質(zhì)子交換膜甲醇滲透的循環(huán)伏安研究

第35卷第6期Vol 35. No 62005年12月BATTERY BIMONTHLYDee.,2005質(zhì)子交換膜甲醇滲透的循環(huán)伏安研究黃紅良,李偉善,吳穎民,陳紅雨(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東廣州510631)摘要:研究了硫酸溶液中不同濃度甲醇的循環(huán)伏安行為。結果表明:甲醇氧化峰的峰電流與其濃度有著(zhù)很好的線(xiàn)性關(guān)系因此可以用循環(huán)伏安法來(lái)定量地測定硫酸溶液中甲醇的濃度。用自制的電解池測試 Nafion1膜的甲醇滲透率,鮚果表明:經(jīng)過(guò)5h滲透后, Nafion117膜的甲醇滲透率為3.952×10-7cm2/s關(guān)鍵詞:質(zhì)子交換膜;甲醇滲透;燃料電池中圖分類(lèi)號:TM911.42文獻標識碼:A文章編號:1001-1579(2005)06-0453-02Cv study on methanol permeation of proton exchange membraneHUANG Hong-liang, LI Wei-shan, WU Ying-min, CHEN Hong-yuSchool of Chemistry and Environment, South China Nor mal Universily, Guangzhou, Guangdong 510631, ChinaAbstract: CV behavior of different concentrations methanol in H, SO4 solution was studied The results showed that methanol oxidated peak currents had a good linear relation with methanol concentration. Therefore, CV method could be applied to measurequantitatively the concentration of the methanol in H2S04 solution. An electrolytic cell was designed to test the methanol penetra-ility of Nafion 117 proton exchange membrane. The results showed that the methanol penetrability of Nafion 117 membrane was3.952x10-'cm2/s after penetrating 5h.Key words: proton exchange membrane; methanol permeation; fuel cell直接甲醇燃料電池的實(shí)用化受幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題限制,其中之H2SO4溶液中,煮沸45min,用二次蒸餾水沖洗干凈后,放人二一是甲醇通過(guò)質(zhì)子交換膜的滲透嚴重1-2。甲醇滲透降低了次蒸餾水中浸泡15min,最后儲存在二次蒸餾水中,備用。燃料的利用率,而且滲透的甲醇在陰極放電,產(chǎn)生混合電位,降電解池是由兩個(gè)獨立的電解槽組成,中間用 Nafion117膜低了陰極催化劑的使用效率使電池輸出的功率也大幅度降隔開(kāi),電解槽的大小為4cmx4cmx4cm,中間孔的大小為低3cm×2cm,兩邊用螺絲固定,以防漏液(見(jiàn)圖1)。目前測定甲醇的滲透一般是用儀器測定陰極氣體的成分,根據氣體成分中的碳元素的含量來(lái)計算甲醇的滲透率{4。本1文作者設計出一種簡(jiǎn)便的電解池,采用循環(huán)伏安法評估質(zhì)子交換膜的甲醇滲透性能S1實(shí)驗1.1質(zhì)子交換膜的預處理及電解池的設計質(zhì)子交換膜為 Nafion17膜,由 DuPont公司提供圖1電解池Fg.1 Electrolytic cell膜的預處理:將 Nafion17膜放入3%H2O2中,煮沸工作電極和參比電極分別放在1和2處;對電極放在5處;45min,冷卻后,用二次蒸餾水沖洗干凈;然后放入1mo/L3和6是N2進(jìn)口;4和7是N2出口。左邊溶液是40ml作者簡(jiǎn)介:中國煤化工黃紅良(1981-),男,湖北人,華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院碩士生,研李偉善(1962-),男,廣東人,華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院教授,研究THCNMHG吳穎民(1950-),男,廣東人,華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院副教授,研究方向:電化學(xué);陳紅雨(1966-),男,湖南人,華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院教授,研究方向:電化學(xué)?；痦椖?科技部國際重點(diǎn)項目計劃(2005DFA60580),廣東省重大專(zhuān)項(2003A1100401,2005B50101003)池454BATTERY BIMONTHLY第35卷0.5moLH2SO4溶液;右邊溶液是40ml0.5mo/LH2SO4+2.2 Nationl7膜的甲醇滲透率1.0mo/LCH3OH混合溶液。工作電極為旋轉圓盤(pán)多晶Pt電圖4是 Nafion117膜在甲醇滲透不同時(shí)間內的循環(huán)伏安曲極有效面積為0196cm2;對電極是大面積的Pt電極;參比電線(xiàn)。在-0.6~0.5V電位范圍內進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,循環(huán)伏安極為Hg/Hg2SO4電極。曲線(xiàn)均取第5次循環(huán)。1.2循環(huán)伏安Pt電極的預處理:Pt電極使用前需放在酸中浸泡一段時(shí)間然后用二次蒸餾水沖洗干凈,放入0.5moLH2SO4溶液g0.8中在-0.6~09V電位范圍內進(jìn)行循環(huán)伏安掃描55h將處理好的鉑電極放入電解池,向電解液中通人5min的N2,然后在-0.6~0.5V電位范圍內進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。循環(huán)0.6-04-020.002伏安由 Autolab PGSTAT-30型電化學(xué)系統(荷蘭產(chǎn))完成。E/V(rs Rig/HgSO1)甲醇硫酸均為AR溶液用二次蒸餾水配制。圖4甲醇滲透不同時(shí)間的 Nafion117膜第5次循環(huán)伏安曲線(xiàn)Fig 4 5th CV curves of Nafion 117 membrane with different2結果與討論methanol permeation time2.1循環(huán)伏安從圖4可以看出,放有工作電極的一邊甲醇氧化峰的峰電圖2是Pt電極在05mo/LH2SO4溶液中不同濃度甲醇流隨著(zhù)時(shí)間的增加而增加,這說(shuō)明甲醇不斷地通過(guò)膜向工作電的循環(huán)伏安曲線(xiàn)。極這一邊滲透。峰電位也隨著(zhù)時(shí)間的增加而向正方向移動(dòng),這點(diǎn)與圖2一致。通過(guò)圖3的直線(xiàn)方程,以正掃甲醇氧化峰的峰電流計算出不同滲透時(shí)間甲醇的濃度,列于表1。濃度對時(shí)1510.5moMs間作圖,由直線(xiàn)斜率得出C/t的值,通過(guò)Cv/(At)=D△C/△X(V=40ml;A=6cm2;△X=210μm),可算出甲醇滲透率。經(jīng)過(guò)5h滲透,Naon117膜的甲醇滲透率達到3952×10-7cm2/s表1不同滲透時(shí)間Naon117膜中甲醇的濃度06-04-020.0E/V(es. HgTable 1 Methanol concentrations of Nafion 117 membrane withdifferent permeation time圖2Pt電極在不同濃度甲醇溶液中的第5次循環(huán)伏安曲線(xiàn)時(shí)間/h時(shí)間/hFig2 5th CV curves of Pt electrode in different concentration0.046methanol solutions實(shí)驗在N2氛圍中進(jìn)行,在-0.6~0.5V電位范圍內進(jìn)行循環(huán)伏安掃描循環(huán)伏安均取第5次循環(huán)。-0.6~-0.4V為氫吸脫附電位區間。因為甲醇的存在,氫在P1電極上的吸脫附3結論電流被部分抑制,從而觀(guān)察不到明顯的吸脫附峰。圖2中的循循環(huán)伏安法可以定量地測定溶液中甲醇的濃度。環(huán)伏安曲線(xiàn),正掃和反掃都出現了一個(gè)明顯的氧化峰,它們都b.通過(guò)自行設計的電解池測定了質(zhì)子交換膜的甲醇滲透是甲醇的氧化峰,正掃的氧化峰要比反掃的氧化峰高。率。經(jīng)過(guò)5h滲透, Nafion17質(zhì)子交換膜的甲醇滲透率為從圖2可以看出隨著(zhù)甲醇濃度的增加,兩個(gè)甲醇氧化峰的3.952×10-7cm2/s峰電流都隨著(zhù)增加峰電位也隨著(zhù)正移。從圖3可以看出,甲醛參考文獻氧化峰的峰電流與甲醇的濃度有著(zhù)很好的線(xiàn)性關(guān)系,因此可以[1 LI Wei-shan(李偉善, DU Jun-hua(都君華,LHmg(李紅),通過(guò)甲醇氧化峰的峰電流定量地測定溶液中甲醇的濃度。al.小分子燃料在Pv/H,MoO3電極上的催化氧化[]. BatteryBimonthly(電池),2002,32(3):165-167.Y=0.09525+2601537X[2] YI Bao-Fiar(衣寶廉).高效環(huán)境友好的發(fā)電方式-燃料電池[M].B20g(北京): Chemica Industry Prese(化學(xué)工業(yè)出版社),20007~99[3]S, Arico A S, et al. InternationalDMFC R&D: status of technologies and potential applications[J]Power Sources,2004,127(1-2):112-126.urement of methanol crossover0.000.02中國煤化工。20,2(2)151-15CNMHGmethanol fuel cells:determina圖3甲醇氧化峰的峰電流()與濃度(Ccoh)的關(guān)系ver in a polymer electrolyte membrane[J].J Electroanal Chem, 2003, 542: 109-115.Fig3 The relation of peak currents( Ip )and concentrations(CCH. OH)of methanol收稿日期: