甲醇燃料电池的制备以及应用

学号：080319姓名：陈强

新疆工业高等专科学校,乌鲁木齐830091

摘要:采用固体电解质膜的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,简写DMFC)由于结构简单、无液体电解质、比能量高等优点,近年来成为国际上的研究热点。论述了DMFC的原理和各研究机构目前取得的最新进展。目前存在的两个主要的问题是:甲醇从阳极向阴极的渗透和阳极催化剂活性较低。使用新型的非氟质子交换膜及复合膜有望最终解决甲醇渗透的问题。阳极催化剂的研究已经向铂基多组元件系扩展。直接甲醇燃料电池在手机电源等微型移动电源和千瓦级的工业用可移动电源及电动车方面有一定的应用前景。

关键词:直接甲醇燃料电池，质子交换膜

1引言

直接甲醇燃料电池(DMFC)是将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能直接转化为电能的一种发电装置。DMFC研究始于20世纪60年代,Shell,Exxon以及Hitachi等公司在该领域做了大量工作[1].20世纪90年代初,由于全氟磺酸膜(Nafion)的成功应用,电极性能大幅度提高,DM2FC的研究与开发引起了许多发达国家的关注。美国喷气推进实验室(JPL)、LosAlamos国家实验室(LANL)、西部保留地大学(CWRU)等单位在电催化剂、电解质膜和膜电极(MEA)、电池系统等方面的研究取得了可喜成就。2001年5月,美国陆军研究室(ARL)组织了由2个单位参加的技术合作联盟,重点开发单兵作战武器电源的DMFC.2002年8月,MTIMircoFuelCells公司展示了空气自呼吸(air-breathing)式用于PDA、手机电源的DMFC样机。2003年2月,美国总统布什试用该样机进行了长时间通话。在DMFC 作为笔记本电脑电源的研制方面,日本NEC公司于2003年9月披露了总重约900g、燃料容量为300ml 的样机,连续工作5小时,最大输出功率达24W,输出电压为12V,声称电池的性能为全球最高,产品期望在2004年商业化。此外,2003年8月,德国SmartFuelCell(SFC)公司推出了世界上第一个面向终端用户的DMFC独立系统SFCA25,使用2.5L甲醇燃料可在全功率下工作70—80小时。此外,许多国际著名公司加了DMFC研发的行列。日本的Hitachi,Toshiba,Sony,韩国的Samsung等等,这无疑将大大加速DMFC的商业化进程。国内DMFC的研究始于20世纪90年代初,目前有20余个单位先后开展了DMFC研究工作,并取得了长足进展,但总体水平与国外先进水平相比仍有一定差距。

2甲醇燃料电池简介

直接甲醇燃料电池(DMFC)以其燃料来源丰富、储存方便、结构简单、操作安全、持续供电时间长等优点而日益受到广泛关注,预计将在小型家用电器、笔记本电脑、手机以及军事移动性仪器等领域具有广泛的应用前景。在过去的二十多年里,人们对这种新型电源产生了巨大热情,许多国家均对

发展DMFC进行了较大的科技投入。

所谓直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell)，它属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相较于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)低温生电、燃料成分危险性低与电池结构简单等特性使直接甲醇燃料电池(DMFC)可能成为可携式电子产品应用的主流。

直接甲醇燃料电池（DMFC）

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳，质子和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应，电子通过外电路到达阴极，并做功。

碱性条件

总反应式：2CH4O+3O2=2CO2+4H2O

正极：3O2+12e-+6H20→12OH–

负极：2CH4O-12e–+12OH-→2CO2+10H2O

酸性条件

总反应同上

正极：3O2+12e-+12H+→6H2O

负极：2CH4O-12e-+2H2O→12H++2CO2

这种电池的期望工作温度为120℃以下，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢然后再与氧反应。这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%

左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过，这种增加的成本可以因方便地使用液体燃料和勿需进行重整便能工作而相形见绌。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期，但已成功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电源。

3甲醇燃料电池的制备

燃料电池(FuelCell,简称FC)是一种将化学能转化为电能的电化学发电装置。由于它不受卡诺循环限制,不排放或极少排放污染物,所以是一种高效、清洁的新型能源。燃料电池按电解质的不同可分为碱性氢氧燃料电池(AFC)、质子交换膜型燃料电池(PEMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)及高温固体氧化物燃料电池（SOFC)等。这些燃料电池通常需要纯氢、天然气、净化煤气或重整气等气体燃料,因此一般需要复杂的燃料重整或精制等附属设备,而且气体燃料的供

应与储存也存在不安全因素。

DMFC的核心部分是膜电极集合体(membraneelecrodeassembly,MEA),优化制备工艺提高性能的同时,以求减少电极催化剂的载量,简化制备工艺及装置,从而降低成本。国内外对这方面的研究比较多,但系统报道的比较少,这里从制备方法和过程以及催化剂层的组成等方面综述了MEA的形态、组成对电极性能影响的研究情况。

直接甲醇燃料电池(DMFC)由两个电极及夹在其中间的质子导电膜构成[3]。电极通常为多孔电极,由背层、扩散层和催化剂层3部分组成,主要材料是碳支撑的贵金属。DMFC中的电解质采用特殊离子交换膜,是一种选择性质子导体,它既能保持离子电荷平衡,又能防止甲醇及其他物质渗漏到另一

电极区域。将甲醇和水混合物送至DMFC的多孔阳极区域,甲醇直接电催化氧化生成二氧化碳,并释放出质子和电子:

CH3OH+H2O→CO2↑+6H++6e-(1)

在阴极上氧气被还原生成水:

3?2O2+6e-+6H+→3H2O(2)

电池的总反应是:CH3OH+3?2O2→CO2↑+H2O(3)

根据热力学原理,常温下直接甲醇燃料电池的理论效率〔G=(-$G)?(-$H)〕等于96.7%,电动势为

1.214V。在实际DMFC中,甲醇氧化过电位高,电极活化引起电极过程偏离热力学平衡状态,使得电池实际效率和比能量大大减小。甲醇直接氧化生成二氧化碳是一6e的转移过程,由于电极过程动力学限制,在多孔电极中实际发生的多电子转移电化学反应要比电化学理论所描述的复杂,甲醇氧化中间过程可能涉及一系列未知化学步骤,如各种中间产物和吸附产物。

因此,研制性能优良的甲醇直接氧化电催化剂,是提高DMFC效率和比能量的核心问题。

在直接甲醇燃料电池中,要使液体反应物甲醇及时进入到电池中并充分迅速到达电极表面,以

满足电化学反应的需要,并且增湿气体使膜得到最佳的水合,同时能够保证阳极产物CO2气体和阴极产物水及时排出,避免电极被产物包围,保证反应物与电极的接触,对于得到良好的电池性能是十分

重要的。以上所述均与电池双极板的流场结构相关。目前,已有的关于电池结构方面的献不是很多。综合说来,常见的流场结构一般有3种传统流场、“蛇形”流场、“交指”流场等。

事实上,多数小型DMFC所采用的流场基本都是所谓“蛇形”结构,“蛇形”结构是传统结构的一种变形。在这种结构中,反应物被强制进入平行的通道,这种流场在电池组中得到广泛的使用。Nguyen 等研究出“交指”流场,以及Aric等的实验表明,采用该类型流场的电池最大输出功率比采用传统意义上的“蛇形”流场要高,这主要是因为“交指”流场提高了物料的传输流量。在电流密度为1000mA/cm2时,“交指”流场电池的电压比“蛇形”流场高0115V左右,功率密度要高011W左右。但与“蛇形”流场相比“交指”流场电池在高温运行过程中,存在两方面需要注意的问题:甲醇的透过率较高,将导致电压降低,合适的甲醇浓度将会提高阳极的电化学效率和传输效率;但另一方面使质子交换膜有了较好的增湿度,使离子电导变小,从而提高电池性能。Wilson等的研究表明,与传统流场使气体反应物流经电极表面相比,这种设计使反应物和产物气体在电极上的传入和传出由扩散控制转变为强制

对流控制,因此“交指”流场更容易使气体排出。另外,Wood等研究表明“交指”流场的强制流通特性,使得气体存在的剪切力能够带走通常进入电极内层的水,电池能够更有效地处理液态水和反应气体的流动,从而能够解决电极的“水淹”问题。总的来说“交指”流场更有利于电池整体性能的提高,将成为以后DMFC结构的主要研究方向。

4甲醇燃料电池存在的主要技术问题

4．1质子交换膜渗透甲醇的问题

甲醇渗透量较大是现有质子膜的主要问题,也是困扰DM2FC发展的首要原因。甲醇向氧极板的渗透不仅造成燃料的损失,而且在氧阴极上产生混合电位,使电池性能降低。如何解决甲醇的渗透量过大是DMFC研究中的一个十分重要的课题。

目前对甲醇的渗透主要从以下几个方面进行解决:

（1）降低甲醇在现有质子膜中的扩散系数,使其不能到达阴极。例如采用薄的钯金属片和Nafion膜压合在一起。氢离子在钯金属表面与电子结合成氢原子,氢原子在钯金属内部扩散到膜的另一侧又重新解离成氢离子和电子,而电子在钯金属中能自由运动。甲醇在钯膜中的渗透系数几乎为零,所以这种复合膜可有效地降低甲醇的渗透。

（2）在原有材料的基础上,改变电极结构使到达膜附近的甲醇浓度尽量小,从而减少甲醇渗透量。（3)研制新型膜

4.2催化剂的问题

约直接甲醇燃料电池发展的另一个重要因素就是常温下甲醇的电催化氧化活性太低。目前有关甲醇在酸性介质中的氧化机理的研究受到了广泛的注意。使用电化学脉冲方法研究甲醇在光滑的铂表面的氧化机理表明,处于假稳态时氧化电流比初态下降了5个数量级,电流的大幅度下降是由于铂的活性位被甲醇的脱氢物种所占据。究竟是何种脱氢物种还不能确定,但它们附困难。这种脱氢物种只有在达到一定的电位下才能被吸附的含氧物种化。加入二元组分例如Ru的作用就是降低含氧物种吸附的电位,促进铂活性位上的甲醇脱氢物种的脱除。这就是所谓的协同作用(Bi2functional，Mechanism)。因此开发一种新的甲醇电催化氧化催化剂的关键在于两点:一是它能降低脱氢物种的吸附但不降低活性;二是能在低电位时就吸附含氧物。尽管到现在为止甲醇阳极催化剂还是沿用了几十年的PtRu/C,但越来越多的研究人员正在从事三元合金的催化剂的研究。

二元合金正在被用作阴极催化剂而且研究的范围已经扩展到了非贵金属例如过渡金属卟啉类、酞菁类和其它杂环化合物。

4.3电极三合一的问题

现在一般认为甲醇在阳极氧化时生成的二氧化碳气体易使膜电极三合一(MEA)分层,使电极和膜的接触电阻增大。尤其是在长期运行时,电极是否剥离也将决定电池运转的寿命。

5醇燃料电池的应用

潜在的应用前景,可能主要集中在分散电源(偏远地区小型分散电源、家庭不间断电源),移动电源(国防通讯移动电源、单兵作战武器电源、车载武器电源、电动摩托车或助动车等移动电源),电子产品电源(手机、PDA、摄像机、笔记本电脑等电源),MEMS器件微电源以及传感器件等领域.DM2FC的商业化受许多因素影响,诸如技术成熟程度、国家政策导向、研发资金投入、市场需求、制造成本等等.尽管目前世界上有许多公司声称其产品(如以DMFC为电源的手机、笔记本电脑、PDA、充电器等)将于2004年或2005年商业化,但就技术而言,目前仍有很多挑战,如(1)活性高、稳定性好、使用寿命长、成本低、抗CO等中间体毒化的阳极电催化剂和耐甲醇阴极电催化剂材料的开发;(2)质子电导率高、甲醇渗透率低、化学稳定性好、机械强度适中、价格易被市场接受的阻醇电解质膜材料的开发;(3)高性能、长寿命电极、MEA和电池组制备技术的改善(4)DMFC系统集成与微型化技术的突破等这些因素可能直接影响DMFC产品的商业化进程。尽管如此,近几年DMFC的快速发展预示着DMFC商业化的历史时刻必将到来。

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[7]李文震.直接甲醇燃料电池阴极碳载铂基催化剂的研究[D]北京:中国科学院研究生院(大连化学

物理研究所),2003

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

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

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

燃料电池分类及简述

各种燃料电池简述 1.碱性燃料电池（AFC） AFC是以碱性溶液为电解质，将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，是最早获得应用的燃料电池，由于其电解质必须是碱性溶液，因此而得名碱性燃料电池。氢氧化钠和氢氧化钾溶液，以其成本低，易溶解，腐蚀性低，而成为首选的电解液。催化剂主要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、钴、锰等。在1973年成功地应用于Apollo登月飞船的主电源，使人们看到了燃料电池的诱人前景。具有启动快、效率高、价格低廉的优点，有一定的发展潜力。其反应式为：阳极：2H2+4OH-→2 H2O +4e- 阴极： 2 H2O +O2→4OH- 总反应：2H2+O2→2H2O 这种电池常用35%-45%的KOH为电解液，渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大，因此有较大的电流密度和输出功率，但氧化剂应为纯氧，电池中贵金属催化剂用量较大，而利用率不高。目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。国内已研制出200W氨-空气的碱性燃料电池系统，制成了1kW、10kW、20kW的碱性燃料电池，20世纪90年代后期在跟踪开发中取得了非常有价值的成果。发展碱性燃料电池的核心技术是要避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏，不论是空气中百万分之几的二氧化碳成分还是烃类的重整气使用时所含有的二氧化碳，都要进行去除处理，这无疑增加了系统的总体造价。此外，电池进行电化学反应生成的水需及时排出,以维持水平衡。因此，简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中需要解决的核心技术。 2.磷酸型燃料电池（PAFC） PAFC自20世纪60年代在美国开始研究一来，由于操作温度低，耐CO中毒能力强等特点，得到了优先发展，是目前技术成熟、发展最快的燃料电池。

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

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

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。

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/d513610753.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。

燃料电池介绍应用论文

摘要燃料电池以其效率高，排放少，质量轻，无污染而深得人们的关注。本文按燃料电池可用电解质的不同来分类，分别对各类燃料电池的原理，结构，优缺点，发展概况进行综述。关键词燃料电池电解质电池反应电动车用电源 Abstract The fuel battery is a kind of chemical reactor，which switch the chemical energy to electric energy．Its high efficiency，few dischargement，light weight and no pollution draw public attention．In this article the fuel batteries are classified for different electrolytes，structures，advantages，disadvantages and recent development of different fuel batteries are reviewed． Key word fuel battery electrolyte battery reaction dynamoelectric power supply．燃料电池和普通电池有很大的差异，它实际上是一个化学反应器。是一种把化学能直接转换成电能的装置。燃料电池没有直接的燃烧过程。而燃料从外部不断输入，它就能不断地输出电能，它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。燃料电池的种类很多，按电池所用电物质的不同来分类。燃料电池大体上分为：碱性电解质燃料电池(AFC)，高分子电解质燃料电池(PEFC)，磷酸型电解质燃料电池(PAEC)，熔融碳酸型电解质燃料电池(MCFC)和固体氧化物电解质燃料电池(SOFC)5类。本文按电池工作温度由低到高的顺序，对各类燃料电池的发展概况进行综述。

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

燃料电池种类工作原理及结构

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（proton）与电子（electron），其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种 "发电机"。阳极反应 - 阴极反应总反应伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。燃料电池的分类 1 按燃料电池的运行机理分根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。 2按电解质种类分根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(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(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。 3按燃料类型分燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。 4按工作温度分根据燃料电池工作温度的不同，可分为低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200-750℃；高温型，温度高于750℃。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在常温下可以正常工作，这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂，燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。熔融碳酸盐燃料电池(M C F C)和固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温下作，这类燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大。

直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用

新能源汽车A 版收稿日期:2010-07-27 直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用王瑞敏 (上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海 200438)张颖颖 (山东省科学院海洋仪器仪表研究所,青岛 266001) 摘要针对直接甲醇燃料电池(D M FC )的发展状态进行调查。分析了各国政府和企业致力于DM FC 的开发与应用研究。 Abstract For the i n vesti g ati o n of direct m ethano l fue l ce ll (D M FC )deve l o pm ent cond ition,th is paper presen ted the situati o n of deve l o p m ent and applicati o n on research DMFCS what governm ents and enterprises dedicated to . 主题词燃料电池汽车发展甲醇燃料电池是一种将化学能连续不断地转化为电能的可再生清洁能源。自20世纪60年代初问世以来,就迅速发展成为国际高新技术竞争中的热点之一。我国政府对燃料电池的研发高度重视,将其列为国家科技中长期发展规划中能源、交通、电子等领域的重要研究方向和急需开拓的尖端高技术。本文针对直接甲醇燃料电池(D M FC )的发展状态进行了调查和分析。分别从D M FC 的关键技术发展状态、主要生产商发展状态、在便携式电源中的应用、DMFC 在汽车领域的应用等几个方面进行了分析。 1 D M FC 的工作原理及关键技术发展状况目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PE MFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC )、磷酸盐型燃料电池(PAFC )、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC )等。其中,PE MFC 因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能,具有能量转换效率高(一般都在40%~50%,而内燃机仅为18%~24%)、无污染、启动快、电池寿命长、比功率及比能量高等优点,成为应用最广的一类燃料电池,尤其是在汽车用燃料方面,PE MFC 的应用接近该市场的100%。各种燃料电池应用情况如图1 所示。图1 各种燃料电池的应用情况 1.1 D M FC 的工作原理在阳极区,负极活性物质甲醇水溶液经阳极流场板均匀分配后,通过阳极扩散层扩散并进入阳极催化层中(即阳极电化学活性反应区域),在碳载铂钌电催化剂的作用下发生电化学氧化反应,生成质子、电子和CO 2。产生的质子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极,电子通过外电

燃料电池种类工作原理及结构教学教材

燃料电池种类工作原理及结构

燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（proton ）与电子（electron ），其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种 "发电机"。阳极反应 - 阴极反应总反应伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。燃料电池的分类 1 按燃料电池的运行机理分 e H H 222+→+O H O e H 222 122→+++O H O H 22222=+

根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。 2按电解质种类分根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(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(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。 3按燃料类型分燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。 4按工作温度分

DMFC 直接甲醇燃料电池简介

直接甲醇燃料电池 1.1 DMFC 的工作原理直接甲醇燃料电池（DMFC）是以质子交换膜为电解质、液态甲醇为燃料的一种新型燃料电池。如图1.1 所示，它主要由阳极、阴极和电解质膜三部分组成。DMFC 工作时，甲醇和水的混合物经扩散层扩散进入催化层，在阳极催化剂的作用下直接发生电化学氧化反应生成 CO2、6 个电子和 6 个质子。质子经质子交换膜由阳极迁移到阴极区，而电子经外电路做功后到达阴极区。氧气（或空气）经扩散层扩散进入催化层并在阴极催化剂的作用下与流入阴极区的电子和质子发生电化学反应生成水。电池的总反应方程式如式1-1 所示，电子在迁移过程中经外电路做功形成回路产生了电流，实现了化学能到电能的转化。 (1)、酸性条件下电极反应与电池总反应方程式为：阳极： CH3OH + H2O → CO2+ 6H+ + 6e- E10 = 0.046 V 阴极： 3/2 O2 + 6H+ + 6e-→3H2O E20 = 1.23 V 总反应：CH3OH + 3/2 O2→CO2 + 2H2O E = E20 - E10 =1.18 V (1.1) 从总反应方程式可以看出，DMFC 中甲醇的化学能转化为电能的电化学反应结果与甲醇燃烧生成二氧化碳和水的反应相同。

由于阳极甲醇氧化反应的可逆电势较氢标准电势高，因此，DMFC 的标准电势较氢氧燃料电池更低。理论计算结果表明：DMFC的 E0=1.183 V，能量转化率为 96.68 %，但电池的实际工作电

压远小于此值。当阳极电势≥0.046 V（可逆氧化电势）时，甲醇将自发进行反应；相同地，当阴极≤1.23 V（可逆还原电势）时，氧也可以自发地发生还原反应。因此，阳极电势比0.046 V 高的多而阴极电势比1.23 V 低得越多时，电极反应速度就越快，而此偏离热力学电势的极化现象使得 DMFC 的实际工作电压比标准电势 E0低。 (2)、碱性条件下电极反应与电池总反应方程式为：阳极： CH3OH + 6OH-→ CO2+ 5H2O + 6e- 阴极： 3/2 O2 + 6H2O + 6e- → 6OH- 总反应：CH3OH + 3/2 O2→CO2 + 2H2O DMFC 的期望工作温度为120 ℃以下。 1.2 DMFC 的主要技术问题 (1) 阳极催化剂问题。目前，DMFC 最常用的阳极催化剂为Pt 基催化剂。但Pt 催化剂对甲醇的电催化氧化活性不高，而且易被甲醇氧化生成的中间产物CO 毒化，致使Pt催化剂的电催化性能降低。因此，研制高效、抗毒化的阳极催化剂是DMFC 实现商业化的首要任务。

直接甲醇燃料电池

直接甲醇燃料电池研究进展伍静燕 08122547 摘要：介绍了直接甲醇燃料电池的原理、结构。基于目前的不足，总结了直接甲醇燃料电池在催化剂、质子交换膜和膜电极方面的研究策略和相关进展。略述了DMFC的应用现状，并对其前景作了展望关键词：直接甲醇燃料电池；工作原理；研究进展；应用展望 1引言直接甲醇燃料电池(DMFC)作为新型、清洁、可再生能源，由于具有结构简单，运行温度和压力要求低，能量密度高(大约 6 000Wh/kg)，能提供比二次电池高10倍以上的电量以及不需要重整装置等优点，在汽车和便携式电子设备等领域中拥有广阔的应用前景。目前受到了越来越多的关注，是最有可能实现商业化应用的绿色能源。燃料电池是一种高效的能源转换装置,其理论效率可达83%,而内燃机的极限效率只有60%左右。因此,在能源渐趋紧张,环境日益受到各国重视的今天,燃料电池的发展受到了广泛的关注,是中国、美国、加拿大等国家的重点科技项目之一。 2 DMFC的工作原理及其缺点直接甲醇燃料电池从质子交换膜燃料电池(PEMFC)发展而来，是指以甲醇溶液为燃料、以空气或氧气为氧化剂的化学能直接转化为电能的一种发电装置，产物为CO 2 和水。反应方程式如下: 阳极反应:CH 3OH+H 2 O→CO 2 +6H++6e－ (1) 阴极反应:3/2O 2+6H++6e－→3H 2 O (2) 电池总反应:CH 3OH+3/2O 2 →CO 2 +3H 2 O (3) 在阳极区,负极活性物质甲醇水溶液经阳极流场板均匀分配后,通过阳极扩散层扩散并进入阳极催化层中,在碳载铂钌电催化剂的作用下发生电化学氧化反应,生成质子、电子和CO 2 。产生的质子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极, 电子通过外电路传递到阴极, CO 2 在酸性电解质帮助下从阳极出口排出。在阴极区,正极活性物质氧气或空气经阴极流场板均匀配后,通过阴极扩散层扩散并进入阴极催化层中(即阴电化学活性反应区域),在碳载铂钌电催化剂的作用下与从阳极迁移过来的质子发生电化学还原反应生成水随反应尾气从阴极出口排出。其结构和电化学反应见下图。