被动式直接甲醇燃料电池的学生实验设计

曹剑瑜，陶 濛，赵亚欣，陈智栋，许 娟

(常州大学 石油化工学院，江苏 常州 213164)

化学实验是高校化学类专业教学的核心之一，对培养学生严谨求实的科学态度和训练正确的科学研究方法具有重要的意义[1－2]。传统的本科阶段的实验教学常以无机、有机、物化和仪分等内容分块设置，整体上往往缺乏连贯性和系统性。实验内容多为理论验证性实验，与科技发展前沿联系不够紧密，不利于激发学生的学习热情和创新意识与能力的培养。通过结合科学研究课题，设计研究型实验，可以引入一些内容新颖、技能要求高的实验内容，拓展学生的专业知识面，引导学生从事一些前沿的科研课题或实际化工生产方面的研究工作，提高学生的思维和创新能力，为学生今后的工作和科研打下坚实基础。

燃料电池 (fuel cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电技术[3－5]，具有能量转换效率高、清洁环保等优点。在众多类型的燃料电池中，直接甲醇燃料电池 (DMFC)使用液态的甲醇作为燃料，具备能量密度高、可低温快速启动、燃料洁净环保及电池结构简单等特性，极有希望成为未来便携式电子产品应用的主流电源技术。

本文结合科研工作，设计了一个研究型物理化学实验——被动式直接甲醇燃料电池的构建与性能研究。该实验以燃料电池的性能研究为切入点，引导学生通过查阅文献资料，自主设计可行的实验方案，组装电池，选择最佳实验条件、分析处理实验结果，比较电池性能的优劣，并以科技论文形式撰写实验报告。

1 实验设计

1.1 实验目的

1)查阅中英文文献，了解直接甲醇燃料电池基本原理及研究热点；

2)学习燃料电池的构建方法，掌握评价电池性能的基本方法；

3)了解影响直接甲醇燃料电池性能的基本因素。

1.2 实验原理

1.2.1 直接甲醇燃料电池的电极反应机理

相关文献研究表明，直接甲醇燃料电池的电极反应[3]如下式所示:

阳极反应:CH3OH＋H2O＝CO2＋6H＋＋6e－

阴极反应:3/2O2＋6H＋＋6e－＝3H2O

电池总反应:CH3OH＋3/2O2＝CO2＋3H2O

DMFC的电动势为1.21 V[6]。若不考虑氧气质量，DMFC的质量比能量理论上可达到6 000 Wh/kg[7－8]。实际 DMFC的输出电压较低，但是即使在0.4 V下放电，其质量比能量仍能达到约2 000 Wh/kg[9]。

1.2.2 极化曲线和功率密度曲线测定

燃料电池的极化曲线用Arbin BT2000系统测试电池在不同电流密度下对应稳定的电压值得到。每个数据采集点电压稳定2 min。依据极化曲线上的电流密度J和电压U，可计算出电池的功率密度[10]:

接着由功率密度P与电流密度作图得到功率密度曲线。

1.2.3 放电稳定性测试

在恒定电流密度下进行电池的放电稳定性测试。测试时间为3 h，加入阳极储罐的3M甲醇溶液质量固定为4 g。可计算出电池的电压衰减率[11]:

式中，Ui为初始电压，Uf为测试终态电压。

在恒电压下进行电池的放电稳定性测试。测试时间为3 h，加入阳极储罐的3M甲醇溶液质量固定为4 g。可计算出电池的电流衰减率[12]:

式中，Ii为初始电流，If为测试终态时的电流。

1.3 仪器和试剂

仪器有甲醇储罐、镀金金属集流体(2片)、膜电极集合体(MEA －1＃、 MEA －2＃和 MEA －3＃)、流场板、医用针管、100 mL容量瓶(6个)、100 mL烧杯(2～4个)、10 mL移液管、Arbin BT2000电池测试仪。

试剂有甲醇(分析纯)、Nafion117膜(杜邦公司出品)。所用实验用水均为去离子水。

1.4 实验步骤

1.4.1 被动式直接甲醇燃料电池单电池的构建

将一片膜电极与两片镀金金属集流体以三明治型结构组合，装入带甲醇储罐的直接甲醇燃料电池模拟池中，如图1所示。甲醇经阳极储罐自然扩散进入膜电极的阳极催化层，氧气通过自然扩散或对流进入膜电极阴极。

图1 被动式直接甲醇燃料电池示意图

1.4.2 膜电极活化条件考查

分别配制0.5，1，2，3，4和5 M的甲醇溶液各100 mL，备用。将膜电极(编号MEA－1＃)置于去离子水中，40℃下加热0.5 h，取出后组装电池。向电池阳极甲醇储槽内注入约5 mL 3M甲醇溶液，连接测试装置，室温下测试其电池的I－V极化曲线(当电压降至50 mV以下时，放电结束)。试验结束后，用针管将储罐中的剩余甲醇溶液抽去，注入约5 mL的0.5 M的甲醇溶液对其进行活化 (活化处理时须封闭阴极，阻止空气中的氧气进入阴极催化层)，设定的活化时间为3 h。活化结束后，抽出甲醇溶液，向阳极储槽内注入约5 mL 3 M甲醇溶液，连接测试装置，室温下测试其I－V极化曲线，将实验数据导出，作图。

按上面相同的步骤，分别用1，2，3，4 M的甲醇溶液活化膜电极3 h，然后均用3 M的甲醇溶液作为燃料，测试膜电极的I－V极化曲线。

1.4.3 膜电极极化曲线测试

将两个膜电极(编号分别为MEA－2＃和MEA－3＃)分别组装成电池，注入适量的1 M甲醇溶液活化，活化时间为3 h。将活化液抽去，分别注入适量1 M甲醇溶液，在室温下测试其I－V极化曲线。实验结束后，将剩余甲醇抽去，加入适量的1 M甲醇溶液活化3 h。按上述相同的步骤，分别用3和5 M甲醇溶液作为阳极燃料，测试膜电极的I－V极化曲线，将实验数据导出作图，得到极化曲线和功率密度曲线。

1.4.4 MEA的放电稳定性测试

将两个膜电极(编号分别为MEA－2＃和MEA－3＃)分别组装成电池，注入适量的1 M甲醇溶液活化3 h。将活化液抽去，分别注入约4 g的3 M甲醇溶液，室温下进行恒电流放电实验。放电电流分别设定在20，30，40，50，60，70，80 mAcm－2，电压降到20 mV以下时结束实验，放电时间为3 h(在实际的学生实验中，放电时间可通过减少甲醇溶液用量缩短至0.5～1 h)。导出实验数据并作图。

将两个膜电极(编号分别为MEA－4＃和MEA－5＃)分别组装成电池，注入适量1 M甲醇溶液活化3 h。将活化液抽去，分别注入约4 g的3 M甲醇溶液，室温下进行恒电压放电实验。放电电压分别设定在0.60，0.55，0.50，0.45，0.40 V，电流密度降到5 mAcm－2以下时结束实验。导出实验数据，作图。

1.5 数据表格

学生完成实验后，将使用不同浓度的甲醇溶液活化的电池所测得的峰值功率密度记录在表1中，电池阳极使用不同浓度的甲醇溶液所测得的峰值功率密度记录在表2中，而不同结构膜电极的电压衰减率和电流衰减率分别记录在表3和表4中。

表1 活化方式对膜电极的电化学性能的影响

表2 不同结构膜电极的电化学性能

表3 不同结构膜电极的电压衰减率

表4 不同结构膜电极的电流衰减率

2 数据分析处理

图2 不同浓度甲醇溶液中活化的膜电极的极化曲线图

实验数据可转换为文本文件，用Origin和Excel等软件进行数据处理，绘制图谱，并分析实验条件对结果的影响。本文考查了甲醇活化液浓度对膜电极性能的影响。如图2所示，为在不同浓度甲醇溶液中活化的膜电极的极化曲线和功率密度曲线图。极化曲线上存在电化学极化区、欧姆极化区和浓差极化区3个典型区域。随着活化液浓度增大，电池峰值功率密度呈现先上升后下降的趋势。甲醇活化液浓度为1 M时，膜电极性能最佳，达到21.8 mW·cm－2。而去离子水活化的膜电极的性能仅为19 mW·cm－2，表明在活化方式上，甲醇溶液优于纯水。为了进一步培养学生的学习主动性，指导教师可以提出让学生查阅文献资料，解决下面两个问题:1)为什么电池的功率密度曲线图上存在一个极大值；2)为什么甲醇浓度高于1 M时，膜电极性能反而降低。学生在查找资料的过程中学会如何评价燃料电池膜电极的性能和改进电池设计，加深了对电化学理论知识的理解，提高了分析和解决问题的能力。

此外，我们还对膜电极的放电稳定性进行了详细探讨。如图3所示，为不同放电电流密度下膜电极(MEA－2＃)的放电曲线图。从图中可以看出，随着放电电流增加，电压衰减呈现加剧趋势。指导教师可以据此引导学生分析探讨在不同输出电流下是否可能存在不同的电池性能的影响因素。

图3 不同放电电流下膜电极的放电曲线图

3 实验安排

1)实验准备:课前1～2周向学生介绍实验的研究背景及意义，要求学生查阅文献，设计实验方案。

2)第一次实验 (4～6学时):组装被动式直接甲醇燃料电池，并活化电池。

3)第二次实验 (4～6学时):测试电池的极化曲线。

4)第三次实验 (4～6学时):测试电池的放电稳定性。

4 结束语

被动式直接甲醇燃料电池组装简便，且可重复使用，环境友好，可让学生掌握燃料电池的组建方法和工作原理，了解能源发展的科学前沿问题，属于研究型化学实验。该实验需要灵活运用无机化学和物理化学知识的能力，使学生在分析和解决问题及实验技能等方面有较大提高。该实验适用于具有一定化学实验基础的高年级本科生，有助于激发学生的科研兴趣和培养学生良好的独立学习和探索的能力，为学生将来进一步的学习深造和工作打下坚实基础。

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