硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究
硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究
文章对于直接甲醇燃料电池（？滋DMFC）的双极板结构进行了设计并制作、测试。设计了两种电极板的结构：点型极板和蛇型极板流场结构，并且应用ANSYS进行了模拟。采用微机械加工技术在硅基上制作了不同的流场结构的微型直接甲醇燃料电池并且进行了测试。结果发现采用点型流场结构作为DMFC 的阴阳两极极板比蛇型流场结构能够有效提高甲醇传输性能，表现出较好的电池性能。通过测试发现点型和蛇型各自的最高电流密度可达13mA/cm-2和3.9mA/cm-2，而功率密度点型的要比蛇型的高一个数量级。
關键词：硅；微机械加工；ANSYS；？滋DMFC
前言
一直以来，不同种类燃料和结构的各种类型的燃料电池持续得到关注，其中微型直接甲醇燃料电池表现出来比较突出的特性，比如能量转化效率高、环境友好、可在室温下工作、结构简单以及较高的电流密度和功率密度[1]。它既可作为固定电站为边远地区的居民、哨所供电以及城市重要场所的备用电源，又可以作为移动电源应用于电动汽车、摩托车和自行车，还可以用于许多对电池性能要求很高的场合，如移动电话、航天器、军用通讯、导航系统等[2]。
极板结构是影响？滋DMFC性能至关重要的内容，它不仅为电池结构提供支撑，提供氧气与甲醇反应的场所，而且还要收集反应生成的电子，同时也要求产生的H2O和CO2能很快离开电池，从而始终保持流场畅通，不存在死区，所以合理的极板结构对？滋DMFC性能的影响是非常关键的[3，4]。MEMS加工技术对于硅基材料的极板制备提供了良好的制作方法，完全可以实现对于不同结构的极板结构的制备[5，6]。
1 结构设计与仿真
阴阳极板的流场结构对于微型直接甲醇燃料电池的性能影响是很重要的。流场包括沟道和支撑部分，流场用于物质的输运与传输，提供电化学反应的燃料；支撑部分为反应的质子交换膜MEA提供支撑。流场的设计需要综合考虑沟道燃料传输的特性确保提供足够反应燃料和MEA膜的支撑部分宽度。基于以上因素，文章设计了点型和蛇型两种流场结构，如图1所示。采用ANSYS模拟了两种流场结构的速度和压力分布，由结论可知，蛇型流场结构的极板上速度分布比点型流场的更均匀，但是点型流场的流速比蛇型的慢。点型流场的进出口压力差比蛇型流场的要小，所以点型的燃料运动速度比蛇型的速度要慢一些，这样甲醇燃料可以在极板沟道实现更有效的反应。也就是说极板结构的仿真结果点型优于蛇型。
2 极板制备
微型直接甲醇燃料电池概述
微型直接甲醇燃料电池概述 课题背景 在社会高速发展的今天，能源和人类社会的生存发展休戚相关，是经济发展进步的动力源泉，也是衡量一个国家的综合国力、科学发达程度以及人民生活水平的重要指标[1-2]。当前全球消耗的能源，主要以非可再生能源——煤、石油、天然气等为主，而各国的工业化的急速发展使得这些非可再生能源消耗的每况愈下，人类对这些能源的依附却有增无减[3-4]。与此同时，这些能源的消耗过程中排放物给生态环境带来了很大的负面影响，使环境污染问题成为日前全球性的问题[5],对人类生存环境的威胁日趋严重，更关系到未来人类社会的可持续发展与生存[6-8]。故亟需找到一种理想的能源资源或动力装置，来代替现有的能源资源[9]。“氢”能清洁、高效、可持续，是能源系统的重中之重[10]，而甲醇燃料电池是“氢”能技术的最佳代表之一，其研究开发受到世界各国的青睐，被认为是本世纪首选的清洁的、高效的发电装置[11-13]。尤其是微型甲醇燃料电池，它低污染、质量轻、体积小、容易操作、比能量密度高，更是成为了便携式电子装置的理想动力装置之一[14-15]。近些年MEMS技术的迅猛发展为微型甲醇燃料电池的制造及应用提供了新的实现方法。基于MEMS技术制造的微型甲醇燃料电池主要具有以下优势： （1）燃料电池结构可以简化[16]，体积和重量减小； （2）可制作复杂的微流场结构[17]，控制燃料流动，提高电池性能； （3）易批量生产，并成本降低； （4）安全性、可靠性更高[18]，更换燃料方便简易。 （5）可将微型燃料电池和传感器、电子器件等集成在芯片上，节省系统体积，使燃料电池的系统结构更简单[19-21]。 因此, 微型直接甲醇燃料电池的研发和生产，必成为电化学和能源科学研究与发展的一个备受关注热点和主要方向[22]。目前小型DMFC的研发的重点主要集中在燃料来源和降低成本，要想使μDMFC尽快实现商业化还需要大量细致的研究工作，如MEA新的制备工艺及结构优化技术，高效抗CO中毒的阳极催化剂、高质子电导率的阻醇质子交换膜的研制，DMFC电池组的封装及系统集成等。现在，DMFC单电池及电池组的样机已经问世，对于样机在实际应用中的工作状态、寿命及有效降低成本等方面已经成为微型DMFC研究中的新热点。微型DMFC的应用如图1-1所示。 图1-1 微型DMFC的应用 微型直接甲醇燃料电池概述 1.2.1国内外研究现状 近年来，世界各国对微型甲醇燃料电池的研发，都投入了大量的经费，很大程度上推动了微型直接甲醇燃料电池的发展。 Kah-YoungSong [23]等提出在阴极扩散层基底上引入微孔层，降低阴极扩散层基底的憎水
燃料电池的原理及发展
燃料电池原理与发展 燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。 近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 介绍一下熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述 1.1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点： (l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。 (2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。
燃料电池系统工厂设计规范
燃料电池系统工厂设计规范 1范围 本文件规定了燃料电池系统工厂设计的基本规定、总体规划、系统工艺、测试区、数字化工厂设计、车间供氢站、建筑结构、气体管路、暖通、给水排水、电气和消防与安全规范。 本规范适用于氢燃料质子交换膜燃料电池系统工厂的新建、改建、扩建工程设计，也适用于燃料电池系统研发、生产、测试的场所。 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T24548燃料电池电动汽车术语 GB/T37244质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气 GB3836.14爆炸性环境第14部分：场所分类爆炸性气体环境 GB3095环境空气质量标准 GB50016建筑设计防火规范（2018年版） GB50177氢气站设计规范 GB/T31139移动式加氢设施技术规范 GB/T14976流体输送用不锈钢无缝钢管 GB/T12771流体输送用不锈钢焊接钢管 GB50028城镇燃气设计规范 GB50516加氢站技术规范 GB50029压缩空气站设计规范 GB50316工业金属管道设计规范 GB4962氢气使用安全技术规程 GB7231工业管道的基本识别色、识别符号和安全标识 GB50019工业建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50058爆炸危险环境电力装置设计规范 GB50116火灾自动报警系统设计规范 GB50222建筑内部装修设计防火规范
GB51245工业建筑节能设计统一标准 GB50011建筑抗震设计规范 GB51022门式刚架轻型房屋钢结构技术规范 GB/T50476混凝土结构耐久性设计规范 GB50223建筑工程抗震设防分类标准 GB50010混凝土结构设计规范 GB50017钢结构设计标准 GB50153工程结构可靠性设计统一标准 GB50009建筑结构荷载规范 GB50974消防给水及消火栓系统技术规范 GB50193二氧化碳气体灭火系统设计规范 GB50370气体灭火系统设计规范 GB50140建筑灭火器配置设计规范 GB51309消防应急照明和疏散指示系统技术标准 GB25972气体灭火系统及部件 GB50981建筑机电工程抗震设计规范 GB50013室外给水设计标准 GB50014室外排水设计规范 GB50015建筑给排水设计标准 GB50054低压配电设计规范 GB50034建筑照明设计标准 氢燃料电池汽车安全指南（2019版） 3.术语 3.1 燃料电池系统fuel cell system 指氢燃料电池发动机，主要部件包括电堆、发动机控制系统、氢气供给系统、水热管理系统、空气供给系统等，在外接氢源及物料（空气、水）的条件下可以正常工作。 3.2 氢燃料fuel hydrogen 满足燃料电池系统正常工作的气态氢气燃料，品质符合现行《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》GB/T37244。
甲醇燃料电池
甲醇燃料电池 22．据报道，最近摩托罗拉（MOTOROLA）公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用1个月充电一次。假定放电过程中，甲醇完全氧化产生的CO2被充分吸收生成CO32－ （1）该电池反应的总离子方程式为___________________________________。（2）甲醇在____极发生反应（填正或负），电池在放电过程中溶液的pH将____（填降低或上升、不变）；若有16克甲醇蒸气被完全氧化,则转移的电子物质的量为________。 22．（1）2CH3OH+3O2+4OH－＝2CO32－+6H2O （2）负下降8mol 28．据报道，最近摩托罗拉（MOTOROLA）公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用1个月充电一次。假定放电过程中，甲醇完全氧化产生的CO2被充分吸收生成CO32－ （1）该电池反应的总离子方程式为______________________________________。（2）甲醇在____极发生反应（填正或负），电池在放电过程中溶液的pH将____（填降低或上升、不变）；若有16克甲醇蒸气被完全氧化，产生的电能电解足量的CuSO4溶液，（假设整个过程中能量利用率为80％），则将产生标准状况下的O2________升。 28．（1）2CH3OH+3O2+4OH－＝2CO32－+6H2O （2）负下降13.44 6．（广东省惠州市2006届高三第一次调研考试·9）2004年美国圣路易斯大学研制了一种新型的乙醇电池，它用磺酸类质子溶剂，在200o C左右时供电，乙醇电池比甲醇电池效率高出32倍且更安全。电池总反应为： C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O，电池示意如图，下列说法不正确 ．．．的是（）。 A．a极为电池的负极 B．电池工作时电流由b极沿导线经灯泡再到a极 C．电池正极的电极反应为：4H+ +O2+4e－=2H2O D．电池工作时，1mol乙醇被氧化时就有6mol电子转移 解析：根据反应C2H5OH+3O2==2CO2+3H2O，得到C2H5OH被氧化，所以a极为电池的负极；O2被还原，所以b极为电池的正极。电流由b极（正极）沿导线经灯
燃料电池原理及习题解答
燃料电池原理及习题解答 在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的。书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再写出燃料电池的正极反应式；第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。下面对书写燃料电池电极反应式“三步法”具体作一下解释。 1、燃料电池总反应方程式的书写 因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。 2、燃料电池正极反应式的书写 因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e-=2O2-。正极产生O2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。这是非常重要的一步。现将与电解质有关的五种情况归纳如下。 ⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸） 在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O。 ⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液） 在中性或碱性环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OH-。 ⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物） 在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在， O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。 ⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇） 该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。
直接甲醇燃料电池实验报告
研究生专业实验报告 实验项目名称：被动式直接甲醇燃料电池学号： 姓名：张薇 指导教师：陈蓉 动力工程学院
被动式直接甲醇燃料电池 一、实验目的 1、了解和掌握被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池（DMFC）的基本工作原理； 2、了解和掌握对燃料电池进行性能测试的基本方法； 3、了解和掌握燃料电池性能评价方法； 4、观察和认识影响燃料电池性能的主要因素。 二、实验意义 燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置，具有环境友好、效率高、工作安静可靠等显着优点，被誉为继核能之后新一代的能源装置。在众多燃料电池种类中，空气自呼吸式直接甲醇燃料电池（DMFC）因具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点，成为便携式设备最有前景的可替代电源，是电化学和能源科学领域的研究热点。本实验旨在对被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池进行实验研究，使同学们了解和掌握燃料电池测试的基本方法，加深对燃料电池基本工作原理的认识和理解。 三、实验原理 燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置。一个典型的直 接甲醇燃料电池的示意图如图1所示。 图1: 直接甲醇燃料电池的典型结构 从图1中可以看出，典型的直接甲醇燃料电池包括阳极扩散层、阴极扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层、质子交换膜、集流体等部件。在被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池中，电池阳极发生的是甲醇的氧化反应： CH 3OH+H 2 O→CO 2 +6H++6e-，E0=0.046 V （1） 电池阴极发生的是氧气的还原反应： 3/2O 2+6H++6e-→3H 2 O，E0=1.229 V （2） 总反应式为： CH 3OH+3/2O 2 →CO 2 +2H 2 O，△ E=1.183 V （3） 在被动式直接甲醇燃料电池阳极，甲醇水溶液扩散通过阳极扩散层到达阳极催化层，甲醇在阳极催化层被氧化，生成二氧化碳、氢离子和电子，如式（1）所示。氢离子通过质子交换膜迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极；在阴极侧，氧气通过暴露在空气中的阴极扩散层传输至阴极催化层，在电催化剂的作用下，氧气与从阳极迁移过来的质子以及从外电路到达的电子发生还原反应生成水，如式（2）所示。理论上直接甲醇燃料电池的开路电压能达到1.183 V，但实际上DMFC 的开路电压一般只有0.7 V左右，其主要原因是部分燃料（甲醇）在浓度差的作
直接甲醇燃料电池资料
直接甲醇燃料电池研究进展 摘要: 介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理、研究现状及最新进展, 认为直接甲醇燃料电池是目前较理想的燃料电池, 有广阔的发展前景。直接甲醇燃料电池(DMFC) 具有燃料易运输与存储、重量轻、体积小、结构简单、能量效率高等优点,以固体聚合物作为电解质的直接甲醇燃料电池是理想的车用动力电源,具有广阔的发展前景。 关键词:直接甲醇燃料电池;甲醇;渗透;膜;电催化剂 Performance study on direct methanol fuel cell Abstract: Working principle, current research situation and latest progress of direct methanol fuel cell are introduced .Fuel cell of this kind is regarded as a perfect one so far, with bright prospects to be expected. Direct methanol fuel cells (DMFC) had several advantages including ease transportation and storage of the fuel, reduced system weight, size and complexity, high energy efficiency. Polymer electrolyte membrane direct methanol fuel cells (PEMDMFC) were ideal power source for vehicles with bright prospects to be expected. . Key words: DMFC; methanol; crossover; membrane; electrocatalyst 0引言 由于汽车尾气污染越来越严重, 从而引起世界各国的关注。汽车尾气污染的根源在于汽车发动机使用的汽油。甲醇是一种易燃液体, 燃烧性良好, 辛烷值高,抗爆性能好。甲醇又是一种洁净燃料, 燃烧时无烟,燃烧速率快, 排气污染少。不管燃烧汽油还是燃烧甲醇作汽车的动力都需要使用内燃机, 因此其噪音污染及燃料燃烧不完全引起的排放物污染是不可避免的。使用电动汽车是解决汽车尾气污染的根本办法, 同时还可以减少内燃机造成的噪音污染。燃料电池有内燃机使用燃料重量轻, 补充燃料方便等优点, 无需充电, 它的最大优点在于可把燃料的化学能直接转变成电能, 其效率不受卡诺循环限制。直接甲醇燃料电池( Direct Methanol Fuel Cell,简称为DMFC) 无需将甲醇转变成氢源, 利用甲醇
(完整版)试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点
三、试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点 燃料电池按燃料电解质的类型来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类。 3.1 碱性燃料电池（AFC） 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 3.1.1原理 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。 负极反应：2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e- 正极反应：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。 3.1.2 特点 低温性能好，温度范围宽，并且可以在较宽温度范围内选择催化剂，但是才用的碱性电解质易受CO2的毒化作用因此必须要严格出去CO2，成本就偏高。 3.2 磷酸燃料电池（PAFC） 磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于
燃料电池的基本工作原理及主要用途
简述燃料电池的基本工作原理及主要用途 1.燃料电池的工作原理 燃料电池是一种按电化学原理，即原电池的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。其单体电池是由电池的正极(即氧化剂发生还原反应的阴极)、负极(即还原剂或燃料发生氧化反应的阳极)和电解质构成，燃料电池与常规电池的不同之处在于，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐内，不受电池容量的限制，工作时燃料和氧化剂连续不断地输入电池内部，并同时排放出反应产物。 以磷酸型燃料电池为例，其反应式为： 燃料极(阳极) H2→2H++2e- 空气极(阴极) 1／2O2+2H++2e-→H2O 综合反应式H2+1／2O2→H2O 以上反应式表示：燃料电池工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(空气)，燃料(氢)在阳极被分解成带正电的氢离子(H+)和带负电的电子(e-)，氢离子(H+)在电解质中移动与空气极侧提供的O2发生反应，而电子(e-)通过外部的负荷电路返回到空气极侧参与反应，连续的反应促成了电子(e-)连续地流动，形成直流电，这就是燃料电池的发电过程，也是电解反应的逆过程。 2. 燃料电池的应用 2.1能源发电 燃料电池电站的每一套设备都包括了一整套采用天然气发电的电力系统。分为以下几个分单元：①燃料电池组②燃气制备③空气压缩机④水再生利用⑤逆变器⑥测量与控制系统。燃料电池组产生的直流电通过逆变器转换成电力系统所需的交流电。各国工业界人士普遍对于燃料电池在发电站的应用前景看好。 2.2汽车动力 目前，各国的汽车时用量均在不断增加，其排放的尾气已成为城市环境的主要污染源之一，特别是发展中国家，由于环境治理的力度不够，这一问题更加突出。于是人们要求开发新型的清洁、高效的能源来解决这一问题。质子交换膜燃料电池的出现，解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题，使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点，适合做汽车动力，是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。 2.3家庭用能源 天然气作为一种洁净的能源已经在家庭中被广泛使用，但其主要被用于炊事和生活热水，以天然气为燃料的燃气电池在家庭中的广泛应用在开辟了天然气在家庭中一种新的用途的同时也将解决目前高峰用电紧张的状况。家庭的一切用电无论是电视机、冰箱、空调等家用电气还是电脑等办公设备都可以通过燃料电池来提供电源，作为家庭使用的分散电源，并可同时提供家庭用热水和采暖，这样可将天然气的能量利用率提高到70％～90％。 2.4其它方面的应用 碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本没有红外辐射，而且噪音小，用做潜艇动力，可大大提高其隐蔽性；同时由于它们可在常温下启动工作，且能量密度高，还是理想的航天器工作电源。此外，质子交换膜燃料电池还可用作野外便携式电源。 总之，燃料电池的用途将越来越广泛，它将遍布我们身边的每个角落，成为我们生活中不可缺少的能量来源。
燃料电池分类及工作原理
一、燃料电池的工作原理 燃料电池是用一种特定的燃料，通过一种质子交换膜（PEMProtonExchangeMembrane）和催化层（CLCatalystLayer）而产生电流的一种装置，这种电池只要外界源源不断地供应燃料（例如氢气或甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理，是利用一种叫质子交换膜的技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，这样就产生了电能。 在阳极经过质子交换膜和催化剂的作用，在阴极质子与氧和电子相结合产生水。也就是说燃料电池内部的氢与空气中的氧进行化学反应，生成水的过程，同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。 燃料电池在阳极除供应氢气外，同时还收集氢质子（H＋），释放电子；在阴极通过负载捕获电子产生电能。质子交换膜的功能只是允许质子H＋通过，并与阴极中的氧结合产生水。这种水在反应过程中的温度作用下，以水蒸气的形式散发在空气中（对汽车用的大功率燃料电池就要设置水的回收装置）。注意，用氢作燃料电池所生成的是纯净水可以饮用，而用甲醇作燃料生成的水溶液中可能产生甲醛之类有毒物质不能饮用。图1为燃料电池工作原理的示意图。
二、燃料电池的分类 由于人们是从不同角度来研究和开发燃料电池的，所以其种类也繁多，但目前主要有3种。 1 质子交换膜技术 质子交换膜技术（或者称聚合物电解液膜技术）——简称PEMFC （ProtonExchangeMembreneFuelCell）。由于它能提供比传统锂离子电池大约高出5～10倍的能量密度，比甲醇燃料电池也有更高的能量密度，所以，人们都看好质子交换膜技术的氢燃料电池，虽然它还存在着储存及安全等问题，但人们正在克服它，最终有望在3～5年实现可存储在像打火机大小的容器中，充一次氢气发电可供手机使用几天，它将是未来便携式电子产品供电系统的首选。 2 直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池——简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储，因为，在汽车上早已使用甲醇溶液作为挡风玻璃的刮洗液了，故不存在安全问题。但甲醇存在泄漏问题，虽然用水稀释可以解决，但是电解效率却大大降低，目前正在解决渗漏问题。 3 直接乙醇燃料电池 直接乙醇燃料电池——简称DEFC（DirectEthanolFuelCell）。为避免甲醇的渗漏问题，而采用乙醇，它也是由两个电极、燃料及电解液组成的。
微型燃料电池简介剖析
课程论文 学 院 化 学 化 工 学 院 专 业 应 用 化 学 年 级 2013 级 姓 名 张 忆 恒 课 程 化学电源 论文题目 微型燃料电池简介 指导教师 卢 先 春 成 绩 2016年5月20 日
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords: (1) 引言 (1) 1 微型H2-O2（空气）燃料电池 (2) 2 微型直接甲醇燃料电池 (3) 2.1 μDMFC结构和工作原理 (4) 3 微型甲酸燃料电池 (6) 4 微型固体氧化物燃料电池 (6) 5 结论 (7)
信阳师范学院化学化工学院课程论文 微型燃料电池的研究进展 学生姓名：张忆恒学号：20135052012 化学化工学院2013级应用化学 课程名称化学电源 摘要：燃料电池因其清洁无污染，比功率密度高，无需充电，补给燃料快速方便等优点越来越受重视。且微型燃料电池因其尺寸微小倍受青睐。本文讨论了分别以纯氢、甲醇和甲酸为燃料的微型燃料电池和微型固体氧化物燃料电池；对微型直接甲醇燃料电池的结构和原理做了简单的介绍。 关键词：微型燃料电池;氢;甲醇;甲酸 Research progress in micro-fuel cells Abstract: Many pay more and more attentions to the fuel cells because of its clean and non-polluting, high specific power density, without charge, fast and easy refueling.Meanwhile micro-fuel cells is acclaimed for its small size.The micro-fuel cells using hydrogen from pure hydrogen, methanol and formic acid as fuels and micro solid oxide fuel cell were discussed. The materials used in micro-fuel cells for the portable electronics were outlined. The preparation technologies of micro-fuel cell such as micro lectomechanical system technology were analyzed.Meanwhile it made a brief introduction of the structure and principles of Micro Direct Methanol Fuel Cell(MDFC). Keywords:micro-fuel cell; hydrogen; methanol; formic acid 引言 近年来，随着移动电话、个人数字助手、笔记本电脑等便携式电子产品的迅猛发展，对微型能源提出了越来越高的要求。燃料电池是不经过燃料的燃烧而将化学能直接转换为电能的一种能量转换装置。微型燃料电池作为一种新型的便携能源，具有高效、高能量密度、体积小、成本低、环境好等优点。因此近年来，用于便携式电子设备的微型燃料电池的研究引起了人们极大兴趣。
20190327国内外甲醇燃料电池汽车发展历程 (下)
国际甲醇燃料电池汽车发展史（下篇） 上文说到，甲醇重整制氢在海外经历了长达10年（2006-2016年）的低潮期，仅仅在备用电源领域有所应用。国内从2010年起，开始有企业对此关注，做相应的研究，但没有企业有念头和实力，将甲醇重整燃料电池系统集成到汽车上。 直到2014年，深圳开始出现2012年大运会期间投入的纯电动大巴车续航里程衰减严重的现象，迫切需要解决方案，有人开始考虑用燃料电池给锂电池随车充电——增程式。 2015年，Mirai横空出世，7万美元的售价，113kW的电堆，一下子打开了中国氢燃料电池工作者的思路：燃料电池可以做到很便宜。性能上不需要一步到位到100kW以上，可以从30kW开始。 在这个技术路线的指导下，基于甲醇重整燃料电池发电系统开始登上历史舞台，并开始在中国得到深入研究。 甲醇重整制氢+氢燃料电池系统作为“发电机”系统，主要有三种技术路线： A.第一类技术是甲醇重整+高温燃料电池，这类技术是现阶段发展最快的技术路径，已在电动车和特殊领域得到了众多成功应用。 高温燃料电池是指工作温度在160℃以上的质子交换膜技术。相比于常温/低温的系统85℃左右工作温度，高温燃料电池的160℃工作温度可以保证氢气在电堆内反应后的产物都是水蒸气，而不存在液态水的可能。这样可以避免淹堆、反极等低温燃料电池电堆会碰到的问题。从硬件配置上来讲，可以规避氢气循环泵、增湿器等，对于空压机的要求也会低很多，可以大大简化系统的设计。 图1：典型的甲醇重整高温燃料电池系统图 这类高温燃料电池兼顾了PAFC磷酸燃料电池和PEM质子交换膜燃料电池的优点，采用了PEM燃料电池的结构，通过使用PBI（聚苯并咪唑）膜和H3PO4磷酸传导质子，虽然功率密度比基于Nafion（全氟磺酸膜）的低温质子交换膜小，但是系统效率高。最重要的是，高温堆能耐受2%的CO，不会形成铂催化剂中毒。 这套系统中，甲醇和水的混合液重整制氢的过程是一个吸热的过程，相比之下，还有其他的重整技术，可以实现甲醇自热重整反应：导入一定量的氧气参与氧化，这样重整器当中
燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理 作者:佚名来源:不详录入:Admin更新时间：2008-8-18 10:07:07点击数：8 【字体：】 燃料电池的一般结构为:燃料（负极）|电解质（液态或固态）|氧化剂（正极）。在燃料电池中,负极常称为燃料电极或氢电极,正极常称为氧化剂电极、空气电极或氧电极。燃料有气态如氢气、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物,液态如液氢、甲醇、高价碳氢化合物和液态金属,还有固态如碳等。按电化学强弱,燃料的活性排列次序为：肼>氢>醇>一氧化碳>烃>煤。燃料的化学结构越简单,建造燃料电池时可能出现的问题越少。氧化剂为纯氧、空气和卤素。电解质是离子导电而非电子导电的材料,液态电解质分为碱性和酸性电解液, 固态电解质有质子交换膜和氧化锆隔膜等。在液体电解质中应用微孔膜,0.2mm～0.5mm厚。固体电解质为无孔膜,薄膜厚度约为20μm。 燃料电池的反应为氧化还原反应,电极的作用一方面是传递电子、形成电流;另一方面是在电极表面发生多相催化反应,反应不涉及电极材料本身,这一点与一般化学电池中电极材料参与化学反应很不相同,电极表面起催化剂表面的作用。 在氢氧燃料电池中,氢和氧在各自的电极反应。氧电极进行氧化反应,放出电子,氢电极进行还原反应,吸收电子,总反应为: O2＋2H2→2H2O 反应结果是氢和氧发生电化学燃烧,生成水和产生电能。由热力学变量可得到以下理论电动势和理论热效率公式： Eo=－(ΔG/2F)=1.23V η=ΔG/ΔH=83.0％ 式中,ΔG和ΔH分别为自由能变化和热焓变化,F是法第常数。
燃料电池工作的中心问题是燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性问题。对于气体电极过程,必需采用多孔气体扩散电极和高效电催化剂,提高比表面,增加反应活性,提高电池比功率。 氢在负极氧化是氢原子离解为氢离子和电子的过程,若用有机化合物燃料,首先需要催化裂化或重整,生成富氢气体,必要时还要除去毒化催化剂的有害杂质。这些反应可在电池内部或外部进行,需附加辅助系统。正极中的氧化反应缓慢,燃料电池的活性主要依赖正极。随着温度升高,氧的还原反应有相当的改善。高温反应有利于提高燃料电池反应活性。 对于燃料电池发电系统,核心部件是燃料电池组,它由燃料电池单体堆集而成,单体电池的串联和并联选择,依据满足负载的输出电压和电流,并使总电阻最低,尽量减小电路短路的可能性。其余部件是燃料预处理装置、热量管理装置、电压变换调整装置和自动控制装置。通过燃料预处理,实现燃料的生成和提纯。燃料电池的运行或起动,有的需要加热,工作时放出相当的热量,由热量管理装置合理地加热或除热。燃料电池工作时,在碱性电解液负极或酸性电解液正极处生成水。为了保证电解液浓度稳定,生成的水要及时排除。高温燃料电池生成水会汽化,容易排除,水量管理装置将实现合理的排水。燃料电池与化学电池一样,输出直流电压,通过电压变换成为交流电送到用户或电网。燃料电池发电系统通过自控装置使各个部件协调工作,进行统一控制和管理。
硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究
硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究 文章对于直接甲醇燃料电池（？滋DMFC）的双极板结构进行了设计并制作、测试。设计了两种电极板的结构：点型极板和蛇型极板流场结构，并且应用ANSYS进行了模拟。采用微机械加工技术在硅基上制作了不同的流场结构的微型直接甲醇燃料电池并且进行了测试。结果发现采用点型流场结构作为DMFC 的阴阳两极极板比蛇型流场结构能够有效提高甲醇传输性能，表现出较好的电池性能。通过测试发现点型和蛇型各自的最高电流密度可达13mA/cm-2和3.9mA/cm-2，而功率密度点型的要比蛇型的高一个数量级。 關键词：硅；微机械加工；ANSYS；？滋DMFC 前言 一直以来，不同种类燃料和结构的各种类型的燃料电池持续得到关注，其中微型直接甲醇燃料电池表现出来比较突出的特性，比如能量转化效率高、环境友好、可在室温下工作、结构简单以及较高的电流密度和功率密度[1]。它既可作为固定电站为边远地区的居民、哨所供电以及城市重要场所的备用电源，又可以作为移动电源应用于电动汽车、摩托车和自行车，还可以用于许多对电池性能要求很高的场合，如移动电话、航天器、军用通讯、导航系统等[2]。 极板结构是影响？滋DMFC性能至关重要的内容，它不仅为电池结构提供支撑，提供氧气与甲醇反应的场所，而且还要收集反应生成的电子，同时也要求产生的H2O和CO2能很快离开电池，从而始终保持流场畅通，不存在死区，所以合理的极板结构对？滋DMFC性能的影响是非常关键的[3，4]。MEMS加工技术对于硅基材料的极板制备提供了良好的制作方法，完全可以实现对于不同结构的极板结构的制备[5，6]。 1 结构设计与仿真 阴阳极板的流场结构对于微型直接甲醇燃料电池的性能影响是很重要的。流场包括沟道和支撑部分，流场用于物质的输运与传输，提供电化学反应的燃料；支撑部分为反应的质子交换膜MEA提供支撑。流场的设计需要综合考虑沟道燃料传输的特性确保提供足够反应燃料和MEA膜的支撑部分宽度。基于以上因素，文章设计了点型和蛇型两种流场结构，如图1所示。采用ANSYS模拟了两种流场结构的速度和压力分布，由结论可知，蛇型流场结构的极板上速度分布比点型流场的更均匀，但是点型流场的流速比蛇型的慢。点型流场的进出口压力差比蛇型流场的要小，所以点型的燃料运动速度比蛇型的速度要慢一些，这样甲醇燃料可以在极板沟道实现更有效的反应。也就是说极板结构的仿真结果点型优于蛇型。 2 极板制备
直接甲醇燃料电池技术分析与展望
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/714683832.html, 直接甲醇燃料电池技术分析与展望 作者：穆昕 来源：《中国化工贸易·下旬刊》2017年第02期 摘要：直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell ，DMFC）是直接以甲醇作为阳极燃料的质子交换膜燃料电池。本文介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理，重点分析了目前DMFC 技术的核心问题，并指出了相应的解决方案，展望了发展前景。 关键词：甲醇；燃料；电池技术 直接甲醇燃料电池（DMFC）由于使用液体甲醇作燃料，电池安全，系统简单，运行方便，具有很广阔的商业化前景。 1 工作原理 甲醇水溶液被输送到阳极，发生电催化氧化反应，生成CO2，同时释放出电子和质子，电子经过外电路到达阴极，而质子则通过电解质传导至阴极，和电子及氧气发生反应，生成水。 2 DMFC技术分析 目前，在DMFC技术中，甲醇氧化动力学慢过程和甲醇渗透是制约其发展的主要问题，很多研究围绕着如何解决着两个问题展开。 2.1 甲醇氧化动力学慢过程 在DMFC 中，甲醇的阳极氧化涉及六个电子的传递过程，比氢气的氧化更为困难。很多学者就其氧化机理做了研究，并且致力于开发高效的阳极电催化剂。 2.1.1 阳极电催化剂 最常用的是Pt或Pt合金催化剂。在基础研究方面，Wieckowski等研究发现，Pt （1 1 1）晶面抗中毒能力最强；通常添加Ru做为助剂，Dinh等提出，低电位下Ru+H2O→RuOH，RuOH的存在有助于CO的脱除；Ru含量在50%时，活性最好；J.W.Long等认为，Ru以RuOxHy形式存在时，催化活性高，因此制备时应尽量扩大纳米级Pt与RuOxHy的接触界 面。另外，活性与分散度有关，Watanabe等发现，当催化剂的粒径大于20?时，活性不再提高；Kaurenan等发现，金属相在炭黑（acetylene black）分散度低，在炭黑（Vulcan XC-72）分散度高，因为上面有大量微孔结构。因此在制备过程中，都要尽量提高活性组分的分散度，分散度越高，活性越好。
燃料电池的基本工作原理
燃料电池的基本工作原理 燃料电池的基本工作原理我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎 燃料电池的基本工作原理 我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎，对电池的工作时间的要求与日俱增，传统二次电池(包括锂电池和镍电池)已经成为瓶颈，桎梏了便携式产品向更丰富功能的方向发展。 与传统二次电池相比，燃料电池的能量至少要高10倍。一个锂离子电池能提供300 Whr/L的电量密度，而甲醇燃料电池的电量密度却高达4800 Whr/L，10ml的甲醇可以保证13.5小时的通话时间或者642小时的待机时间。因此，东芝、IBM、NEC等许多国际著名的电子公司都倾注精力和财力研究燃料电池，目前世界前十大营收企业，除Walmart外，均有投资氢能或燃料电池产业。 专攻便携式应用的DMFC 理论上，燃料电池(Fuel Cell)并不是电池，只是把燃料(例如氢气)和氧化剂通过电极反应直接生成电流的装置，由于它的生成物是水，因而具有相当的环保优势。燃料电池的典型结构就是层迭电池单元的堆栈(Stack)，一个堆栈可以包含多个单独的燃料单元(图1)。而每个单元的基本结构与电解水装置相类似，包含2个正负电极(阳极和阴极)，电解质以及催化剂。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。以氢氧反应为例，在阴极催化剂的作用下，一个氢分子分解成2个氢离子，同时释放出2个电子，由于阻隔膜对电子的过滤作用，电子无法通过电解质只能绕行，从而形成电流。而氢离子可以顺利通过电解质达到阴极和空气中的氧原子反应生成水(图2)。 图1 燃料电池的基本结构
直接甲醇微型燃料电池的高聚物封装方法与设计
直接甲醇微型燃料电池的高聚物封装方法与设计 1.微型燃料电池封装研究的现状和进展 微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol fuel cell ）具有能量密度高、使用方便、清洁环保等优点，非常适用于各类便携式电子产品（手机、笔记本电脑、Mp3、单兵作战电源等）及微机电系统（Micro Electronic Mechanical System,MEMS ）等领域，基于微型燃料电池应用的广阔前景，世界各地的研究机构对此产生了极大兴趣，希望能开发出更轻、更小、能量密度更大、性能更优异的微型燃料电池。当前，微型燃料电池从原理论证到实验验证再到实现商业化的发展过程中仍然面临着大量的技术困难，其中一个非常重要的瓶颈问题是燃料电池的封装工艺的方法、设计和优化等[1]。 图1燃料电池的广泛应用 1.1燃料电池的封装结构 微型燃料电池的组成通常是将质子交换膜MEA 置于两块流场板之间，然后在两端用刚度较大的端板将中间部分结构夹紧，最后用高聚物封装将整个结构起来。图2中电池的四周用高聚物封装填充。 图2微型燃料电池的外形 微小型直接甲醇燃料电池
图3微型燃料电池的结构图 1.2燃料电池的封装工艺现状 可靠的封装是微型燃料电池发挥其正常效能的前提条件，在微型燃料电池中有着举足轻重的作用，研究表明目前封装费用仍占微型燃料电池总成本的60%～70%，且封装技术发展的相对滞后已被公认为微型燃料电池实现产业化的主要瓶颈之一[2]。作为一类特殊的微型燃料电池，微型燃料电池封装结构需为整个电池提供稳定的机械支撑、电气互连和物料进出通道，以便维持微型燃料电池各活性区域工作状态的均衡及稳定，提高燃料电池的整体输出性能，延长其工作寿命。由于受结构、尺寸和工艺条件的限制，传统机械连接方法（如螺栓连接、铆接、夹具固定等）已很难适用于MEMS微型燃料电池的封装中，借鉴现有微器件封装方法实现对MEMS燃料电池的封装成为必然选择[1]。 目前针对微型燃料电池的封装方法主要是高聚物封装和热压键合两类。本文主要讨论高聚物的封装方法。 高聚物封装是在借鉴微电子及MEMS 器件塑封工艺的基础上发展起来的，是目前MEMS 燃料电池封装技术的主要发展方向之一。该方法主要利用高聚物的可模塑、可粘接特性实现对MEMS燃料电池的封装。MEMS燃料电池中常用的封装高聚物有聚二甲基硅氧烷( Polydimethyl siloxane, PDMS)和环氧树脂两类。近年来在这一领域的代表性工作有：2002年5月，加拿大Stanley等[3]首次报道使用常温固化环氧树脂，在1.5Mpa的正压力下实现MEMS直接甲醇燃料电池的密封和进出口微管连接，其MEMS-μDMFC输出功率密度峰值达到了1.5mWcm-2；2003年9月，德国Albert-Ludwig大学的Muller等[4]报道了一种外形尺寸只有1.4×1.4×0.5mm氢氧型MEMS质子交换膜燃料电池。该电池使用极薄的金属箔作为集流板，MEA和集流板之间的封装采用了银粉填充的环氧型导电胶，在工作电压0.4V时，输出功率密度达到了2mWcm-2；2004年8月， 美国路易斯安娜大学微制造研究所Shah等[5]采用PDMS实现了MEMS氢氧燃