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[技术] 燃料电池的制作及研究

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发表于 2008-12-3 12:47:34 | 显示全部楼层

燃料电池的制作及研究

高中组:第四十届全国中小学科展第三名
  县 市:台北县

  校 名:三重高中

  作  者:李卓翰、蔡青霖

  刘国印  

  指导教师:彭立浩、锺晓兰

  

  一、研究动机

  偶然在NASA的网站上,得知在太空梭上是以燃料电池作为供应电能的装置,和课程中曾经提到有关燃料电池的内容,有许多互通之处,因此引起我们一探究竟的动机。燃料电池的特点是直接以一般燃料如氢气、甲醇等为原料,将原本燃料燃烧所要释放的化学能,不经过热能的形式,直接转换成电能。如此一来,大大的减少能量在转换过程中的损耗,而能有极佳的能量转换效率,同时没有不完全燃烧所带来的污染,乾淨又环保,符合新时代的需求。现在除了太空梭之上的应用以外,先进国家更已发展出汽车用的燃料电池,以取代传统的内燃机。燃料电池这样先进的供应电能装置,实在让人想亲眼目睹,不过很可惜,课本中对燃料电池只有大略叙述和简图说明,缺乏实际的照片让人一睹为快。同时又因为取材不易造价太高、体积过大不易携带等原因,不但在日常生活中无缘一见,连在课堂上,老师也无法拿出一个燃料电池来展示,实在令人失望。于是兴起製作一个简易的燃料电池作为展示模型的想法,以说明其构造原理及功能,增加大家对燃料电池的认识。

  二、研究目的

  1.寻找及製作适当的电极、盐桥材料,使燃料电池的运作更具效率。

  2.测试不同的电解溶液、酸硷度条件,使电池的输出功率足以驱动小型电器。

  3.製作实用的燃料电池模型,以说明能量的转换。

  

  三、研究设备、葯品及器材

  压克力板、压克力管、载玻片、样品瓶、滴管、电线、银胶、AB胶、氯彷、烧杯、吹风机、注射针筒、三用电表、玻璃纸、乙醇、MTMOS【注1】、浓盐酸、碳粉、镍粉、铂粉、铂片、Nafion 117【注2】

  【注1】MTMOS为Methyltrimethoxysilane 的缩写,是一种硅胶的单体,化学式为:CH3SI(OCH3)3,在酸中可聚合而成硅胶。

  【注2】Nafion 117 是美国杜邦(Du Pont)公司的商品名称,是一种氟烯磺酸的聚合物,其单体化学式为: 

  CF2 = CFOCF2CF(CF3) OCF2 CF2CF2SO3H由于分子结构中有磺酸根(-SO3-)存在,可以让氢离子在磺酸根之间传递,是一种氢离子交换膜,也可当作是固态的硫酸电解液。

  

  

  四、研究过程

  (一)由参考文献知道,金属铂可以催化氢气的氧化反应,所以首先我们选择以两片铂

  片连结导线,作为燃料电池的电极,并以0.01N稀硫酸溶液作为电解质,在两极分

  别通以氢气和氧气,让氢气和氧气在两极反应,装置如图一,所使用的铂片电极

  。我们以三用电表测量断路和不同欧姆值的电阻形成通路的电压与电流。

  (二)为了降低成本,我们改以碳棒黏附铂粉做电极。我们参考资料,首先碳棒表面涂

  上一层Nafion 117/铂粉溷合液,将铂粉固定于碳棒表面,接下来以银胶来黏着导

  线和电极,再用AB胶把黏着处覆盖,以防止铜线反应,如此製成了电极。黏胶将

  铂粉黏附在碳棒上,也一样可以取代铂片产生反应,而成本下降了许多,不过圆

  柱形的碳棒和气体的接触面积还是不够大。

  (三)为了增加和气泡的接触面积,改以平板玻璃片作为电 极的基材,在其上涂佈碳膜

  为导体,再黏附铂粉做电极(图二)。我们先将碳粉加入2.5毫升的乙醇和1毫升

  的MTMOS的溷合液中,加少许的HCl均匀溷合后,涂佈在适当大小的玻璃片的表面

  ,加热之使其固化形成碳膜。在碳膜表面铺上一层Nafion 117/Pt粉溷合液,以使

  碳膜表面黏附铂粉。接下来以银胶黏着导线和电极,再用AB胶把黏着处覆盖,以

  防止铜线反应。我们利用玻璃碳膜(MTMOS)-铂粉电极做了一系列电解质浓度、

  气体流速、极板面积对电压与电流影响的实验。

  (四)由于玻璃片难以加工变形,所以我们改以压克力为基材製作电极,压克力板可塑性高,容易切割或改变形状,容易加工。如同玻璃基材电极的製作方式,将玻璃改成压克力,却发现碳膜容易脱落,多方尝试之后,利用氯彷能溶解压克力的特性,先将导线以压克力胶黏于适当大小的压克力片上,并贴着压克力片裸露出一小段的铜线。将碳粉加入2.5 毫升的氯彷和一小块的压克力碎片(约0.1克)均匀溷合,涂佈在压克力片上并覆盖裸露出的铜线表面,在通风橱中静置,待氯彷蒸发便形成碳膜,如此产生的碳膜,在压克力板上黏着牢靠,同时直接以碳膜与导线连结形成通路,碳膜本身及和导线间的电阻更小。在铜线处再以压克力胶覆盖,以防止铜线反应。在碳膜表面铺上一层Nafion 117/Pt粉溷合液,以使碳膜表面黏附铂粉,如此製得以压克力为基材的电极(图三)。

  (五)由于镍也能催化氢气的反应,为了更进一步的降低成本,我们尝试以镍粉取代铂粉作为催化剂,以压克力为基材製作电极。除使用镍粉取代铂粉以外,其他步骤和过程(四)相同。但后来实际操作时发现阳极并非氢气氧化,而是镍本身参与反应氧化了,所以以镍粉并不适当。

  (六)为了增加电池的电压,我们试着使两极的电解液有不同的酸硷度。

  (七)因为两极的电解液有不同的酸硷度,因此需将溶液两端以盐桥隔开。我们分别以U型管、洋菜冻和玻

  璃纸製作盐桥比较燃料电池的效能。三种盐桥的製作如下:

  1.U型管盐桥的製作是将配製好饱和的硝酸钾水溶液中加入洋菜粉(5克/250毫升),并加热之,趁热倒入U型管中冷却而得。

  2.洋菜冻则是于饱和的硝酸钾溶液中加入洋菜粉(5克/250毫升),并加热使洋菜完全溶解,(溶液中并可加入少量酸硷指示剂),再倒入模型中冷却製得,使用前或使用完的盐桥可再放入饱和的硝酸钾溶液中保存。

  3.玻璃纸的使用则是先将两片压克力板锯成同样大小的框,分别抹上一层凡士林,再夹住玻璃纸,最后固定在cell的正中央。经过比较之后,选择取用最为方便的玻璃纸作为盐桥。

  (八)展示用燃料电池的製作:我们以压克力为材料,设计并製造出展示用的燃料电池,并用以驱动一个小闹钟。

  五、研究结果与讨论

  (一)在两极的反应中,阳极(电池的负极)半反应为:

  阴极(电池的正极)半反应为:

  而全反应的标准电压应为1.229伏特。实际上,电池的电压经过我们几次以三用电表测量的结果,断路电压为0.88伏特左右,再以不同欧姆值的电阻形成通路,测定其电压和电流,作电压与电流关係图(图四)。断路电压和标准电压有明显的差距,除了电池的内阻和浓度的因素以外,由于气体在电极上的反应,需要电极与气体和电解液等固、液、气三相同时接触才能进行,所以同时能反应的分子非常有限,极易产生极化现象造成电压下降。在不同的电阻形成的通路的测定结果,也可以发现这个现象。电池的功率和电压太小,不足以驱动电器,同时铂片相当昂贵,若要串连则成本太高,所以我们朝着改进电池、降低成本的方向着手。

  

  (二)由于前述的电池以铂片为电极,而铂片非常昂贵,为了降低成本我们改以平面的玻璃碳膜为电极,重新测定各项电压与电流,图五则为其电流与电压的关係图。由图五则可以发现,没有昂贵的铂片时,断路电压也可以达到0.94伏特左右,不过还是只能在三用电表上看到数值,无法驱动小电器。

  

  (三)要提高电池的功率,必须让参与反应的分子数增加,这可由增加气体流速、电解质浓度、增加极板的面积、改变电极、改善盐桥等方面着手。

  (四)改变不同的气体流速作实验,并作气体流速与电压和电流的关係图(图六与图七)。结果显示流速越大,电池的效能也越高,但是这样的趋势并不明显,换言之,气体的流速已经远超过反应的速度了。

  

  

  (五)以不同电解质(硫酸)浓度作实验测电压与电流,并作电解质浓度与电压和电流的关係图(图八与图九)。结果发现电解值浓度越大,电流也越大,电压未必见的如此。

  

  

  (六)改变电极面积测量其电流,并作面积大小与电流大小的关係图(图十)。电极面积越大,可以产生的电流也越大。

  

  (七)不同的电极在相同的条件下反应,其电压与电流的结果列于表一。由表中结果可知,压克力碳膜电极单位面积功率最好,同时压克力容易加工,因此我们展示用燃料电池的电极,选择压克力碳膜电极。

  表一 电极种类对电压、电流、电功率的影响

  温度20

  流速140ml/min

  流速100ml/min

  电解质0.02N   电阻:1 k此 盐桥:玻璃纸 



 楼主| 发表于 2008-12-3 12:58:51 | 显示全部楼层

電極種類

電壓(V)

電流(mA)

功率(mW)

單位面積功率(mW/cm2)

鉑片

0.582

0.57

0.3317

 0.03685

碳棒

0.163

0.17

0.0277

0.00042

玻璃碳膜
(單片單面)

0.543

0.54

0.2932

0.01563

玻璃碳膜
(雙片雙面)

0.624

0.62

0.3869

0.00515

壓克力碳膜(單片單面)

0.711

0.71

0.5048

0.03739


  盐桥种类对电压、电流的影响的资料列于表二。在两极之间的盐桥部分,原本是使用U型管,但是效果不佳,所以改以含有饱和硝酸钾溶液的洋菜冻和玻璃纸作为盐桥。以洋菜冻作盐桥,电流有明显的增加,但是洋菜冻製作不方便,也容易破损。以玻璃纸作盐桥,电流增加更明显,而且玻璃纸相较于洋菜冻就容易取得的多,所以最后我们选择玻璃纸做盐桥。

  表二  盐桥种类对电流的影响

  温度20  

  流速140ml/min

  

  流速100ml/min 电解质0.02N

鹽橋種類

 電流(mA)

一個U型管

 0.774

兩個U型管

0.95

一個洋菜凍

1.30

兩個洋菜凍

 2.07

玻璃紙

3.47



 表三 阴极电解质溶液的酸性大小对电压的影响

  阳极:H2流速140ml/min

  阴极:O2流速100ml/min

  20   0.01N NaOH

  

陰極電解質
[H2SO4](N)

 V

0.001

1.407

0.01

1.425

0.02

1.450

0.05

1.486

0.1

1.460

0.2

1.450

  (八)为了增加电池的电压,我们改变两极的酸硷度。在阳极半反应式中

  ,氢气氧化成氢离子,根据勒沙特列原理,若在硷性环境,氢离子低,可以提高反应向右的倾向,提高电压。相对的,阴极若在酸性环境中,也将有利于反应向右进行,提高电压。根据涅斯特方程式(Nernst equation),溶液两端氢离子浓度相差  倍(pH值相差1),则电位可以增加0.059伏特。若两端pH值差10,则电压可增加约0.6伏特,如此一来,电压就接近一般乾电池了。固定阳极电解液 pH值为12,改变阴极的酸性大小,并测量断路电压的结果列于表三。由结果可知,将燃料电池的电压提高到1.4伏特左右,可使小闹钟驱动,但为提高其实用及美观性,仍需进一步改进电池装置。

  (九)电池装置的改进:

  ◎电极的製作

  我们把极板交错的排列,使气体能在其间迂迴的行进,并能充分的反应,减少气体的浪费;两侧并以另外的压克力板夹住固定,方便抽换。(图十一)

  ◎盐桥的製作

  在盐桥的选取上,我们有想到以洋菜冻来代替U型管中的棉花和液体,在使用和保存上较方便。后来乾脆把U型管捨去,直接把洋菜冻架在隔板上,使通透的表面积增大了不少。但是洋菜需另外泡在饱和KNO3中,不能永久地保存,所以增加了设计的困难,最后决定利用玻璃纸来取代洋菜。如此一来,可以减少盐桥所佔的体积,使容器的设计变的更为简单及实用,而且以玻璃纸做盐桥,也有较好的效果。

  ◎Cell的製作

  1. 首先我们先用硅胶和AB胶来黏压克力,结果发现容易漏水,且不美观,所以利用氯彷来黏着,压克力板间较能密合而不漏水。

  2.在气体的出口的设计上,我们先考虑针头的密封设计,能使气体通过而使气体不致太大,也能使容器裡的水不致回流到电解液中。后来改用细压克力管,在压克力管上鑽几个小洞,使气泡变的比较小,效率提升许多,若将小孔改成泡棉也有相同的效果。

  ◎电池装置

  在经过不断的测试,我们以效率最佳的电池装置,通氧气的半电池电解液为pH=1.5的硫酸溶液,通氢气为pH=12以下的氢氧化钠溶液,最后得到断路电压为1.414伏特,已达到一个小型乾电池的标准。实际测试的结果,足以驱动一个小闹钟走动并响铃。(图十二)

  

  图十二 燃料电池的装置图

  (十)展示用的燃料电池模型的设计:

  为了提高展示效果,我们将透明的燃料电池模型,连接上水电解装置(图十三)。以电解水所产生的氢气和氧气,反应产生电流,同时也能使小闹钟走动并响铃。另外,我们以同一个电池装置,下端设计水的电解电极,上方则装置了燃料电池的压克力碳膜-铂粉电极,将水电解装置和燃料电池相结合,做成了小型而方便展示的模型(图十四)。利用下端电解水产生的氢气与氧气,使上方的压克力碳膜-铂粉电极产生电流。使用时先电解数分钟,让电池中产生一些氢气与氧气的细小气泡,然后停止电解。所产生的气体就能使会让上端的电极产生电流了。实际测试的结果,短短几分钟的电解,便足足使小闹钟走上两个半小时呢。(图十五)

  

  图十三 燃料电池模型连接水电解装置图

  

  图十四 展示电池模型

  

  图十五 燃料电池驱动小闹钟

  六、结论

  我们以压克力为基板,在其上涂佈了碳膜,再铺以少量的铂粉,成功的催化了两极的氧化还原反应,并使燃料电池产生了约0.9伏特的电压,不但大大的降低了成本,也方便加工,而且效果比直接使用铂片更好。更进一步,我们将电极两端的pH值差增加,更使电压达到了约1.4伏特,以一小片的电极便可驱动小闹钟。

  另外,我们製作了一个透明的燃料电池模型,并连接水电解装置,利用电解水所产生的氢气和氧气反应,也可以使电压达到1.4伏特,不但能用以说明燃料电池的构造,更能实际操作,使一个小闹钟铃声大作!相信在做燃料电池展示时,必能让人印象深刻。

  七、参考资料

  1.Walt Pyle, Alan Spivak, Reynaldo Corez, Jim Healy,"Making electric with hydrogen",Home Power #35,6/7, 1993

  2.郁仁贻,「实用理论电化学」,徐氏基金会,1993

  3.高级中学化学第二册第八章,国立编译馆,1995

  4.王忠茂、洪瑞和,「燃料电池参考资料」,1999

  5.Fuel Cells 2000  http://216.51.18.233/fcbenefi.html

  评语

  本研究旨在自行研製燃料电池并探讨燃料电池内部结构组成对燃料电池输出电压及电流之影响,本研究相当富有创作力及良好科学态度,以高中生来言,能自行研製高技术的燃料电池值得鼓励。



发表于 2015-12-13 19:03:53 | 显示全部楼层
路过的帮顶
发表于 2015-12-28 17:01:11 来自手机 | 显示全部楼层
如果要提高B格的话可以说燃料电池不受卡诺循环的限制。
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