试验一金属的腐蚀测量—张裕祺

1、實驗九 氫氧燃料電池的製備實驗十 直接甲醇燃料電池的製備與量測一、實驗目的1. 學習氧化還原反應、電解、充電、放電之原理。2. 學習燃料電池之製作及性能測定。3. 藉由製備不同燃料電池 ，探討電池之電壓、充電效果及持久性 。二、實驗原理燃料電池(Fuel cell)是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化 還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的電池。而最常見的燃料為 氫 ，一些碳氫化合物例如天然氣、醇、和甲烷等有時亦會作燃料使 用。燃料電池有別於原電池，因為需要穩定的氧和燃料來源，以確保 其運作供電。這種電池的優點是可以不間斷的提供穩定電力，直至燃 料耗盡。現今生活中存在多種燃料電池，但它們運作原

2、理根本上大致相 同，必定包含一個陽極，一個陰極以及讓電荷通過電池兩極的電解 質。電子由陽極傳至陰極產生直流電，形成完整的電路。各種燃料電 池是基於使用不同的電解質以及電池大小而分類的 ，因此電池種類變 得更多元化，用途亦更廣泛。由於以個體燃料電池計，單一顆電池只 能輸出相對較小的電壓，大約 0.7V ，所以燃料電池多以串連或一組 的方式製造，以增加電壓，配合應用需求。(一) 氫氧燃料電池以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑， 通過化合作用發電，此種燃料電池 又叫再生性氫氧燃料電池(regenerative fuel cel, RFC)。氫和氧化學反 應生成水蒸氣，不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳

3、等污染物質，排出物是無污染的水。氫氧燃料電池排放出非常清潔副產品，幾乎無污染且高效率。其設計原理是利用可自發的氧化還原反應之化學能轉換為電能 。陽極 進行氫氣氧化，產生的電子經外電路傳遞給陰極之氧氣，氧氣經還原 反應獲得電子形成氧離子，陽極所產生的質子經質子交換膜傳遞到陰 極與氧反應生成水如下圖。氫氧燃料電池示意圖陽極半反應氧化出 f 2H+ + 2e-EOcell = 0 V (1)陰極半反應還原1/2 02 + 2H+ + 2e- f H2O Eceii = 1.23 V (2)總電池反應H2(g)+ 1/2 02(g) f 哉0(1)Eoceii = 1.23 V 二水的電解對氫氧電池充

4、電：水電解的過程中，電極的陽極局部發生氧化作用放出氧氣，陰極局部則發生還原作用放出氫氣，兩極產生的氣體體積比為1:2。因為溶有電解質的水溶液具有導電的特性，可促進電解反應的進 行。其化學反應表示如下：陽極半反應氧化2出0(|)f O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e陰極半反應還原2H2O(1)+ 2e- f H2 (g) + 20H- (aq)(5)全反應式2H2O (l) f 2H2 (g) + 02 (g)(6)三直接甲醇燃料電池由於氫氣的儲存不易，因此針對攜帶式的電池目前發展以液體甲醇為 燃料，直接甲醇燃料電池是將甲醇燃料注入陽極酸性溶液中，在鉑觸 媒催化下氧化產生二氧化碳與質子

5、，質子移動至陰極，與氧氣在陰極 被還原成的氧離子生成水，反應式及示意圖如下。CH,OH+H;OCO,丿LayersDiffusion Layers直接甲醇燃料電池示意圖陽極半反應 CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e-7陰極半反應 3/202 + 6H+ + 6e- 3哉08總電池反應 CH30Hi+ 3/2O2g C02g+ 2哉01Ej 二 1.21 V 9 標準狀態下直接甲醇燃料電池的電動勢electromotive force, emf為 1.21 V,但由於甲醇可能氧化不完全而產生甲醛或甲酸，因此所得到 的電動勢較理論值為低。本實驗以鉑Pt為觸媒，稀硫酸水溶液為 電解

6、質，甲醇為陽極之燃料，溶解於溶液中的氧氣於陰極進行還原反 應，設計裝置一組直接甲醇燃料電池，探究並測試影響其效能的因素。三、實驗裝置A. 儀器設備1. 三用電表2. 分析天平3. 電源供應器B. 藥品A.氫氧燃料電池編號名稱10.5 M硫酸鈉B.甲醇燃料電池編號名稱11 M硫酸2甲醇3氯鉑酸電解液註：氯鉑酸電解液為1 g之H2PtCl6 6H2O溶於250 ml之1 M HCIC. 材料A.氫氧燃料電池編號名稱數量1碳棒2支2高溫瓦斯槍活化碳棒1支3熱熔膠槍固定碳棒電極1支41.5V乾電池電解用數個5塑膠滴管收集氫氣、氧氣2支650 ml樣品瓶電解槽1個7珍珠板1片8鱷魚夾、連接線1組9鐵夾1

7、支B.甲醇燃料電池編號名稱數量1碳棒1支2鎳路線Ni-Cr，2025 cm2條3電源供應器1台450ml燒杯4個56ml透明塑膠針筒2個6矽膠管1條7塑膠滴管數支8小廣用夾4支9鱷魚夾、連接線1組四、實驗步驟A.氫氧燃料電池1燃料電池實驗裝置的製作1. 碳棒電極之活化處理用鐵鉗夾住碳棒，將碳棒在高溫瓦斯噴槍之火焰上加熱至每 一部位皆達紅熱，將其插入冷水中使其急速冷卻。重複此步 驟約十次使碳棒外表活化。2. 電解管的製作電解管之功用在於收集電解水所產生之氫氣及氧氣。取兩支 塑膠滴管，以美工刀去掉頭尾部份。3. 電解槽的設計及製作取珍珠板裁切下樣品瓶的開口大小，量好兩隻電解管放置的 位置，在中間鑽

8、碳棒寬度的洞各鑽一個洞，直徑約為7mm 將先前製作的電解管，以熱溶膠黏在珍珠板反面，碳棒則由 正面穿入露出約1 cm的高度，同樣以熱熔膠固定。將製作好 之電解管瓶蓋與樣品瓶結合 ，即為簡易的燃料電池實驗裝置 。2水的電解充電1. 在樣品瓶內参加約 60ml 的電解質本次實驗所用之電解質 為：0.5M Na2SO4以熱熔膠黏緊珍珠板與樣品瓶，務必使電 解管內的空氣全移至電解管外。2. 以三用電錶先記錄充電前之起始電位差 ，拿鱷魚夾分別將電解 槽電極與電池正、負極連接，進行電解將氫氧燃料電池充 電，過程中每分鐘按開關斷開電源，馬上紀錄燃料電池電位 差，直到充電結束；注意斷開電源時間不可過長，以免消

9、耗燃 料電池的電量。3. 經過數秒鐘電解，兩電極開始出現氣泡，表示電解水進行中， 約莫 5 分鐘後，在兩支電解管中分別收集到氫氣與氧氣之體積 比為 2： 1，同時分別形成了氫電極及氧電極，拔掉電源終止 電解，即完成氫氧燃料電池之充電過程。3氫 氧燃料電池放電氫氧燃料電池之正極 氧電極 及負極氫電極 分別與 LED 燈、小飛機等電器之正極與負極相連接 即正極接正極，負極 接負極，此時即開始由氫氧燃料電池之正極氧電極收集 到的氧氣與及由負極 氫電極 收集到的氫氣化合成水，而產 生電流，此即為氫氧燃料電池的原理，觀察這些電器是否能正 常運作。B. 甲醇燃料電池1 製備鉑電極1. 製作 2 支螺旋狀

10、Ni-Cr 電極取2條約25cm的Ni-Cr線，一端保存5 cm長度做為連接電路之 用，剩餘局部以 3ml 塑膠滴管為軸，繞成內徑約 4 mm 的螺旋狀 電極。2. 電清潔螺旋電極以 50 ml 燒杯裝取約 50 ml 之 1 M 硫酸溶液作為電解液 。先檢查 並確定電源供應器的所有調控鈕均為歸零狀態並關閉電源，再以 鱷魚夾線連接電源供應器的正極紅端與螺旋電極；電源供應 器的負極黑端連接石墨電極棒，將兩者浸泡於 1 M 硫酸溶 液中注意，兩極需隔開勿碰觸 。 打開電源供應器開關，調整 電壓調控鈕VOLTAGE 及電流調控鈕 CURRENT,至電流 強度約200 mA 0.2 A,通電10秒鐘進

11、行電解，通電結束後， 關閉電源並以蒸餾水清潔電極。3. 電沉積鉑觸媒取約40 ml之六氯鉑IV酸溶液於50 ml燒杯中，將清潔好的2 支螺旋電極懸掛於杯內並連接到電源供應器的負極黑端 ；石 墨電極棒置於燒杯內的另一側燒杯內電解液可以免洗筷隔開， 以防止兩電極碰觸並連接電源供應器的正極紅端 。開啟電 源供應器，以約20 mA0.02 A電流強度，通電30分鐘以鍍 鉑。通電結束後，取出電極，浸泡於 1 M 硫酸溶液 50 ml 約 30 秒 以清潔電極。再以清水沖洗電極後，將電極儲存於裝有乾淨蒸餾 水的燒杯中，要注意防止刮損電極。2 組 裝燃料電池1. 組裝電池將 2支 6 ml 塑膠針筒，以小廣

12、用夾固定於鐵架上，底端以矽膠管 連接。自其中一支慢慢参加 1215 ml 的 1 M 硫酸溶液注意， 應防止產生氣泡，再將 2 支鍍鉑電極置於針筒內的溶液中，兩 電極頂端以鱷魚夾線分別與三用電表的正負極相連。2. 燃料電池測試 測量組裝完成但尚未参加甲醇燃料之電池電壓組裝完成的電池 會有一微小的電位差，因此會測得極小的電壓 。再於連接電表 負極黑端 的針筒中，滴参加約10滴0.2 ml甲醇，觀測 並記錄電壓的輸出會立刻產生 ，等待 1 分鐘，再於連接電表 正極紅端的針筒溶液中，以塑膠滴管注入空氣。注入完後， 記錄電壓值，每 1 分鐘記錄一次，直至產生 5 組穩定數據。3. 多組比較 待前一組紀

13、錄完成，於連接電表正極紅端的針筒溶液中，以 塑膠滴管注入空氣。注入完後，開始記錄電壓值，每 1 分鐘記錄 一次，直至產生 5組穩定數據。共需 2 組。五、注意事項A. 氫氧燃料電池1. 裝入電解質時，務必使電解管內的空氣全移至電解管外。2. 不可電解過度而收集過多氣體，會使電極無法與電解質接 觸，此時將無法放電。B. 甲醇燃料電池3. 實驗結束後，應將鍍鉑電極浸泡於乾淨的蒸餾水中收存。4. 未污染之六氯鉑 IV 酸電解液倒入指定回收瓶中 ，供下次再使 用。有污染的溶液則倒入重金屬廢液回收桶。5. 三用電表及電源供應器之調控鈕歸零並關閉開關，整理鱷魚 夾連接線。六、實驗數據A.氫氧燃料(1)電池

14、充電每分鐘按開關斷開電源紀錄燃料電池電位差，持續25分鐘時間電位差時間電位差t = 0 minVt = 1 minV(2)電池放電將燃料電池與不同電器連接觀察其是否能正常運作。(以照片佐證)電器種類白光LED燈紅光LED燈小飛機信號強度B.直接甲醇燃料電池未滴入甲醇之電壓V加完甲醇之電壓V(1)燃料電池測試擠入空氣後，以三用電錶紀錄電壓輸出，直到 5組穩定數據。時間電壓時間電壓t = 0 minVt = 1 minV(2)多組時間對電壓之影響作圖，並詳細說明原因七、問題與討論1. 試說明氫氧燃料電池之特性優、缺點 ，以及電解質在本實驗 中所扮演的角色？2. 在燃料電池實驗裝置的製作步驟中，為何碳棒須以高溫煅燒活 化？組裝燃料電池時，電解管內空氣為何須完全趕出？請詳細說