質(zhì)子交換膜甲醇滲透的循環(huán)伏安研究

第35卷.第6期電池Vol.35, No.62005年12月BATTERY BIMONTHLYDec. ,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Nafion117膜的甲醇滲透率,結果表明:經(jīng)過(guò)5 h滲透后,Nafion117膜的甲醇滲透率為3.952x 10-7 cm/so .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 Hongyu( School of Chemistry and Envionment，South China Nor mal Universily, Cuangzhou ，Cuangdong 510631, China)Abstract: CV behavior of diferent concentrations methanol in H2SO4 solution was studied. The reuls showed that methanol oxi-dated peak currents had a good linear relation with methanol concentration. Therefore, CV method could be applied to measurequantitatively the concentration of the methanol in H2SO4 solution. An electrolytic cell was designed to test the methanol penetra-bility of Nafion 117 proton exchange membrane. The results showed that the methanol penetrability of Nafion 117 membrane was3.952 x 10-7 cm2/s after penetraing 5 h. .Key words: proton exchange membrane;methanol permeaion; 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45 min,用二次蒸餾水沖洗干凈后,放人二- -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15 min,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Nafon117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4 cmx4 cmx4 cm,中間孔的大小為低[3]。3 cm x2 cm,兩邊用螺絲固定,以防漏液(見(jiàn)圖1)。目前測定甲醇的滲透- -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.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[5]。1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Nafion117膜,由DuPont公司提供。圖1電解池 Fig.1 Elctrolytic cell膜的預處理:將Nafion117 膜放人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;45 min,冷卻后,用二次蒸餾水沖洗干凈;然后放入1 mol/L 3和6是 N2進(jìn)口;4和7是N2出口。左邊溶液是40 ml作者簡(jiǎn)介: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,研究方向:電化學(xué);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,研究方向:電化學(xué);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)電池454BATTERY BIMONTHLY第35卷.0.5 moVL HSO,溶液;右邊溶液是40 ml 0.5 molVL H2SO4 +2.2 Nafion117 膜的甲醇滲透率1.0 moVL CH,OH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0. 196 ecm2 ;對電極是大面積的Pt電極;參比電線(xiàn)。在-0.6~0.5 V電位范圍內進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,循環(huán)伏安極為Hg/HgSO.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)1.6-22h千1.233h間,然后用二次蒸餾水沖洗干凈,放入0.5 moVL H2SO4 溶液9 0.855h中,在-0.6~ 0.9 v電位范圍內進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。.4-將處理好的鉑電極放人電解池,向電解液中通人5 min的-0.4N2,然后在-0.6~ 0.5 V電位范圍內進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。循環(huán)-0.6-04-0.20.00.20.40.6伏安由Autolab PCSTAT-30型電化學(xué)系統(荷蘭產(chǎn))完成。E/V(x.Hg / HgzSO,)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.45th CV curves of Nafion117 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0.5 mol/L H2SO4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- -邊滲透。峰電位也隨著(zhù)時(shí)間的增加而向正方向移動(dòng),這一點(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3.0]1 0.01 molL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)2.020.02 mol/L間作圖,由直線(xiàn)斜率得出C/t的值,通過(guò)CV/( AI)= DOC/OX.5 0.5 mol/L HSO,4 0.07 mol/L0]5 0.10 molL(V = 40 ml;A =6 cm2;OX = 210 um),可算出甲醇滲透率。經(jīng)過(guò)5 h滲透, Nafion117膜的甲醇滲透率達到3.952x 10-7 cm?/so-0.5表1不同滲透時(shí)間 Nafion117膜中甲醇的濃度-0.6 -0.4-0.20.0 0.2 0.4 0.Table 1 Methanol concentrations of Nafion 117 membrane withE/ V(vx.Hg/ HgSO)different 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/hCan,on/mol+L-1Canyon/mol.L-1Fig.2 5th CV curves of Pt electrode in different concentration0.0230.046methanol solutions0.0380.052實(shí)驗在N2氛圍中進(jìn)行,在-0.6~0.5 V電位范圍內進(jìn)行0.041循環(huán)伏安掃描,循環(huán)伏安均取第5次循環(huán)。-0.6~ -0.4 V為氫吸脫附電位區間。因為甲醇的存在,氫在Pt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a.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)5 h滲透, Nafion117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 x 10~7 em2/so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 Wi-shan(李偉善), DU Jun-hua(都君華), LI Hong(李紅),e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PUH, MoO3電極上的催化氧化[J]. 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