试验一金属的腐蚀测量张裕祺.docx
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试验一金属的腐蚀测量张裕祺
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
1、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。
2、實驗原理
燃料電池（Fuelcell）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，但它們運作原理基本上大致相同，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。
（1）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（regenerativefuelcell，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）H2→2H++2e-Eocell=0V
（1）
陰極半反應（還原）1/2O2+2H++2e-→H2OEocell=1.23V
（2）
總電池反應H2（g）+1/2O2（g）→H2O（l）Eocell=1.23V（3）
（2）水的電解（對氫氧電池充電）：
水電解的過程中，電極的陽極部分發生氧化作用（放出氧氣），陰極部分則發生還原作用（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）2H2O（l）→O2（g）+4H+（aq）+4e-（4）
陰極半反應（還原）2H2O（l）+2e-→H2（g）+2OH-（aq）（5）
全反應式2H2O（l）→2H2（g）+O2（g）（6）
（3）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，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。
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3/2O2+6H++6e-→3H2O（8）
總電池反應CH3OH（l）+3/2O2（g）→CO2（g）+2H2O（l）Eocell=1.21V（9）
標準狀態下直接甲醇燃料電池的電動勢（electromotiveforce,emf）為1.21V，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。
3、
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
1
0.5M硫酸鈉
B.甲醇燃料電池
編號
名稱
1
1M硫酸
2
甲醇
3
氯鉑酸電解液
註:
氯鉑酸電解液為1g之H2PtCl6·6H2O溶於250ml之1MHCl
C.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
4
1.5V乾電池（電解用）
數個
5
塑膠滴管（收集氫氣、氧氣）
2支
6
50ml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支
B.甲醇燃料電池
編號
名稱
數量
1
碳棒
1支
2
鎳鉻線（Ni-Cr，20~25cm）
2條
3
電源供應器
1台
4
50ml燒杯
4個
5
6ml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
4、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表面活化。
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背面，碳棒則由正面穿入露出約1cm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.在樣品瓶內加入約60ml的電解質（本次實驗所用之電解質為：
0.5MNa2SO4）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Ni-Cr電極
取2條約25cm的Ni-Cr線，一端保留5cm長度做為連接電路之用，剩餘部分以3ml塑膠滴管為軸，繞成內徑約4mm的螺旋狀電極。
2.電清潔螺旋電極
以50ml燒杯裝取約50ml之1M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1M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200mA（0.2A），通電10秒鐘進行電解，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40ml之六氯鉑（IV）酸溶液於50ml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，以避免兩電極碰觸）並連接電源供應器的正極（紅端）。
開啟電源供應器，以約20mA（0.02A）電流強度，通電30分鐘以鍍鉑。
通電結束後，取出電極，浸泡於1M硫酸溶液50ml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，要注意避免刮損電極。
（2）組裝燃料電池
1.組裝電池
將2支6ml塑膠針筒，以小廣用夾固定於鐵架上，底端以矽膠管連接。
自其中一支慢慢加入12~15ml的1M硫酸溶液（注意，應避免產生氣泡），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加入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，滴加入約10滴（0.2ml）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=0min
V
t=1min
V
（2）電池放電
電器種類
白光LED燈
紅光LED燈
小飛機
信號強度
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）
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=0min
V
t=1min
V
（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？
請詳細說明。
3.以氧化還原的觀點，說明充電與放電在電極所產生化學反應相同及相異之處
4.在氫氧燃料電池的放電測試中使用了白光與紅光LED燈，試說明驅動白光與紅光LED燈何者所需能量較高，並詳細說明原因。
5.在直接甲醇燃料電池實驗中，為何需在鎳鉻線電極上鍍鉑？
請詳細說明原因。
6.在甲醇燃料電池之測試中，於電流輸出後數值逐漸下降直到穩定，於連接電表正極的針筒溶液中以塑膠滴管注入空氣，電流會再度產生。
試說明其原因，並提出改進方法。
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