被動式直接甲醇燃料電池的學生實驗設計

曹劍瑜，陶 濛，趙亞欣，陳智棟，許 娟

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164)

化學實驗是高?；瘜W類專業(yè)教學的核心之一，對培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學態(tài)度和訓練正確的科學研究方法具有重要的意義[1－2]。傳統(tǒng)的本科階段的實驗教學常以無機、有機、物化和儀分等內容分塊設置，整體上往往缺乏連貫性和系統(tǒng)性。實驗內容多為理論驗證性實驗，與科技發(fā)展前沿聯系不夠緊密，不利于激發(fā)學生的學習熱情和創(chuàng)新意識與能力的培養(yǎng)。通過結合科學研究課題，設計研究型實驗，可以引入一些內容新穎、技能要求高的實驗內容，拓展學生的專業(yè)知識面，引導學生從事一些前沿的科研課題或實際化工生產方面的研究工作，提高學生的思維和創(chuàng)新能力，為學生今后的工作和科研打下堅實基礎。

燃料電池 (fuel cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電技術[3－5]，具有能量轉換效率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點。在眾多類型的燃料電池中，直接甲醇燃料電池 (DMFC)使用液態(tài)的甲醇作為燃料，具備能量密度高、可低溫快速啟動、燃料潔凈環(huán)保及電池結構簡單等特性，極有希望成為未來便攜式電子產品應用的主流電源技術。

本文結合科研工作，設計了一個研究型物理化學實驗——被動式直接甲醇燃料電池的構建與性能研究。該實驗以燃料電池的性能研究為切入點，引導學生通過查閱文獻資料，自主設計可行的實驗方案，組裝電池，選擇最佳實驗條件、分析處理實驗結果，比較電池性能的優(yōu)劣，并以科技論文形式撰寫實驗報告。

1 實驗設計

1.1 實驗目的

1)查閱中英文文獻，了解直接甲醇燃料電池基本原理及研究熱點；

2)學習燃料電池的構建方法，掌握評價電池性能的基本方法；

3)了解影響直接甲醇燃料電池性能的基本因素。

1.2 實驗原理

1.2.1 直接甲醇燃料電池的電極反應機理

相關文獻研究表明，直接甲醇燃料電池的電極反應[3]如下式所示:

陽極反應:CH3OH＋H2O＝CO2＋6H＋＋6e－

陰極反應:3/2O2＋6H＋＋6e－＝3H2O

電池總反應:CH3OH＋3/2O2＝CO2＋3H2O

DMFC的電動勢為1.21 V[6]。若不考慮氧氣質量，DMFC的質量比能量理論上可達到6 000 Wh/kg[7－8]。實際 DMFC的輸出電壓較低，但是即使在0.4 V下放電，其質量比能量仍能達到約2 000 Wh/kg[9]。

1.2.2 極化曲線和功率密度曲線測定

燃料電池的極化曲線用Arbin BT2000系統(tǒng)測試電池在不同電流密度下對應穩(wěn)定的電壓值得到。每個數據采集點電壓穩(wěn)定2 min。依據極化曲線上的電流密度J和電壓U，可計算出電池的功率密度[10]:

接著由功率密度P與電流密度作圖得到功率密度曲線。

1.2.3 放電穩(wěn)定性測試

在恒定電流密度下進行電池的放電穩(wěn)定性測試。測試時間為3 h，加入陽極儲罐的3M甲醇溶液質量固定為4 g?？捎嬎愠鲭姵氐碾妷核p率[11]:

式中，Ui為初始電壓，Uf為測試終態(tài)電壓。

在恒電壓下進行電池的放電穩(wěn)定性測試。測試時間為3 h，加入陽極儲罐的3M甲醇溶液質量固定為4 g?？捎嬎愠鲭姵氐碾娏魉p率[12]:

式中，Ii為初始電流，If為測試終態(tài)時的電流。

1.3 儀器和試劑

儀器有甲醇儲罐、鍍金金屬集流體(2片)、膜電極集合體(MEA －1＃、 MEA －2＃和 MEA －3＃)、流場板、醫(yī)用針管、100 mL容量瓶(6個)、100 mL燒杯(2～4個)、10 mL移液管、Arbin BT2000電池測試儀。

試劑有甲醇(分析純)、Nafion117膜(杜邦公司出品)。所用實驗用水均為去離子水。

1.4 實驗步驟

1.4.1 被動式直接甲醇燃料電池單電池的構建

將一片膜電極與兩片鍍金金屬集流體以三明治型結構組合，裝入帶甲醇儲罐的直接甲醇燃料電池模擬池中，如圖1所示。甲醇經陽極儲罐自然擴散進入膜電極的陽極催化層，氧氣通過自然擴散或對流進入膜電極陰極。

圖1 被動式直接甲醇燃料電池示意圖

1.4.2 膜電極活化條件考查

分別配制0.5，1，2，3，4和5 M的甲醇溶液各100 mL，備用。將膜電極(編號MEA－1＃)置于去離子水中，40℃下加熱0.5 h，取出后組裝電池。向電池陽極甲醇儲槽內注入約5 mL 3M甲醇溶液，連接測試裝置，室溫下測試其電池的I－V極化曲線(當電壓降至50 mV以下時，放電結束)。試驗結束后，用針管將儲罐中的剩余甲醇溶液抽去，注入約5 mL的0.5 M的甲醇溶液對其進行活化 (活化處理時須封閉陰極，阻止空氣中的氧氣進入陰極催化層)，設定的活化時間為3 h?；罨Y束后，抽出甲醇溶液，向陽極儲槽內注入約5 mL 3 M甲醇溶液，連接測試裝置，室溫下測試其I－V極化曲線，將實驗數據導出，作圖。

按上面相同的步驟，分別用1，2，3，4 M的甲醇溶液活化膜電極3 h，然后均用3 M的甲醇溶液作為燃料，測試膜電極的I－V極化曲線。

1.4.3 膜電極極化曲線測試

將兩個膜電極(編號分別為MEA－2＃和MEA－3＃)分別組裝成電池，注入適量的1 M甲醇溶液活化，活化時間為3 h。將活化液抽去，分別注入適量1 M甲醇溶液，在室溫下測試其I－V極化曲線。實驗結束后，將剩余甲醇抽去，加入適量的1 M甲醇溶液活化3 h。按上述相同的步驟，分別用3和5 M甲醇溶液作為陽極燃料，測試膜電極的I－V極化曲線，將實驗數據導出作圖，得到極化曲線和功率密度曲線。

1.4.4 MEA的放電穩(wěn)定性測試

將兩個膜電極(編號分別為MEA－2＃和MEA－3＃)分別組裝成電池，注入適量的1 M甲醇溶液活化3 h。將活化液抽去，分別注入約4 g的3 M甲醇溶液，室溫下進行恒電流放電實驗。放電電流分別設定在20，30，40，50，60，70，80 mAcm－2，電壓降到20 mV以下時結束實驗，放電時間為3 h(在實際的學生實驗中，放電時間可通過減少甲醇溶液用量縮短至0.5～1 h)。導出實驗數據并作圖。

將兩個膜電極(編號分別為MEA－4＃和MEA－5＃)分別組裝成電池，注入適量1 M甲醇溶液活化3 h。將活化液抽去，分別注入約4 g的3 M甲醇溶液，室溫下進行恒電壓放電實驗。放電電壓分別設定在0.60，0.55，0.50，0.45，0.40 V，電流密度降到5 mAcm－2以下時結束實驗。導出實驗數據，作圖。

1.5 數據表格

學生完成實驗后，將使用不同濃度的甲醇溶液活化的電池所測得的峰值功率密度記錄在表1中，電池陽極使用不同濃度的甲醇溶液所測得的峰值功率密度記錄在表2中，而不同結構膜電極的電壓衰減率和電流衰減率分別記錄在表3和表4中。

表1 活化方式對膜電極的電化學性能的影響

表2 不同結構膜電極的電化學性能

表3 不同結構膜電極的電壓衰減率

表4 不同結構膜電極的電流衰減率

2 數據分析處理

圖2 不同濃度甲醇溶液中活化的膜電極的極化曲線圖

實驗數據可轉換為文本文件，用Origin和Excel等軟件進行數據處理，繪制圖譜，并分析實驗條件對結果的影響。本文考查了甲醇活化液濃度對膜電極性能的影響。如圖2所示，為在不同濃度甲醇溶液中活化的膜電極的極化曲線和功率密度曲線圖。極化曲線上存在電化學極化區(qū)、歐姆極化區(qū)和濃差極化區(qū)3個典型區(qū)域。隨著活化液濃度增大，電池峰值功率密度呈現先上升后下降的趨勢。甲醇活化液濃度為1 M時，膜電極性能最佳，達到21.8 mW·cm－2。而去離子水活化的膜電極的性能僅為19 mW·cm－2，表明在活化方式上，甲醇溶液優(yōu)于純水。為了進一步培養(yǎng)學生的學習主動性，指導教師可以提出讓學生查閱文獻資料，解決下面兩個問題:1)為什么電池的功率密度曲線圖上存在一個極大值；2)為什么甲醇濃度高于1 M時，膜電極性能反而降低。學生在查找資料的過程中學會如何評價燃料電池膜電極的性能和改進電池設計，加深了對電化學理論知識的理解，提高了分析和解決問題的能力。

此外，我們還對膜電極的放電穩(wěn)定性進行了詳細探討。如圖3所示，為不同放電電流密度下膜電極(MEA－2＃)的放電曲線圖。從圖中可以看出，隨著放電電流增加，電壓衰減呈現加劇趨勢。指導教師可以據此引導學生分析探討在不同輸出電流下是否可能存在不同的電池性能的影響因素。

圖3 不同放電電流下膜電極的放電曲線圖

3 實驗安排

1)實驗準備:課前1～2周向學生介紹實驗的研究背景及意義，要求學生查閱文獻，設計實驗方案。

2)第一次實驗 (4～6學時):組裝被動式直接甲醇燃料電池，并活化電池。

3)第二次實驗 (4～6學時):測試電池的極化曲線。

4)第三次實驗 (4～6學時):測試電池的放電穩(wěn)定性。

4 結束語

被動式直接甲醇燃料電池組裝簡便，且可重復使用，環(huán)境友好，可讓學生掌握燃料電池的組建方法和工作原理，了解能源發(fā)展的科學前沿問題，屬于研究型化學實驗。該實驗需要靈活運用無機化學和物理化學知識的能力，使學生在分析和解決問題及實驗技能等方面有較大提高。該實驗適用于具有一定化學實驗基礎的高年級本科生，有助于激發(fā)學生的科研興趣和培養(yǎng)學生良好的獨立學習和探索的能力，為學生將來進一步的學習深造和工作打下堅實基礎。

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