直接甲醇燃料電池實(shí)驗報告

1、研究生專業(yè)實(shí)驗報告 實(shí)驗項目名稱： 被動式直接甲醇燃料電池 學(xué) 號： 20141002042 姓 名： 張薇 指 導(dǎo) 教 師： 陳蓉 動 力 工 程 學(xué) 院7 / 8文檔可自由編輯被動式直接甲醇燃料電池一、實(shí)驗?zāi)康?、了解和掌握被動式空氣自呼吸直接甲醇燃料電池（DMFC）的基本工作原理；2、了解和掌握對燃料電池進(jìn)行性能測試的基本方法；3、了解和掌握燃料電池性能評價方法；4、觀察和認(rèn)識影響燃料電池性能的主要因素。二、實(shí)驗意義燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)化裝置，具有環(huán)境友好、效率高、工作安靜可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為繼核能之后新一代的能源裝置。在眾多燃料電池種類中，空氣自呼吸式直

2、接甲醇燃料電池（DMFC）因具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、環(huán)境友好、更換燃料方便、可在常溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，成為便攜式設(shè)備最有前景的可替代電源，是電化學(xué)和能源科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本實(shí)驗旨在對被動式空氣自呼吸直接甲醇燃料電池進(jìn)行實(shí)驗研究，使同學(xué)們了解和掌握燃料電池測試的基本方法，加深對燃料電池基本工作原理的認(rèn)識和理解。三、實(shí)驗原理燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)化裝置。一個典型的直接甲醇燃料電池的示意圖如圖1所示。圖1: 直接甲醇燃料電池的典型結(jié)構(gòu)從圖1中可以看出，典型的直接甲醇燃料電池包括陽極擴(kuò)散層、陰極擴(kuò)散層、陽極催化劑層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、集流體等部件。在被動式空氣自呼吸

3、直接甲醇燃料電池中，電池陽極發(fā)生的是甲醇的氧化反應(yīng)：CH3OH+H2OCO2+6H+6e-，E0=0.046 V（1）電池陰極發(fā)生的是氧氣的還原反應(yīng)：3/2O2+6H+6e-3H2O，E0=1.229 V（2）總反應(yīng)式為：CH3OH+3/2O2CO2+2H2O， E=1.183 V（3）在被動式直接甲醇燃料電池陽極，甲醇水溶液擴(kuò)散通過陽極擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化層，甲醇在陽極催化層被氧化，生成二氧化碳、氫離子和電子，如式（1）所示。氫離子通過質(zhì)子交換膜遷移到陰極，電子通過外電路傳遞到陰極；在陰極側(cè)，氧氣通過暴露在空氣中的陰極擴(kuò)散層傳輸至陰極催化層，在電催化劑的作用下，氧氣與從陽極遷移過來的質(zhì)子以及從

4、外電路到達(dá)的電子發(fā)生還原反應(yīng)生成水，如式（2）所示。理論上直接甲醇燃料電池的開路電壓能達(dá)到1.183 V，但實(shí)際上DMFC的開路電壓一般只有0.7 V左右，其主要原因是部分燃料（甲醇）在濃度差的作用下滲透通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極引起了混合電位，這一過程被稱為甲醇滲透（methanol crossover）。另外從圖1中還可以看出，在直接甲醇燃料電池陽極側(cè)存在由甲醇氧化產(chǎn)生的二氧化碳?xì)馀?。另外在燃料電池陰極側(cè)，由于氧氣的還原反應(yīng)會在陰極電極表面生成水滴。生成的水滴會聚集在空氣自呼吸陰極表面，減小陰極電極與空氣的接觸面積，增大氧氣的傳質(zhì)阻力，降低電池性能。四 實(shí)驗方案1)準(zhǔn)備好安裝單電池的全部組件和

5、待測試的MEA。2)將金屬夾板、金屬電板、集流板、絕緣墊、MEA從下到上依次按照從陽極到陰極的順序組裝好。3)連接電阻線、萬用表。4)配制好甲醇溶液,通入進(jìn)料并活化新制燃料單電池。5)待新電池性能穩(wěn)定后,測試V-I極化曲線。五 實(shí)驗結(jié)論陽極甲醇溶液的濃度是影響直接甲醇燃料電池性能的一個重要參數(shù)。我們主要考察了甲醇溶液濃度在1、4mol/L時對電池性能的影響。實(shí)驗結(jié)果如圖、表所示，從圖中可以看出，甲醇溶液濃度的增大會降低燃料電池的性能，這主要是因為甲醇溶液濃度增大后，甲醇透過率也變大，削弱了陰極催化劑的反應(yīng)性能，從而影響了電池電池的陰極性能，我們還發(fā)現(xiàn)，甲醇溶液濃度的增加還會降低電池的開路電壓（

6、甲醇濃度為4mol/L時，開路電壓為0.4910V）。另一方面，從圖c中可以看出，電池的功率在電阻為400歐時存在一個最大值，在大電阻條件下（超過最大功率時的電阻值時）1mol/L甲醇溶液的功率要超過4mol/L甲醇溶液的功率。說明在電阻（負(fù)載）相同的條件下，甲醇濃度越高，功率輸出越小。在其他條件相同的條件下，要想獲得大功率密度，應(yīng)該盡量采用低濃度甲醇溶液。 甲醇濃度1mol/L （開路電壓0.5220V）電阻（）電壓（V）電流（A）功率（W）50000.440.0000883.872*10-530000.38820.00012945.023*10-510000.29390.00029398.

7、638*10-58000.26710.000333888.918*10-56000.23150.000385838.932*10-54000.18780.00046958.817*10-52000.12740.0006378.115*10-51000.0750.000755.625*10-5750.05750.000766674.408*10-5500.03920.0007843.073*10-5400.03160.000792.496*10-5300.02360.0007866671.857*10-5200.0160.00081.280*10-5100.0080.00080.640*10-5

8、表1a:甲醇濃度為1mol/L時的電壓、電流、與功率 甲醇濃度4mol/L （開路電壓0.4910V）電阻（）電壓（V）電流（A）功率（W）50000.39490.000078983.1119*10-530000.3580.000119334.272*10-510000.260.000266.760*10-58000.24360.00030457.418*10-56000.21570.0004068.757*10-54000.18080.000539259.750*10-52000.12770.00063858.654*10-51000.0820.000826.724*10-5750.06620.000882675.843*10-5500.04750.000954.513*10-5400.03890.00097253.783*10-5300.02990.000996672.980*10-5200.02060.001032.122*10-5100.01080.001081.166*10-5表1b:甲醇濃度為1mol/L時的電壓、電流、與功率 圖2a:電阻-電壓圖（橫坐標(biāo)為電阻，單位：歐；綜坐標(biāo)為電壓，單位：伏特）圖b:電阻-電流圖（橫坐標(biāo)為電阻，單位：歐；綜坐標(biāo)為電流，單位：安培）圖c:電阻-功率圖（橫坐