1、研究生专业实验报告实验项目名称： 被动式直接甲醇燃料电池 学 号： 20141002042 姓 名： 张薇 指 导 教 师： 陈蓉 动 力 工 程 学 院重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告1被动式直接甲醇燃料电池一、实验目的1、了解和掌握被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池（DMFC）的基本工作原理；2、了解和掌握对燃料电池进行性能测试的基本方法；3、了解和掌握燃料电池性能评价方法；4、观察和认识影响燃料电池性能的主要因素。二、实验意义燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置，具有环境友好、效率高、工作安静可靠等显著优点，被誉为继核能之后新一代的能源装置。在众多燃料电池种类中，
2、空气自呼吸式直接甲醇燃料电池（DMFC）因具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点，成为便携式设备最有前景的可替代电源，是电化学和能源科学领域的研究热点。本实验旨在对被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池进行实验研究，使同学们了解和掌握燃料电池测试的基本方法，加深对燃料电池基本工作原理的认识和理解。三、实验原理燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置。一个典型的直接甲醇燃料电池的示意图如图 1 所示。图 1: 直接甲醇燃料电池的典型结构从图 1 中可以看出，典型的直接甲醇燃料电池包括阳极扩散层、阴极扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层、质子交换膜、集流体等
3、部件。在被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池中，电池阳极发生的是甲醇的氧化反应：重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告2CH3OH+H2OCO 2+6H+6e-，E 0=0.046 V （1）电池阴极发生的是氧气的还原反应：3/2O2+6H+6e-3H 2O，E0=1.229 V （2）总反应式为：CH3OH+3/2O2CO 2+2H2O， E=1.183 V （3）在被动式直接甲醇燃料电池阳极，甲醇水溶液扩散通过阳极扩散层到达阳极催化层，甲醇在阳极催化层被氧化，生成二氧化碳、氢离子和电子，如式（1）所示。氢离子通过质子交换膜迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极；在阴极侧，氧气通过暴露在空气中的阴
4、极扩散层传输至阴极催化层，在电催化剂的作用下，氧气与从阳极迁移过来的质子以及从外电路到达的电子发生还原反应生成水，如式（2）所示。理论上直接甲醇燃料电池的开路电压能达到 1.183 V，但实际上DMFC 的开路电压一般只有 0.7 V 左右，其主要原因是部分燃料（甲醇）在浓度差的作用下渗透通过质子交换膜到达阴极引起了混合电位，这一过程被称为甲醇渗透（methanol crossover）。另外从图 1 中还可以看出，在直接甲醇燃料电池阳极侧存在由甲醇氧化产生的二氧化碳气泡。另外在燃料电池阴极侧，由于氧气的还原反应会在阴极电极表面生成水滴。生成的水滴会聚集在空气自呼吸阴极表面，减小阴极电极与空气
5、的接触面积，增大氧气的传质阻力，降低电池性能。四 实验方案1)准备好安装单电池的全部组件和待测试的 MEA。2)将金属夹板、金属电板、集流板、绝缘垫、MEA 从下到上依次按照从阳极到阴极的顺序组装好。3)连接电阻线、万用表。4)配制好甲醇溶液,通入进料并活化新制燃料单电池。5)待新电池性能稳定后,测试 V-I 极化曲线。五 实验结论阳极甲醇溶液的浓度是影响直接甲醇燃料电池性能的一个重要参数。我们主要考察了甲醇溶液浓度在 1、4mol/L 时对电池性能的影响。实验结果如图、表所示，从图中可以看出，甲醇溶液浓度的增大会降低燃料电池的性能，这主要是因为甲醇溶液浓度增大后，甲醇透过率也变大，削弱了阴极
6、催化剂的反应性能，从而影响了电池电池的阴极性能，我们还发现，甲醇溶液浓度的增加还会降低电池的开路电压（甲醇浓度为 4mol/L 时，开路电压为 0.4910V） 。另一方面，从图 c中可以看出，电池的功率在电阻为 400 欧时存在一个最大值，在大电阻条件下（超过最大功率时的电阻值时）1mol/L 甲醇溶液的功率要超过 4mol/L 甲醇溶液重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告3的功率。说明在电阻（负载）相同的条件下，甲醇浓度越高，功率输出越小。在其他条件相同的条件下，要想获得大功率密度，应该尽量采用低浓度甲醇溶液。甲醇浓度 1mol/L （开路电压 0.5220V）电阻（） 电压（V） 电流
7、（A） 功率（W）5000 0.44 0.000088 3.872*10-53000 0.3882 0.0001294 5.023*10-51000 0.2939 0.0002939 8.638*10-5800 0.2671 0.00033388 8.918*10-5600 0.2315 0.00038583 8.932*10-5400 0.1878 0.0004695 8.817*10-5200 0.1274 0.000637 8.115*10-5100 0.075 0.00075 5.625*10-575 0.0575 0.00076667 4.408*10-550 0.0392 0.00
8、0784 3.073*10-540 0.0316 0.00079 2.496*10-530 0.0236 0.000786667 1.857*10-520 0.016 0.0008 1.280*10-510 0.008 0.0008 0.640*10-5表 1a:甲醇浓度为 1mol/L 时的电压、电流、与功率 甲醇浓度 4mol/L （开路电压 0.4910V）电阻（） 电压（V） 电流（A） 功率（W）5000 0.3949 0.00007898 3.1119*10-53000 0.358 0.00011933 4.272*10-51000 0.26 0.00026 6.760*10-58
9、00 0.2436 0.0003045 7.418*10-5600 0.2157 0.000406 8.757*10-5400 0.1808 0.00053925 9.750*10-5200 0.1277 0.0006385 8.654*10-5100 0.082 0.00082 6.724*10-575 0.0662 0.00088267 5.843*10-550 0.0475 0.00095 4.513*10-540 0.0389 0.0009725 3.783*10-530 0.0299 0.00099667 2.980*10-520 0.0206 0.00103 2.122*10-51
10、0 0.0108 0.00108 1.166*10-5表 1b:甲醇浓度为 1mol/L 时的电压、电流、与功率 重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告4图 2a:电阻 -电压图（横坐标为电阻，单位：欧；综坐标为电压，单位：伏特）图 b:电阻 -电流图（横坐标为电阻，单位：欧；综坐标为电流，单位：安培）重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告5图 c:电阻 -功率图（横坐标为电阻，单位：欧；综坐标为功率，单位： 瓦）510五 对实验的改进方案及建议在实验方面，可以多测几个影响因素对电池性能的影响，例如电池温度、阴极加湿温度、甲醇流速等因素对电池性能的影响并多次测量以保证测量结果的稳定性。重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告6实验名称：学 号： 姓 名：考核成绩：综合评语：教师签名：年 月 日
