质子交换膜甲醇渗透的循环伏安研究

第35卷第6期Vol 35. No 62005年12月BATTERY BIMONTHLYDee.,2005质子交换膜甲醇渗透的循环伏安研究黄红良,李伟善,吴颖民,陈红雨(华南师范大学化学与环境学院,广东广州510631)摘要:研究了硫酸溶液中不同浓度甲醇的循环伏安行为。结果表明:甲醇氧化峰的峰电流与其浓度有着很好的线性关系因此可以用循环伏安法来定量地测定硫酸溶液中甲醇的浓度。用自制的电解池测试 Nafion1膜的甲醇渗透率,鲒果表明:经过5h渗透后, Nafion117膜的甲醇渗透率为3.952×10-7cm2/s关键词:质子交換膜;甲醇渗透;燃料电池中图分类号:TM911.42文献标识码:A文章编号: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直接甲醇燃料电池的实用化受几个技术问题限制,其中之H2SO4溶液中,煮沸45min,用二次蒸馏水冲洗干净后,放人二一是甲醇通过质子交换膜的渗透严重1-2。甲醇渗透降低了次蒸馏水中浸泡15min,最后储存在二次蒸馏水中,备用。燃料的利用率,而且渗透的甲醇在阴极放电,产生混合电位,降电解池是由两个独立的电解槽组成,中间用 Nafion117膜低了阴极催化剂的使用效率使电池输出的功率也大幅度降隔开,电解槽的大小为4cmx4cmx4cm,中间孔的大小为低3cm×2cm,两边用螺丝固定,以防漏液(见图1)。目前测定甲醇的渗透一般是用仪器测定阴极气体的成分,根据气体成分中的碳元素的含量来计算甲醇的渗透率{4。本1文作者设计出一种简便的电解池,采用循环伏安法评估质子交换膜的甲醇渗透性能S1实验1.1质子交换膜的预处理及电解池的设计质子交换膜为 Nafion17膜,由 DuPont公司提供图1电解池Fg.1 Electrolytic cell膜的预处理:将 Nafion17膜放入3%H2O2中,煮沸工作电极和参比电极分别放在1和2处;对电极放在5处;45min,冷却后,用二次蒸馏水冲洗干净;然后放入1mo/L3和6是N2进口;4和7是N2出口。左边溶液是40ml作者简介:中国煤化工黄红良(1981-),男,湖北人,华南师范大学化学与环境学院硕士生,研李伟善(1962-),男,广东人,华南师范大学化学与环境学院教授,研究THCNMHG吴颖民(1950-),男,广东人,华南师范大学化学与环境学院副教授,研究方向:电化学;陈红雨(1966-),男,湖南人,华南师范大学化学与环境学院教授,研究方向:电化学。基金项目:科技部国际重点项目计划(2005DFA60580),广东省重大专项(2003A1100401,2005B50101003)池454BATTERY BIMONTHLY第35卷0.5moLH2SO4溶液;右边溶液是40ml0.5mo/LH2SO4+2.2 Nationl7膜的甲醇渗透率1.0mo/LCH3OH混合溶液。工作电极为旋转圆盘多晶Pt电图4是 Nafion117膜在甲醇渗透不同时间内的循环伏安曲极有效面积为0196cm2;对电极是大面积的Pt电极;参比电线。在-0.6~0.5V电位范围内进行循环伏安扫描,循环伏安极为Hg/Hg2SO4电极。曲线均取第5次循环。1.2循环伏安Pt电极的预处理:Pt电极使用前需放在酸中浸泡一段时间然后用二次蒸馏水冲洗干净,放入0.5moLH2SO4溶液g0.8中在-0.6~09V电位范围内进行循环伏安扫描55h将处理好的铂电极放入电解池,向电解液中通人5min的N2,然后在-0.6~0.5V电位范围内进行循环伏安扫描。循环0.6-04-020.002伏安由 Autolab PGSTAT-30型电化学系统(荷兰产)完成。E/V(rs Rig/HgSO1)甲醇硫酸均为AR溶液用二次蒸馏水配制。图4甲醇渗透不同时间的 Nafion117膜第5次循环伏安曲线Fig 4 5th CV curves of Nafion 117 membrane with different2结果与讨论methanol permeation time2.1循环伏安从图4可以看出,放有工作电极的一边甲醇氧化峰的峰电图2是Pt电极在05mo/LH2SO4溶液中不同浓度甲醇流随着时间的增加而增加,这说明甲醇不断地通过膜向工作电的循环伏安曲线。极这一边渗透。峰电位也随着时间的增加而向正方向移动,这点与图2一致。通过图3的直线方程,以正扫甲醇氧化峰的峰电流计算出不同渗透时间甲醇的浓度,列于表1。浓度对时1510.5moMs间作图,由直线斜率得出C/t的值,通过Cv/(At)=D△C/△X(V=40ml;A=6cm2;△X=210μm),可算出甲醇渗透率。经过5h渗透,Naon117膜的甲醇渗透率达到3952×10-7cm2/s表1不同渗透时间Naon117膜中甲醇的浓度06-04-020.0E/V(es. HgTable 1 Methanol concentrations of Nafion 117 membrane withdifferent permeation time图2Pt电极在不同浓度甲醇溶液中的第5次循环伏安曲线时间/h时间/hFig2 5th CV curves of Pt electrode in different concentration0.046methanol solutions实验在N2氛围中进行,在-0.6~0.5V电位范围内进行循环伏安扫描循环伏安均取第5次循环。-0.6~-0.4V为氢吸脱附电位区间。因为甲醇的存在,氢在P1电极上的吸脱附3结论电流被部分抑制,从而观察不到明显的吸脱附峰。图2中的循循环伏安法可以定量地测定溶液中甲醇的浓度。环伏安曲线,正扫和反扫都出现了一个明显的氧化峰,它们都b.通过自行设计的电解池测定了质子交换膜的甲醇渗透是甲醇的氧化峰,正扫的氧化峰要比反扫的氧化峰高。率。经过5h渗透, Nafion17质子交换膜的甲醇渗透率为从图2可以看出随着甲醇浓度的增加,两个甲醇氧化峰的3.952×10-7cm2/s峰电流都随着增加峰电位也随着正移。从图3可以看出,甲醛参考文献氧化峰的峰电流与甲醇的浓度有着很好的线性关系,因此可以[1 LI Wei-shan(李伟善, DU Jun-hua(都君华,LHmg(李红),通过甲醇氧化峰的峰电流定量地测定溶液中甲醇的浓度。al.小分子燃料在Pv/H,MoO3电极上的催化氧化[]. BatteryBimonthly(电池),2002,32(3):165-167.Y=0.09525+2601537X[2] YI Bao-Fiar(衣宝廉).高效环境友好的发电方式-燃料电池[M].B20g(北京): Chemica Industry Prese(化学工业出版社),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中国煤化工。20,2(2)151-15CNMHGmethanol fuel cells:determina图3甲醇氧化峰的峰电流()与浓度(Ccoh)的关系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: