及四套緊箍螺絲304)清洗干凈。 然后在夾具底板101上放上一片底板密封墊102，放上一片4cmX 4cm的質(zhì)子交換膜301 (質(zhì) 子交換膜是固體電解質(zhì)，并起隔離作用，厚度為50iim的212 Nafion(DuPont，USA)膜)，再 放上一片有直徑為2. 5厘米圓孔的頂板密封墊103。將圓型模型面板104 (面板上有直徑為 2.5厘米的圓孔)蓋上，然后用緊箍螺絲304將膜夾緊。將Pt/C催化劑槳料303均勻涂在 圓型模型面板暴露部分的膜上，等干燥后將膜從夾具上取下。將一面涂有催化劑的膜反轉(zhuǎn)， 按相同方法安裝和涂覆催化劑，最后形成兩面覆蓋催化劑的膜電極。
實施例2
6
燃料電池單堆裝配首先將四個緊箍螺絲裝在氧氣側(cè)端板204上，在該端板上 放置一塊金屬集流板203，再裝上一片留有2. 5cmX2. 5cm暴露部分的密封墊202，將一 2. 5cmX2. 5cm的碳紙302放在中間部位。然后將制備好的膜電極放在碳紙上，裝上另一片 留有2. 5cmX2. 5cm暴露部分密封墊，裝上另外一片2. 5cmX2. 5cm的碳紙，裝上另一塊金屬 集流板，再裝上一片密封墊202。最后裝上氫氣側(cè)端板201，用螺絲將電池鎖緊，并裝上電極 接頭305，得到如圖2所示的燃料電池單堆。通氫測量，開路電位大于0. 95V。
實施例3 安裝一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)將組裝好的燃料電池按圖2所示連接制氫容器 801、導(dǎo)氫氣管802、風(fēng)扇座803、電機風(fēng)扇805以及連接導(dǎo)線806組成發(fā)電裝置。在制氫容 器中加入SYSU-1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。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，小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。
實施例4 將組裝好的燃料電池與電機連接，并安裝小風(fēng)扇。利用啟普發(fā)生器以金屬鋅與稀 鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，經(jīng)導(dǎo)管進入燃料電池。燃料電池開始工作，小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。
實施例5 將組裝好的燃料電池與電機連接，并安裝小風(fēng)扇。利用氫氣鋼瓶經(jīng)減壓向燃料電 池提供氫氣。燃料電池一工作，小風(fēng)扇就轉(zhuǎn)動。
權(quán)利要求
自助式質(zhì)子交換膜燃料電池一體化實驗系統(tǒng)，其特征在于包括制備膜電極組件的夾具；單個燃料電池的氧氣側(cè)端板和氫氣側(cè)端板，用于夾住燃料電池，并提供氣體傳輸通道；集流板，用作傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電板；中間開口的密封墊，用于防止燃料電池漏氣；碳紙，提供氣體擴散層和中間層，同時也起收集電流的作用；質(zhì)子交換膜；電極接頭，供連接負載；用于制備膜電極組件的催化劑漿料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實驗系統(tǒng)，其特征在于所述夾具包括夾具底板、底板密封墊、 頂板密封墊和圓型模型面板及四套緊箍螺絲。
3. 權(quán)利要求1所述一體化實驗系統(tǒng)的實驗方法，其特征在于包括(1) 制備燃料電池關(guān)鍵部件膜電極組件；(2) 組裝質(zhì)子交換膜燃料電池單堆；(3) 組裝一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的實驗方法，其特征在于所述的膜電極組件由如下步驟制備 首先用脫脂棉蘸無水乙醇將制備膜電極組件的夾具及密封墊清洗干凈；然后在夾具底板上放上一片底板密封墊，然后放上質(zhì)子交換膜，再放上一片頂板密封墊，質(zhì)子交換膜部分 暴露在該密封墊中央的通孔處；蓋上模型面板，中央部分開有通孔，然擰上螺絲使底板密封墊和頂板密封墊夾緊質(zhì)子 交換膜；將催化劑漿料均勻涂在暴露于通孔處的質(zhì)子交換膜部分，等干燥后將質(zhì)子交換膜從夾 具上取下反轉(zhuǎn)，用相同的方法，在質(zhì)子交換膜的另一面上涂覆催化劑，形成兩面覆蓋催化劑 的質(zhì)子交換膜電極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的實驗方法，其特征在于所述的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的實驗方法，其特征在于所述的催化劑為Pt/C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的實驗方法，其特征在于所述的燃料電池單堆以如下步驟組 裝首先將四個螺絲裝在氧氣側(cè)端板上，裝上一塊集流板，裝上一片底板密封墊(102)，將 一碳紙放在該密封墊的中間部位；然后將質(zhì)子交換膜電極放在碳紙上，裝上一片中間開孔 的密封墊(202)，裝上另外一片碳紙，裝上另一塊集流板，再裝上另一片中間開孔的密封墊 (202);最后裝上氫氣側(cè)端板，用螺絲將電池鎖緊，并裝上電極接頭。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的實驗方法，其特征在于所述的一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由氫 源、燃料電池單堆和負載組成，氫氣由氫氣鋼瓶中減壓供給；或從啟普發(fā)生器經(jīng)金屬與酸反 應(yīng)供給；或從化學(xué)品分解供給。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的實驗方法，其特征在于所述的一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的負 載為電機。
全文摘要
本發(fā)明提供自助式質(zhì)子交換膜燃料電池一體化實驗系統(tǒng)及其實驗方法，實驗系統(tǒng)包括制備膜電極組件的夾具；單個燃料電池的氧氣側(cè)端板和氫氣側(cè)端板，用于夾住燃料電池，并提供氣體傳輸通道；集流板，用作傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電板；中間開口的密封墊，用于防止燃料電池漏氣；碳紙，提供氣體擴散層和中間層，同時也起收集電流的作用；質(zhì)子交換膜；電極接頭，供連接負載；用于制備膜電極組件的催化劑漿料。實驗方法包括制備燃料電池關(guān)鍵部件膜電極組件；組裝質(zhì)子交換膜燃料電池單堆；組裝一體化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明適用于DIY制作燃料電池單堆的實驗系統(tǒng)，操作安全，實驗系統(tǒng)可重復(fù)使用。
文檔編號G09B23/00GK101777276SQ20101010175
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者沈培康 申請人:中山大學(xué)