直接甲醇燃料电池实验报告
直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化
（ ．ｃ ｏ ｌ ｆ ｃ ｎｅ ｅ ｉｇＪ ｏｏ ｇ Ｕ ｉｅ ｉ ， ｅ ｉｇ１ ０ ４ ， ｈ ａ １ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｉ ｃ ，Ｂ ｉｎ ｉ ｔｎ ｎ ｒ ｔ Ｂ ｉｎ ０ ０ ４ Ｃ ｉ ； Ｓｅ ｊ ａ ｖ ｓｙ ｊ ｎ
２ Ｓ ｈｏ ｏ ｃ ｎｅ Ｂ ｉｎ ｎｖｒｔ ｆ ｈｍ ｃｌ ｅｈ ｏ ｇ ， ｅｉｇ１０ ２ ， ｈ ａ ．ｃ ｏｌ ｆ ｉ ｃ ， ｅｉｇＵ ｉｅｓｙｏ ｅ ｉ ｃｎ ｌ ｙ Ｂｉｎ ０ ０ ９ Ｃ ｉ ） Ｓｅ ｊ ｉ Ｃ ａＴ ｏ ｊ ｎ
直接甲醇燃料电池催化剂性能测试
直接甲醇燃料电池催化剂性能测试直接甲醇燃料电池催化剂主要以Pt 系催化剂为主，再加以单壁碳纳米管为催化剂载体，催化剂有效分散，催化性能提高。
循环伏安法曲线正向扫描的峰电流密度可直接反映甲醇的氧化量及催化剂的电催化活性。
本实验主要针对直接甲醇燃料电池催化剂材料对甲醇氧化的的循环伏安曲线进行测试，了解直接甲醇燃料电池的工作原理及工作特性。
一、实验目的和要求：1.掌握用循环伏安法测定直接甲醇燃料电池催化性能的方法。
2.了解直接甲醇燃料电池的工作原理。
3.了解CHI 电化学工作站的设定方法。
二、测定原理：在电极上施加一个线性扫描电压，以恒定的变化速度扫描，当达到某设定的终止电位时，再反向回归至某一设定的起始电位，循环伏安法电位与时间的关系（见图a ）。
若电极反应为O ＋e ⇔R ，反应前溶液中只含有反应粒子O ，且O 、R 在溶液均可溶，控制扫描起始电势从比体系标准平衡电势正得多的起始电势ϕi 处开始势作正向电扫描，电流响应曲线则如图b 所示。
当电极电势逐渐负移到ϕ平0附近时，O 开始在电极上还原，并有法拉第电流通过。
由于电势越来越负，电极表面反应物O 的浓度逐渐下降，因此向电极表面的流量和电流就增加。
当O 的表面浓度下降到近于零，电流也增加到最大值Ipc ，然后电流逐渐下降。
当电势达到ϕr 后，又改为反向扫描。
随着电极电势逐渐变正，电极附近可氧化的R 粒子的浓度较大，在电势接近并通过ϕ平0时，表面上的电化学平衡应当向着越来越有利于生成R的方向发展。
于是R开始被氧化，并且电流增大到峰值氧化电流Ipa，随后又由于R的显著消耗而引起电流衰降。
整个曲线称为“循环伏安曲线”。
三、仪器药品：电化学工作站一台玻碳工作电极一根Ag/AgCl参比电极一根铂丝电极一根高纯氮气Nafion 117溶液浓硫酸甲醇乙醇四、实验步骤：1. 取制备好的催化剂材料3.8mg分散到1mL乙醇中超声30min。
2. 取催化剂材料的乙醇分散液30μL滴涂到玻碳工作电极表面，静置15min干燥后，再其表面滴涂Nafion117溶液10μL，静置15min干燥，待用。
直接甲醇燃料电池多孔电极两相渗流模拟实验研究的开题报告
直接甲醇燃料电池多孔电极两相渗流模拟实验研究的开题报告一、研究背景与意义直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种以甲醇为燃料，氧气为氧化剂，在不需要外部氢气供应的条件下，直接将化学能转化为电能的可再生能源电池。
DMFC具有省去氢气储存输送系统和发电机组的优点，具有体积小、重量轻、输出稳定等优势，因此被广泛应用于便携式电子设备、微型传感器和无线传感网络等领域。
多孔电极是DMFC中最重要的部件之一，其直接影响到DMFC的性能。
目前主流的多孔电极包括炭黑电极、碳纤维电极和金属电极等。
炭黑电极因其比表面积高、导电性好等特点被广泛应用，但其孔径分布不均匀、孔径过大会导致质子扩散阻力增加等问题也受到了研究者的关注。
为了更好地了解和优化DMFC的性能，需要对多孔电极中的两相（甲醇和水）渗流过程进行模拟研究。
本研究旨在利用计算流体力学模拟方法，研究DMFC多孔电极中两相渗流过程，对DMFC性能的提升具有重要意义。
二、研究内容与方法（一）研究内容本研究主要针对DMFC多孔电极中两相渗流过程进行数值模拟，主要研究内容包括以下几个方面：1.建立多孔电极两相渗流的数学模型，分析两相流动规律以及相互作用关系。
2.选择合适的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模方法，如多相流模型、体积平均法等，对多孔电极中两相渗流过程进行模拟仿真，探究不同孔径、孔隙率等参数对两相渗流行为的影响。
3.利用计算流体力学仿真结果，分析多孔电极中两相渗流过程对DMFC性能的影响机制，提出优化策略。
（二）研究方法本研究的方法主要包括以下几个方面：1.数学模型建立：构建多孔电极两相渗流的数学模型，建立对流-扩散方程、动量守恒方程、质量守恒方程等相关方程。
2.计算流体力学模拟：采用CFD软件（如Fluent、COMSOL等）进行模拟，选择合适的模型和网格模型。
3.模拟结果分析：对CFD仿真结果进行后处理和分析，获取多孔电极中两相渗流过程的特点、不同参数对其影响等信息。
直接甲醇燃料电池的研究
直接甲醇燃料电池的研究直接甲醇燃料电池是一种在当前能源危机和环境问题日益凸显的背景下备受关注的新型燃料电池技术。
该技术以其高能量密度、低排放、高效转化率等优点，被广泛认为是未来清洁能源和可再生能源发展的重要方向之一。
近年来，直接甲醇燃料电池的研究备受瞩目，吸引了众多科研人员和机构的关注和投入。
本文旨在分析直接甲醇燃料电池的研究现状、存在的问题及未来的发展方向，为相关领域的学者和决策者提供一定的参考和启示。
直接甲醇燃料电池的研究始于上世纪70年代，经过多年的发展，逐渐取得了一系列重要进展。
作为一种将甲醇氧化为二氧化碳和水的高效能源转换技术，直接甲醇燃料电池在能源利用效率、环境友好性等方面具有显著优势。
然而，与传统燃料电池相比，直接甲醇燃料电池在动力性能、稳定性、经济性等方面仍存在一些挑战和问题，亟待进一步深入研究和探索。
近年来，直接甲醇燃料电池的研究重点主要集中在材料的设计与合成、催化剂的开发与改进、电解质的优化与稳定性提升等方面。
在催化剂方面，高效的贵金属合金催化剂的设计与合成成为研究热点，其能够提高甲醇的氧化反应速率、降低起始氧化电压等，从而提高燃料电池的性能。
此外，针对直接甲醇燃料电池在低温下活性不足的问题，研究人员还通过调控催化剂晶体结构、表面活性位点等方法，提高了电催化效率，取得了一些令人振奋的成果。
电解质是直接甲醇燃料电池中一个至关重要的组成部分，直接影响着电池的导电性、稳定性等性能。
为了提高电解质的离子传导性和化学稳定性，研究人员不断探索新型电解质材料，如聚合物电解质、功能化固体氧化物等，并通过优化电解质结构、界面工程等手段，改善了电解质在直接甲醇燃料电池中的应用性能。
除了催化剂和电解质的研究外，直接甲醇燃料电池的研究还涉及到了电极材料、氧化还原反应机理、传质过程等多个方面。
近年来，纳米技术、表面工程、计算模拟等新兴技术手段的应用为直接甲醇燃料电池的研究带来了新的思路和突破口，为电池性能的提升提供了新的途径和可能性。
直接甲醇燃料电池技术
直接甲醇燃料电池技术郑州大学化学化工学院(450052) 张建民 杨长春 石秋芝 董金峰【摘要】介绍了直接甲醇燃料电池(DMFC)的基本原理,评述了DM FC技术的研究现状。
从产业化角度考虑,DM FC的研究应集中在新型高效催化剂和不渗透甲醇质子交换膜的开发两个问题上。
关键词 直接甲醇燃料电池 电催化剂 质子交换膜 甲醇电氧化 燃料电池(Fuel Cell,简称FC)是一种将化学能转化为电能的电化学发电装置。
由于它不受卡诺循环限制,不排放或极少排放污染物,所以是一种高效、清洁的新型能源。
燃料电池按电解质的不同可分为碱性氢氧燃料电池(AFC)、质子交换膜型燃料电池(PEMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(M CFC)及高温固体氧化物燃料电池(SOFC)等。
这些燃料电池通常需要纯氢、天然气、净化煤气或重整气等气体燃料,因此一般需要复杂的燃料重整或精制等附属设备,而且气体燃料的供应与储存也存在不安全因素。
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell, DM FC),顾名思义,可直接用甲醇作原料,无须中间重整或转化装置,因此具有体积小,重量轻,系统结构简单,燃料来源丰富,价格低廉,储存携带方便等优点,是目前各国政府优先发展的高新技术之一。
本文通过对DM FC基本原理的介绍和该技术研究现状的综述,提出了要使直接甲醇燃料电池走向实用化,需要解决的两个关键问题。
基本原理 直接甲醇燃料电池(DM FC)由两个电极及夹在其中间的质子导电膜构成[1]。
电极通常为多孔电极,由背层、扩散层和催化剂层3部分组成,主要材料是碳支撑的贵金属。
DMFC中的电解质采用特殊离子交换膜,是一种选择性质子导体,它既能保持离子电荷平衡,又能防止甲醇及其他物质渗漏到另一电极区域。
将甲醇和水混合物送至DMFC的多孔阳极区域,甲醇直接电催化氧化生成二氧化碳,并释放出质子和电子:CH3OH+H2O→CO2↑+6H++6e-(1)在阴极上氧气被还原生成水:3/2O2+6e-+6H+→3H2O(2)电池的总反应是:7.阴生毅.通过化学镀实现陶瓷与金属的低温大气钎焊.新技术新工艺,2000(3)8.班春燕等.含复合络合剂的化学镀N i-P合金工艺.表面技术,1999(3):9～119.孙榆芳等.络合剂种类对化学镀Ni-P镀层阳极极化特性的影响.表面技术,1997(4):11～13Research on Pertreatment T echnicof Chemical N ickel-Phosphate PlatingShanghai Light Industry Machinery Co,LT D. Guo HaixiangShanghai Refrigerating M achine Factory Yao ZhipingAbstract The function and influene of pretreatment technic of chemical nickel-phosphate plating are analysed and described systematacially in this paper.Key words Chemical nickel-phosphate plating,pretreatm ent of plating,sort of plating solution,constituent of platng solution责任编辑 袁扬 ・36・《新技术新工艺》・化工与表面处理 2000年 第11期CH3OH+3/2O2→CO2↑+H2O(3)根据热力学原理,常温下直接甲醇燃料电池的理论效率〔 =(- G)/(- H)〕等于96.7%,电动势为1.214V。
实验五 直接甲醇燃料电池
实验五直接甲醇燃料电池一、实验目的1.掌握燃料电池的基本构造。
2.通过模型演示，了解燃料电池的工作原理。
二、实验原理本实验采用一个简易的模型装置（图1），用一个燃料电池与一个功率很小的风扇连接，燃料电池采用的是直接甲醇燃料电池。
直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）属于质子交换膜燃料电池（PEMFC）中之一类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。
相较于质子交换膜燃料电池（PEMFC），直接甲醇燃料电池（DMFC）具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。
图1 模型装置示意图直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。
甲醇在阳极转换成二氧化碳，质子和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应，电子通过外电路到达阴极。
在碱性条件下：正极：3O2 + 12e– + 6H20 → 12OH–负极：2CH4O- 12e– + 12OH-→ 2CO2 + 10H2O总反应式：2CH4O + 3O2 = 2CO2 + 4H2O在酸性条件下：正极：3O2 + 12e– + 12H+→ 6H2O负极：2CH4O -12e– + 2H2O → 12H+ + 2CO2总反应式：2CH4O + 3O2 = 2CO2 + 4H2O这种电池的期望工作温度为120℃以下，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。
直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。
甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢然后再与氧反应。
三、实验过程（1）连接好简易模型的线路，保证线路连接完整。
（2）配置3%的甲醇溶液。
（3）将配好的3%的甲醇溶液加入燃料电池一端，注满。
观察现象。
四、实验结果分析通过本次实验对燃料电池的基本原理有了更深一步更形象的直观了解。
直接甲醇燃料电池运行参数和甲醇渗透研究
直接甲醇燃料电池运行参数和甲醇渗透研究甲醇浓度过高是造成直接甲醇燃料电池发生甲醇渗透的主要原因，其中文献[1]指出在95℃下的甲醇极限浓度为2.5mol/L，超过之后容易发生甲醇渗透。
文献[2]给出的甲醇燃料电池工作条件为甲醇浓度0.5~2.5mol/L，甲醇流量0.5~5mL/min，温度40℃。
文献[3]的电池运行参数条件为甲醇浓度2mol/L，电池温度80℃，甲醇流量17mL/min，氧气流量30mL/min，最大功率17mW/cm2。
文献[4]的运行条件为甲醇浓度0.5~1mol/L，温度80~100℃，甲醇流量1~2mL/min，阳极压力为0.1MPa，阴极空气压力为0.2MPa。
文献[5]研究的最佳工作条件为甲醇浓度2mol/L，阴极气体压力为0.5MPa，阳极压力为0.2~0.3MPa，阴极气体使用空气和氧气时分别能达到功率110mW/cm2和160mW/cm2，工作温度在95~100℃。
文献[6]运行条件为甲醇浓度2mol/L，电池温度80℃，甲醇流量3mL/min，氧气压力为0.1MPa，最大功率46mW/cm2。
文献[7]的电池运行条件为1mol/L甲醇，温度60℃，甲醇流量2.5mL/min，氧气流量100mL/min，氧气压力为0.1MPa。
文献[8]运行条件为1mol/L甲醇，电池温度80℃，功率0.2mW/cm2, 在113℃时能达到184mW/cm2。
文献[9]运行条件为1mol/L甲醇，电池温度100℃，氧气压力为0.1~0.2MPa。
文献[10]运行条件为0.5~2mol/L甲醇，电池温度90℃，甲醇流量0.83mL/min，氧气流量1.36mL/min，氧气压力为0.2MPa。
文献[11] 确定了在55℃下的工艺参数为：甲醇浓度1.5 mol/L，甲醇流量为1.5mL /min，氧气压力在0.3MPa，氧气流量在800 mL/min。
文献[12,13]研究的工艺参数为：电池温度80℃，甲醇浓度1mol/L，甲醇流量为40mL /min，氧气压力在0.1 MPa，氧气流量在1000 mL/min。
直接甲醇燃料电池Pt／C催化剂对甲醇的电催化氧化研究
中 图分 类 号 ： Ｍ９ １４ Ｔ １． 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ７４ （０ ８Ｏ —０４ —０ １０ — ５ ５２ ０ ）４ ０ １ ３
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直接甲醇燃料电池的制备及性能研究
直接甲醇燃料电池的制备及性能研究直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种利用甲醇直接进行电化学反应产生电能的装置。
它具有高能量密度、低温操作和零排放的优势，被广泛应用于移动电源和便携式设备。
本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的制备方法以及对其性能的研究。
一、DMFC的制备方法1. 膜电极组装直接甲醇燃料电池的关键组成部分是膜电极组件（membrane electrode assembly，MEA），它由阳极、阴极和质子交换膜组成。
首先，通过喷涂法或浸渍法在阴极和阳极上分别涂覆铂催化剂，然后将质子交换膜放置在两个电极之间，形成MEA。
2. 电池板组装电池板由多个MEA叠加而成，每个MEA之间夹有集流板，并通过导电材料连接起来。
电池板的制备过程需要考虑MEA的紧密贴合以及电池板的导电性，常用的组装方法包括热压法和喷墨印刷法。
3. 氧化剂供应系统直接甲醇燃料电池需要供应氧化剂作为电极的还原剂。
传统的方法是通过外部供氧，但这种方式会限制DMFC的便携性。
因此，研究人员提出了自供氧系统，如氧气还原剂的制备和固态氧化剂的使用。
二、DMFC的性能研究1. 催化剂的选择和改性催化剂对DMFC的性能至关重要。
铂是常用的催化剂，但其昂贵和稳定性不足成为了限制因素。
因此，研究人员致力于寻找替代催化剂或改性铂催化剂，如镍、钼等过渡金属，以提高催化效率和降低成本。
2. 质子交换膜的改性质子交换膜对DMFC的质子传输和物质穿透起着重要作用。
传统的质子交换膜如聚氟乙烯（PEM）存在着溶剂渗透和耐久性不足的问题。
因此，改性质子交换膜的研究成为了重要的方向，如聚苯醚、聚苯硫醚等材料的引入。
3. 浓度极化与动力学特性DMFC中的某些因素，如甲醇浓度、温度、电流密度等，都会对电池的性能产生影响。
浓度极化是DMFC中的主要性能损失机制之一，其产生原因包括甲醇溶液的扩散限制和甲醇的氧化反应动力学等。
自呼吸式直接甲醇燃料电池的研究
自呼吸式直接甲醇燃料电池的研究林才顺,张红飞,王淑燕,王新东(北京科技大学物理化学系,北京100083)摘要:研制了自呼吸式直接甲醇燃料电池(DMFC )测试装置,阴极和阳极采用石墨板,其流场结构为镂空槽道,阳极板带有小型的甲醇溶液储池。
试验表明,甲醇最佳浓度为115mol/L ,阴极Pt 载量能显著影响电池功率密度,电池性能随着Nafion 溶液含量和电池运行温度的上升而迅速提高,其中电池运行温度对电池性能的影响最大。
在阳极催化剂的用量为4157mg/cm 2、阴极催化剂用量为2118mg/cm 2、甲醇溶液浓度为115mol/L 、电池运行温度45℃和常压时,采用空气自呼吸和甲醇溶液自扩散方式,电池的峰值功率密度达到12172mW/cm 2。
关键词:直接甲醇燃料电池;自呼吸式;电池性能中图分类号:TF911142 文献标识码:A 文章编号:1007-7545(2007)04-0036-03Experimental Study on Air Breathing DMFCL IN Cai 2shun ,ZHAN G Hong 2fei ,WAN G Shu 2yan ,WAN G Xin 2dong(Depart ment of Physical Chemistry ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China )Abstract :A passive and air breat hing direct 2met hanol f uel cell (DM FC )was installed 1U sing grap hite plates ,t he anode and cat hode plates were prepared which flow field configuration was st raight and parallel flow field and it s groove was hollowed 1A met hanol cavity was manufact ured in t he anode plates 1The re 2sult s show t hat t he best met hanol concent ration was 115mol/L ,Pt loading of cat hod can significantly effect power density ,and t he cell performance was increasing when t he temperat ure of cell operating and content of Nafion were increased 1The temperat ure of cell operating is t he most impacting factor 1The peak power density can reach 12172mW/cm 2under t he following conditions :4157mg/cm 2Pt 2Ru catalyst in t he anode ,2118mg/cm 2Pt catalyst in t he cat hode ,115mol/L met hanol solution and ambient air 1K eyw ords :Direct 2met hanol f uel cell (DM FC );Air 2breat hing ;Cell performance基金项目:教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET -04-0103)作者简介:林才顺(1973-),男,湖南桂阳人,博士研究生 直接甲醇燃料电池由于具有低运行温度、比能量密度高、甲醇液体作燃料、不需重整装置而使电池结构简单、安全性好等特点而在便携式电子设备中拥有广阔的应用前景[1-5]。
直接甲醇燃料电池的研究与应用
直接甲醇燃料电池的研究与应用随着全球能源危机的不断加剧，可持续、清洁、高效的新能源逐渐成为全球各国争相开发的研究方向。
而直接甲醇燃料电池（DMFC）作为一种绿色能源技术应运而生，被认为是一种很有前途的新型能源技术，受到了越来越多人的关注。
DMFC电池是一种基于液态甲醇和空气的电化学系统，可以将甲醇的化学能直接转化为电能。
相比传统燃料电池，DMFC电池具有简单、低成本、小型化、无排放、高能量密度等优点。
此外，甲醇是一种广泛存在的可再生能源，在资源丰富的情况下可以轻松获取，因此DMFC电池也被认为是一种高效、绿色的能源转换技术。
DMFC电池的核心是阳极和阴极，它们分别以甲醇和空气为氧化剂，实现了电化学反应。
在阳极处，甲醇被氧化为二氧化碳和水，同时产生电子；在阴极处，氧气与电子结合生成水。
这些化学反应产生的电能可以直接用于各种设备和装置，比如移动电话、笔记本电脑、电动汽车、智能手表等。
尽管DMFC电池具有诸多优点，但目前仍面临一些挑战，主要集中在以下几个方面：首先，DMFC电池的效率仍然相对较低。
由于甲醇的反应速率较慢，导致电池效率不高，需要更大的电极表面积才能获得较高的效率。
因此，如何提高反应速率和电极表面积是当前研究的重点。
其次，DMFC电池的寿命较短。
在长时间运行中，甲醇电池易受到甲醇的毒性影响，容易出现阻塞或磨损，导致电池的寿命大大降低。
因此，如何提高电池的耐用性，延长电池寿命，是一个非常重要的问题。
另外，DMFC电池还面临着产业化推广的问题。
尽管DMFC电池具有广阔的市场前景，但由于生产成本高、制造工艺复杂、实用化程度不高等因素，导致产业化难度较大。
为了解决这些问题，人们正在进行大量的DMFC电池研究。
一些新型材料、电极设计、反应条件优化等技术逐渐成熟，DMFC电池的效率、寿命和实用性都有了极大的提高。
如今，DMFC电池已经广泛应用于许多领域，比如交通运输、通讯、医疗、军事等。
以交通运输为例，DMFC电池作为一种新型驱动系统，已经得到广泛应用。
直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池（理学院，材料科学与工程系，材料科学与工程专业余志勇）（学号：2000143001）内容提要：制备了一只面积为3×3cm2的直接甲醇燃料电池，优化了有关制备工艺，测定了在不同放电电流、不同甲醇浓度和不同有机物作燃料时的放电性能。
结果发现，制备过程中电极干燥处理和MEA热复合时温度对电池的性能有至关重要的影响。
同时还发现，低电流放电时，提高甲醇浓度，工作电压下降；在以1mol/L甲醇溶液为燃料时，放电电流为50mA时，电池输出功率达到最大。
在室温低电流密度下，不同物质的水溶液作燃料时，工作电压存在下列次序：异丙醇>甲酸>甲醛>甲醇。
关键词：直接甲醇燃料电池；质子交换膜燃料电池；电催化剂教师点评：论文制备了一只小面积单体直接甲醇燃料电池，在室温下的工作性能很好，说明作者掌握了直接甲醇燃料电池制备过程中的几个关键点，对制备工艺有较好的理解。
对电池电学性能的分析也较深入合理。
论文条理清晰，结论可靠。
（点评教师：朱光明，副教授）第一章绪论1.1 燃料电池概述1.1.1 燃料电池历史、现状与未来燃料电池是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。
它以电化学反应的方式将燃料不经过燃烧直接由化学能转变为电能。
与一般电池不同，燃料电池所用的燃料和氧化剂并不是贮存在电池内，而是贮存在电池外。
在这一点上，它又与内燃机相似。
因此，燃料电池又被形象的称为“电化学发电机”[1]。
燃料电池具有能量转化效率高；环境污染少，无噪声，操作简便，建设周期短等优点。
其使用灵活性很大，既可大功率集中供电，也可以小功率分散或移动供电。
自本世纪60年代起，燃料电池引起了各国科学家的广泛注意[2]。
随着其本身技术的发展，以及近年来世界范围内的能源危机和环境污染等问题日益严重，燃料电池的研究受到普遍的关注。
美国、加拿大、德国、日本和俄罗斯等经济或科技大国已将燃料电池的开发列为国家发展的一个重要战略目标。
实验三甲醇在Pt、GC表面的电化学行为
电化学基础实验报告姓名学号实验日期一、实验目的（1）掌握循环伏安技术（2）甲醇燃料电池的电化学反应一、实验原理（1）甲醇燃料电池的电化学反应（－）CH 3OH+H 2O-6e →6H ++CO 2 （＋）O 2+4e+4H +→2H 2O总反应CHOH+3/2O 2→CO 2+2H 2O(2) DMFC （Direct Methanol Fuel Cells),即直接甲醇燃料电池。
直接甲醇燃料电池是直接利用甲醇水溶液作为燃料,氧或空气作为氧化剂的 一种燃料电池。
虽然甲醇电化学活性与氢氧燃料电池比起来相对较低, 但它具有结构简单、 燃料补充方便、体积和质量比能量密度高、红外信号弱等特点。
因而在手机、 笔记本电脑、摄像机等小型民用电和军事上的单兵携带电源等方面具有极大 竞争优势。
如图1，DMFC 单元是由甲醇阳极、氧阴极和质子交换膜构成。
其中催化层是电化学反应发生的场所，扩散层起到支撑催化层、收集电流及传导反应物作用。
使用铂电极时，实验表明,甲醇的电氧化过程与溶液酸碱性和甲醇的浓度有着密切的关系; 不同的介质中,甲醇电催化氧化活性的顺序为: 酸性>中性>碱性;在浓度为10M 甲醇氧化的CV 曲线上,首次观测到甲醇氧化在负向电位扫描中出现两个氧化峰;并指出甲醇电催化氧化是通过解离吸附产物和反应中间体双途径机理进行的.【1】图2为铂黑电极吸附氢的CV 曲线，由左到右为氢区、双层区、氧区。
氢在铂电极上的反应可分三步：a.氢扩散b.电荷转移c.产物离开电极表面，由于三步速率都很快，氢区峰峰对称程度很高。
由图可知，铂电极上至少存在三种吸附形式的氢：过电位沉积氢（OPD ），强吸附氢(H s )、弱吸附氢（H w ），后两种属于欠电位沉积（UPD ），也有说H s 和H w 之间的小峰属于潜表面H 。
【2】1引用《不同介质中甲醇在 Pt 电极上氧化特征》 2引用《氢吸附在铂电极上的量子化学研究》(3) 循环伏安法基本原理根据研究体系的性质，选择电位扫描范围和扫描速率，从选定的起始电位开始扫描后，研究电极的电位按指定的方向和速率随时间线性变化，完成所确定的电位扫描范围到达终点电位后，会自动以相同的扫描速率返回到起始电位。
直接甲醇燃料电池实验报告
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：姓名：张薇指导教师：陈蓉动力工程学院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、工作安静可靠等显着优点，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，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：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-，E0=0.046 V （1）电池阴极发生的是氧气的还原反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O，E0=1.229 V （2）总反应式为：CH3OH+3/2O2→CO2+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。
微型直接甲醇燃料电池
保证燃料电池正常运行；
三、可以提高燃料和氧化剂的利用率； 四、保证流场板的有效利用面积。
(2） 质子交换膜
质子交换膜是由多孔性的固态高分子构成的，是一种选择透 过性膜，具有很好的热稳定性、化学稳定性、高机械强度、高质 子传导率。目前质子交换膜多采用全氟磺酸高分子膜，主要功能 传导离子和分隔两侧电极分开，防止燃料和氧化剂直接发生反应。 当孔内含有水分子时，具有离子传导性，因此膜中必须保持适当 的含水量，以避免膜产生局部脱水，从而降低离子传导性。 （3）催化层 催化层介于质子交换膜和扩散层之间，是电化学反应发生的 场所。阳极通常采用铂（Pt）作为催化剂，用来增加甲醇反应的 活性，加入钌（Ru）是为了防止一氧化碳中毒，便于将铂催化 剂氧化甲醇所产生的一氧化碳，再进行氧化成二氧化碳。在阴极 通常只用铂作为催化剂。因为Pt和Ru属于贵重金属，为了减少催 化剂的使用量同时增加反应面积，采用贵金属粉末与碳粉混合， 将其涂布于碳布或质子交换膜上。 （4）扩散层 扩散层为多孔性结构，通常以碳布（carbon cloth）或碳纸 （carbon paper）构成。在该层提供反应物并且以扩散的方式传 质到催化层，其主要功能是提供阳极侧反应时的电子的输出通道。
4. μDMFC的发展现状
目前μDMFC研究工作正处于从基础研究向产业化过渡的阶段，一些 高科技公司已经推出了代表当今世界最高技术水平的μDMFC样机或产品。 最具有代表性的公司是MTI、索尼和东芝三家公司的产品。
a MTI样机
b 索尼样机 图7 μDMFC样机
c 东芝样机
株式会社エムティーアイ ，英文名简称同样为MTI，在日本有移动梦工厂的美誉。
μDMFC的原理及结构
1.原理 直接甲醇燃料电池——简称DMFC（Direct Methanol Fuel Cell）。它 是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省 去了氢的生产与存储。原理如下图所示，电极反应方程式如下：
燃料电池之直接甲醇燃料电池
Pt基复合催化剂
阴极催化剂
也称为过渡金 属原子簇化合 物，20世纪80 过渡金属大环化合物催化剂 年代中期发现 的，对氧还原 具有良好的电 Chevrel相催化剂 催化活性和耐 甲醇性
过渡金属硫化物催化剂 过渡金属羰基化合物催化剂 其他类型催化剂
研究过的有MoxRuySz, RhxRuySz,RexRuySz等。 Pt基复合催化剂 其中碳载MRu5S5(M为 Rh或Re)对氧还原的电催 化活性最好，并且对甲醇 过渡金属大环化合物催化剂 没有电催化活性
阳极 催化剂
非金属催化剂
考虑到Pt催化剂的种种不足，人们开始用含 氧丰富的高导电性和高催化活性的ABO3型金属氧 化物为甲醇氧化的阳极催化剂。A位上的金属有 Sr、Ce、Pb、La, B位上的金属有Co、Pt、Pd、 Ru等。 也有采用复合型的，就是A和B位均采用 两种不同的金属。这类催化剂的优点是对甲醇氧 化有较高的电催化活性，而且不发生中毒的现象。
燃料电池
LOGO
直接醇类燃料电池 Direct Alcohol Fuel Cell，DAFC
中南大学冶金科学与工程学院 中南大学冶金科学与工程学院
5.5直接醇类燃料电池
直接醇类燃料电池（DAFC)与PEMFC相近，只
是不用氢作燃料，而是直接用醇类和其他有机分子作 燃料。直接醇类燃料电池就是将有机小分子醇类和氧 气的化学能转化为电能的一种能量转化装置。 而以前的研究工作大都是针对用甲醇直接作燃料 的直接甲醇燃料电池(DMFC)的。
Pt基复合催化剂
三元合金
过渡金属大环化合物催化剂 阴极催化剂 Chevrel相催化剂 过渡金属硫化物催化剂 过渡金属羰基化合物催化剂 其他类型催化剂
Pt基复合催化剂
过度金属的络 合物
绿色化学评估之直接甲醇燃料电池
绿色化学评估系所专业指导老师研究姓名学号直接甲醇燃料电池燃料电池是21世纪首选的“绿色”发电方式,直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell,DMFC)是目前继质子交换膜燃料电池(PEMFC)之后,商业化最好的燃料电池。
它是将甲醇和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。
DMFC除了具有一般燃料电池的优点外,同时还具有室温快速启动、可靠性高、燃料补充方便、体积和质量比能量密度高、红外信号弱、装置轻便机动性强等特点,是一种极有发展前途的清洁能源用功率源,在手机电源等微型移动电源和千瓦级的工业用可移动电源及电动车方面有广泛的应用前景,是燃料电池未来发展的重要方向。
从技术层面上讲, DMFC的研究开发目前依然面临着以下挑战:即①常温下燃料甲醇的电催化氧化速率较慢;②贵金属电催化剂易被CO类中间产物毒化;③在长期使用过程中,甲醇易渗透过质子交换膜到达阴极,使得阴极电催化剂对氧还原性降低、电池性能下降。
目前,解决上述问题的方法一是需要开发高活性抗CO 中毒的阳极电催化剂;二是需要开发新的质子交换膜,有效地减少甲醇的渗透。
随着将直接甲醇燃料电池组应用到便携式产品进程的加快,这就要求DMFC在室温和常压下使用,对电催化剂的性能提出更高的要求。
目前,DMFC所用的电催化剂均以铂为主催化剂成分,因为只有铂才具有足够的电催化活性(对于两个电极反应均具有电催化活性)以及在强酸性化学环境中良好的耐腐蚀性能使得它可长期工作。
但是铂的价格较为昂贵,且资源溃乏,使得DMFC的成本居高不下,限制了其大规模的应用。
当前在DMFC催化剂方面研究的重点主要集中于:(1)提高铂的有效利用率,降低其用量;(2)改善其性能衰退问题；(3)寻找新的价格较低的非贵金属催化剂。
1：燃料电池燃料电池(FuelCell)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装置。
燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。
直接甲醇燃料电池性能研究
直接甲醇燃料电池性能研究甲醇是一种常见的有机物，常被用作溶剂和清洗剂。
除此之外，它还可以作为一种燃料，用于驱动发电机或是燃料电池。
直接甲醇燃料电池是利用甲醇直接反应产生电能的一种特殊燃料电池。
在燃料电池中，甲醇在反应过程中会被氧化成二氧化碳和电子，进而形成电流。
这种燃料电池的优点在于甲醇相对易得，同时也比较容易储存和运输。
燃料电池中的甲醇在反应过程中需要经过电化学反应来产生电流。
这种电化学反应需要掌握一些技能和知识。
首先，燃料电池中的电极必须是优质的。
电极选择不当或质量差劣都会影响燃料电池的发电效率。
其次，反应的速率、产物的选择和功率等指标都需要经过实验探究进行研究。
这些都是燃料电池的核心技术。
在直接甲醇燃料电池中，燃料的性能是非常重要的。
甲醇的物化性质会影响燃料电池的效率和稳定性。
燃料的性能包括甲醇的浓度和纯度，以及甲醇分子中的氢和甲基基团的比例等。
甲醇浓度的变化会引起电流的大小和电池输出电压的波动。
此外，燃料电池研究中还要考虑甲醇的纯度问题，因为杂质会影响燃料电池的质量和性能。
最近，国内外都有很多关于直接甲醇燃料电池性能的研究。
其中最重要的一些工作是研究直接甲醇燃料电池的反应动力学。
利用甲醇燃料电池实验平台，可以分析出甲醇在电极表面上的反应规律。
这些规律能够帮助我们制定新的燃料电池方案，提高其效率和稳定性。
此外，研究人员还探索了不同材料和结构对直接甲醇燃料电池性能的影响。
目前，在直接甲醇燃料电池研究领域已经涌现出许多新的成果。
一些研究表明，改进直接甲醇燃料电池的石墨零件、贵金属电极和电解质可以提高燃料电池的输出功率和效率。
此外，利用新型的容器设计方法以及提高催化剂的催化能力还能提高电池的效率，使其更适用于实际应用。
最近国内的一些研究人员利用新型的协同氧化还原催化剂设计了一种高效的直接甲醇燃料电池，并在实验室中展示了其功能。
该燃料电池利用甲醇改变表面电位，使电化学反应的速率得到提高，进而可以实现更高效的燃烧和电力转换。
燃料电池综合特性实验报告
燃料电池综合特性实验【实验背景】燃料电池以氢和氧为燃料，通过电化学反应直接产生电力，能量转换效率高于燃烧燃料的热机。
燃料电池的反应生成物为水，对环境无污染，单位体积氢的储能密度远高于现有的其它电池。
因此它的应用从最早的宇航等特殊领域，到现在人们积极研究将其应用到电动汽车，手机电池等日常生活的各个方面，各国都投入巨资进行研发。
按燃料电池使用的电解质或燃料类型，可将现在和近期可行的燃料电池分为碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池，磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池6种主要类型，本实验研究其中的质子交换膜燃料电池。
能源为人类社会发展提供动力，长期依赖矿物能源使我们面临环境污染之害，资源枯竭之困。
为了人类社会的持续健康发展，各国都致力于研究开发新型能源。
未来的能源系统中，太阳能将作为主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然气，而燃料电池将成为取代汽油，柴油和化学电池的清洁能源。
【摘要】燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池(PEM)以其高功率密度、高能量转换效率、可低温启动、环境友好等突出优点而受到瞩目。
本实验包含太阳能电池发电（光能—电能转换），电解水制取氢气（电能—氢能转换），燃料电池发电（氢能—电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换，储存，使用的链条。
本实验通过研究燃料电池的工作原理，测量其输出特性，计算燃料电池的最大输出功率及效率并验证法拉第电解定律。
测量太阳能电池的特性，做出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。
获取太阳能电池的开路电压，短路电流，最大输出功率等。
【关键词】燃料电池，电解池，太阳能电池【正文】一、实验目的：1、了解燃料电池的工作原理。
2、观察仪器的能量转换过程：光能→太阳能电池→电能→电解池→氢能（能量储存）→燃料电池→电能3、测量燃料电池输出特性，做出所测燃料电池的伏安特性（极化）曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。
计算燃料电池的最大输出功率及效率。
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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：
姓名：张薇
指导教师：陈蓉
动力工程学院
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、工作安静可靠等显着优点，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，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：
CH
3OH+H
2
O→CO
2
+6H++6e-，E0=0.046 V （1）
电池阴极发生的是氧气的还原反应：
3/2O
2+6H++6e-→3H
2
O，E0=1.229 V （2）
总反应式为：
CH
3OH+3/2O
2
→CO
2
+2H
2
O，△ 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）
Ω）
5000 0.44 0.000088 3.872*10-5
3000 0.3882 0.0001294 5.023*10-5
1000 0.2939 0.0002939 8.638*10-5
800 0.2671 0.00033388 8.918*10-5
600 0.2315 0.00038583 8.932*10-5
400 0.1878 0.0004695 8.817*10-5
200 0.1274 0.000637 8.115*10-5
100 0.075 0.00075 5.625*10-5
75 0.0575 0.00076667 4.408*10-5
50 0.0392 0.000784 3.073*10-5
40 0.0316 0.00079 2.496*10-5 30 0.0236 0.000786667 1.857*10-5 20 0.016 0.0008 1.280*10-5 10 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 ）
Ω） 5000 0.3949 0.00007898 3.1119*10-5 3000 0.358 0.00011933 4.272*10-5 1000 0.26 0.00026 6.760*10-5 800 0.2436 0.0003045 7.418*10-5 600 0.2157 0.000406 8.757*10-5 400 0.1808 0.00053925 9.750*10-5 200 0.1277 0.0006385 8.654*10-5 100 0.082 0.00082 6.724*10-5 75 0.0662 0.00088267 5.843*10-5 50 0.0475 0.00095 4.513*10-5 40 0.0389 0.0009725 3.783*10-5 30 0.0299 0.00099667 2.980*10-5 20 0.0206 0.00103 2.122*10-5 10
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
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） 图c:电阻-功率图（横坐标为电阻，单位：欧；综坐标为功率，单位：510 瓦）
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。
实验名称： 学 号：
姓 名：
考核成绩：
综合评语：
教师签名：
年月日。