微型直接甲醇燃料电池概述
直接甲醇燃料电池工作原理及特点
直接甲醇燃料电池工作原理及特点
1. 简介
甲醇燃料电池是一种化学电源，将甲醇及氧气作为燃料，通过化学反应产生电能。
甲醇燃料电池具有高效、环保、可再生等特点，被广泛应用于电动汽车、移动电源以及微型电力设备等领域。
2. 工作原理
甲醇燃料电池的工作原理是将甲醇、水和氧气作为燃料在阳极和阴极间进行氧化还原反应，从而产生电流。
具体反应式为：2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O
反应中，甲醇在阳极被氧化成二氧化碳和水，同时产生电子，电子经过外部的电路流转到阴极，从而产生电能。
3. 特点
甲醇燃料电池相比于传统电池具有以下特点：
3.1. 高效
甲醇燃料电池的能量转换效率高达50%以上，同时具备高功率密度和高热效率，因此具有极高的能量利用效率。
3.2. 环保
甲醇燃料电池在工作过程中只产生二氧化碳和水，不含有废气、废水等有害物质，是一种非常环保的能源。
3.3. 可再生
甲醇燃料电池的原料——甲醇可以从木材、植物油、废物等中提取，具有可再生性。
同时通过使用废弃物产生的甲醇，可以有效地降低生态环境的污染程度。
3.4. 适用范围广
甲醇燃料电池具有很强的适应性，可以用于移动电源、家庭备用电源、新能源汽车等领域中，因此是未来能源领域的主要发展方向之一。
4. 结论
甲醇燃料电池作为一种高效环保可再生的能源，具有非常广阔的应用前景和发展空间。
随着技术的不断发展和创新，它将成为未来能源领域的主流能源之一。
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 + 2H2ODMFC 的期望工作温度为120 ℃以下。
使用高浓度甲醇的微型直接甲醇燃料电池
第 １ ９卷
第 ９期
光 学 精 密 工 程
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关 键 词 ： 直接 甲醇 燃 料 电池 ； 气 自呼 吸 ； 空 甲醇 浓度 中图分类号 ： ＴＭ９ １ ４ １． 文献标识码 ： Ａ ｄ ｉ １ ． ７ ８ ＯＰ ． ０ １ ９ ９ ２ ７ ｏ：０ ３ ８ ／ Ｅ ２ １ １０ ． ０ ９
微型直接甲醇燃料电池概述
微型直接甲醇燃料电池概述微型直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种将甲醇作为燃料直接转化为电能的设备。
相较于传统的燃料电池，它具有体积小、重量轻、启动快、运行稳定等优点，因此在便携式电子设备、微型动力供应和紧急能源等领域具有广阔的应用前景。
DMFC的基本原理是将甲醇和氧气在催化剂的作用下发生反应，产生水和二氧化碳，同时释放出电子。
这些电子从电极中流出，通过外部电路提供电能。
受到水和二氧化碳的离子化过程影响，离子流动进入负极，与氢气反应，形成液态水，再通过离子交换膜回到正极。
这样，DMFC就能够实现将化学能转化为电能的功能。
与传统的燃料电池相比，DMFC具有以下优点：1.尺寸小巧：DMFC由于使用微型电解槽和催化剂，因此设备体积小巧，适合用于便携式电子设备和微型动力供应。
2.重量轻：DMFC采用了轻量化的结构设计，加上甲醇燃料具有较高的能量密度，因此整体重量相对较轻。
3.启动快速：DMFC不需要繁琐的预热操作，只需加入甲醇燃料即可启动。
相比之下，传统燃料电池需要经过一段时间的预热操作才能正常运行。
4.运行稳定：DMFC在运行过程中，由于甲醇直接转化为电能，不存在氢气泄漏等安全隐患，因此具有较高的运行稳定性。
5.燃料便捷：DMFC使用的燃料为甲醇，这在很多领域都很常见，且易于储存和通过配送供应。
然而，DMFC也存在一些挑战和限制：1.甲醇负载问题：DMFC使用液态甲醇作为燃料，因此需要在设备中存储大量的甲醇。
这对于体积小巧的设备来说是一个挑战，同时也增加了设备的重量。
2.催化剂选择：DMFC的催化剂是关键的组成部分，直接影响燃料电池的性能和稳定性。
选择合适的催化剂对于提高DMFC的效率至关重要。
3.甲醇氧化反应效率：甲醇氧化反应在DMFC中是一个复杂的过程，其反应速率和效率都会受到一系列因素的影响，如催化剂活性、温度、甲醇浓度等。
总的来说，微型直接甲醇燃料电池具有广阔的应用前景，特别是在便携式电子设备和微型动力供应领域。
燃料电池DMFC综述
直接甲醇燃料电池燃料电池是21世纪首选的“绿色”发电方式,直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell,DMFC)是目前继质子交换膜燃料电池(PEMFC)之后,商业化最好的燃料电池。
它是将甲醇和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。
DMFC除了具有一般燃料电池的优点外,同时还具有室温快速启动、可靠性高、燃料补充方便、体积和质量比能量密度高、红外信号弱、装置轻便机动性强等特点,是一种极有发展前途的清洁能源用功率源,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广泛的应用前景,是燃料电池未来发展的重要方向。
从技术层面上讲, DMFC的研究开发目前依然面临着以下挑战:即①常温下燃料甲醇的电催化氧化速率较慢;②贵金属电催化剂易被CO类中间产物毒化;③在长期使用过程中,甲醇易渗透过质子交换膜到达阴极,使得阴极电催化剂对氧还原性降低、电池性能下降[5-6]。
目前,解决上述问题的方法一是需要开发高活性抗CO中毒的阳极电催化剂;二是需要开发新的质子交换膜,有效地减少甲醇的渗透。
随着将直接甲醇燃料电池组应用到便携式产品进程的加快,这就要求DMFC 在室温和常压下使用,对电催化剂的性能提出更高的要求。
【9】目前,DMFC所用的电催化剂均以铂为主催化剂成分,因为只有铂才具有足够的电催化活性(对于两个电极反应均具有电催化活性)以及在强酸性化学环境中良好的耐腐蚀性能使得它可长期工作。
但是铂的价格较为昂贵,且资源溃乏,使得DMFC的成本居高不下,限制了其大规模的应用。
当前在DMFC催化剂方面研究的重点主要集中于:(1)提高铂的有效利用率,降低其用量;(2)改善其性能衰退问题；(3)寻找新的价格较低的非贵金属催化剂。
1：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”。
微型直接甲醇燃料电池知识讲解
4. μDMFC的发展现状
目前μDMFC研究工作正处于从基础研究向产业化过渡的阶段，一些 高科技公司已经推出了代表当今世界最高技术水平的μDMFC样机或产品。 最具有代表性的公司是MTI、索尼和东芝三家公司的产品。
a MTI样机
b 索尼样机
c 东芝样机
图7 μDMFC样机 株式会社エムティーアイ ，英文名简称同样为MTI，在日本有移动梦工厂的美誉。
3、 微型直接甲醇燃料电池的应用前景
随着电子与信息技术飞速发展，各种微小型便携式电子产品如智能 手机、MP3、笔记本电脑、数码影像设备等不断更新新换代，功能日趋 多样化，功耗不断增加，然而目前常用的锂离子电池能量密度已接近理 论极限 ，已经无法满足人们对便携式电源的进一步需要。
微型直接甲醇直接燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell， μDMFC）具有能量密度高，环境友好，室温启动，结构简单，便于携 带以及燃料来源丰富、价格便宜、携带补充便捷等优点，可广泛应用于 微机电系统、微机器人、微电子设备、微型医疗器械、个人移动通讯设 备等，是一种具有广阔市场应用前景的高新技术。
组极板结构．流场结构中沟道宽度、深度以及梁宽 度是设计中最重要的几个参数。
图9μ结构示意图
(1）双极板
双极板（即流场流场板）的主要作用是支撑扩散层、引导 流体和传导电流。它是DMFC关键组件之一，而流场则是流场 板的核心部分。流场的作用有以下几点： 一、保证电极各部分可以获得充足均匀的燃料与氧化剂，保证 电流密度分布均匀，避免局部过热，提高燃料电池的寿命和性 能； 二、保证一定的流场线速度和压降，并利用尾气将生成物排出, 保证燃料电池正常运行； 三、可以提高燃料和氧化剂的利用率； 四、保证流场板的有效利用面积。
直接甲醇燃料电池
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直接甲醇燃料电池的发展前景
直接甲醇燃料电池相较于目前主流二次电池如锂离子电池或镍氢电池 具有高能量密度的优势。直接甲醇燃料电池的理论能量密是4780Whr/L， 相较于镍氢的200Whr/L、锂离子的310Whr/L都有较大优势。另外与二 次电池蓄电再放电的机制不同，燃料电池可以说是能源转换器，只要 持续供供应燃料即可持续产生电力，不会有电力中断或更换电池的现 象。直接甲醇燃料电池最近几年有了很大提高，其优势表现在不需要 对燃料进行二次转化。从目前的技术水平看，DMFC 的功率密度比氢 氧燃料电池低，因此这类电池更适用于小型电器中，如移动电话、笔 记本电脑等。作为绿色能源，直接甲醇燃料电池发展潜力无限，有着 独特优势，许多国家在政策、资金上都对其商业化给予了极大的支持。 现在，国外的很多厂商都开始研究并着手于以此作为燃料。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。能源危机日益严重的今天,各国 政府和各大企业都积极致力于新能源的开发与应用研究,直接甲醇燃料 电池产业化应用必定指日可待。
直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池（DMFC) 因其体积小，能量 密度大等优点已成为最具发展前景的燃料电池之 一。本文介绍直接燃料电池的工作原理以及应用， 主要论述了直接甲醇燃料电池的优势及其研究方 向。而因直接甲醇燃料电池的优势，使其更多的 应用于便携式设备中。
直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一 种变异，直接甲醇燃料电池使用甲醇而无需预 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，然后再与 氧反应。 这种电池的期望工作温度为120℃，略高于标准 的质子交换膜燃料电池，效率大约是40%。其缺 点是需要更多的白金催化剂。
科技成果——直接甲醇燃料电池(DMFC)
科技成果——直接甲醇燃料电池（DMFC）成果简介直接甲醇燃料电池（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。
从目前的技术水平看，DMFC的功率密度比氢氧燃料电池低，因此这类电池更适用于小型电器中，如移动电话、笔记本电脑等。
美国能源部认为用于发电站和电动汽车的大型燃料电池，商品化制造成本一定要低于$500/kW，而对应用于电子产品中的小型燃料电池，其制造成本可允许高达$2000/kW。
与二次电池相比，微型或小型DMFC主要具有以下优点：（a）长时间连续提供电能；（b）充加燃料方便，它可避免二次电池充电时间长、电池记忆效应、循环寿命短等不便；（c）无污染、回收处理方便。
北京科技大学在国家自然科学基金委、教育部和国家863计划支持下，开展了熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）的研究开发工作，具体包括：（1）Pt基非贵金属多元合金、Pt基过渡金属或稀土金属氧化物催化剂；（2）甲醇溶液中稳定的轻质双极板等材料；（3）催化剂碳载体材料；（4）膜电极及直接醇类燃料电池组样机。
经济效益及市场分析Solar H2 Center、Las Alamos和Motorola等国外研发单位都在研制开发适用于移动通讯和笔记本电脑的DMFC系统。
微型或小型DMFC的开发成功，将解决二次电池能量密度低、充电时间长等问题，可开发电子产品更多的新功能。
而且，各类便携式电子产品不断涌现，对电池的需求在不断增加，市场前景广阔。
移动通讯、笔记本电脑、PDA及电动助力车等将是DMFC的巨大潜在市场。
作为燃料电池中必需的催化剂、质子膜及零部件等关键材料，目前主要来自国外厂家，国内还没有成熟产品。
因此，随着燃料电池的不断发展，燃料电池材料将和二次电池材料一样形成巨大的市场。
因此，一般认为小型燃料电池易达到商品化。
可以预计，在近三至五年内，微小型DMFC很可能成为电子工业中新的经济增长点。
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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型和减小质子交换膜的厚度都可以减少水由阳极到阴极的传输。
同时也减少了甲醇的渗透。
从而使电池可以稳定和持续工作。
Mei Chen [24]等人在DMFC的膜电极的阴极中，采用了双微孔层结构(如图1-1)。
这种双层微孔层分别使用不同种碳黑制得，其中内层微孔层用ketjen 碳黑制得，外层微孔层由碳粉XC-72R制得。
这种双阴极微孔层结构不仅提高了阴极氧气传输速率，还提高了水的反向扩散效率，从而增大了DMFC的功率密度和电池稳定性。
交流阻抗分析表明具有阴极双微孔层结构的直接甲醇燃料电池性能提高的原因可能是阴极氧还原反应时减少了电荷转移电阻。
图1 -2 阴极双微孔层膜电极结构示意图[6]其中（1）阳极扩散层基底；（2）阳极微孔层；（3）阳极催化层；（4）质子交换膜；（5）阴极催化层；（6）阴极里层微孔层；（7）阴极外层微孔层；（8）扩散层基底Giorgi等以Toray-090为基底，制备PEFCs(Polymer electrolyte fuel cells)的扩散层[25]。
他们认为微孔层（MPL）中的聚四氟乙烯（PTFE）可以从两个方面改变扩散层的孔结构。
第一，随着PTFE百分比含量提高，整体的孔隙率下降；第二，催化层的表面积依赖于扩散层中的大孔，而大孔和PTFE百分比含量有关。
在高电流密度的时候，电化学反应由扩散控制，由于孔隙率的增加，整个电池的传质以及在高电流密度时的性能都随着PTFE百分比含量的减小而提高；在低电流密度时，由于大孔的变化，性能在20%PTFE有一个最低点。
所以，电池最好的整体性能是当PTFE百分比含量为0%时获得，但是为防止阴极水淹，扩散层必须具有一定的憎水性。
Zhao等[26]研究表明在阴极采用高PTFE含量的扩散层，有利于将阴极生成的水返压到阳极，有效地解决了整个DMFC系统的水平衡问题。
另外，Reshetenko等[27]在阴极微孔层优化实验中使用的造孔剂是碳酸铵、碳酸氢铵来，成功改变了阴极微孔层的孔结构，提高了DMFC的电池性能。
Q.X.Wu等[28]研究影响阳极扩散层中水的输运的设计参数，包括在扩散层基底中的PTFE参数和在微孔层中的碳粉与PTFE参数。
实验结果表明提高BL中的PTFE含量和引入MPL，可以减少水交叉穿过膜结构时电池性能的损耗。
研究者为了进一步较少水流量，在MPL上使用多壁碳纳米管并提高PTFE的含量，很好的处理DMFC了水管理问题。
如图1-3[28]所示。
图1-3 水通过质子交换膜传输的原理图[28]我国DMFC的研究发展与国外相比，起步相对较晚。
我国燃料电池的理论研究工作从1958年开始，直到90年代，后来因为环境污染问题日益突出、地球上不可再生能源紧张两大难题，燃料电池的研发再次成为我国新能源课题的焦点，继而不断地创造出了很多可喜成果，也相继引来了越来越多的科研机构，加入到燃料电池的研究工作中[29]。
近几年，我国加大了对DMFC的投资力度[30]。
中国科学院大连化学物理研究院，对DMFC进行了较全面地研究，在燃料电池的基础理论、电池材料、装置样品等方面，都取得了不少成果。
哈尔滨工业大学的MEMS中心的DMFC课题，更是获得了国家“973”、“863”等项目基金的大力支持，在微型直接甲醇燃料电池堆的关键技术、DMFC新结构膜电极的研究等方面取得了较好的进展，很大程度上推动了DMFC核心技术的创新研究工作[31]。
1.2.2被动式微型直接甲醇燃料电池的发展被动式DMFC是一种能够直接利用甲醇水溶液（或蒸汽）作燃料，以氧气或空气作为氧化剂燃料电池。
它除了具有DMFC的无污染、高能量密度、高效率、无噪声和可连续工作等优点之外，还因其不使用甲醇蠕动泵和空气泵等方式供料，单纯利用重力、自然对流及毛细作用等方式供反应物，大大减少了电池的功耗，提高了电池的能量利用率[32]。
此外，被动式DMFC一般工作在室温环境和较小的电流密度下，不需要外加温度控制系统及水管理系统，进一步简化了电池结构。
所以各国学者普通认为，被动式DMFC最有希望取代锂离子电池，成为新一代便携式电源[33]。
研究的目的与意义随着MEMS技术的快速发展，近年来人们对军事武器装备便携式供电设备、便携式电子产品电池的需求量飞速增长，也对微型便携式电源的性能有了新的更高要求。
具有微小尺寸并且能量密度高的绿色能源——微型直接甲醇燃料电池（µDMFC），正是最理想的解决方向。
然而，目前的研究结果表明，µDMFC 的实际应用性能并达不到其理论值，主要原因是其基础理论与核心技术上还存在一系列瓶颈亟待解决，特别是在电池内部水和氧气的传质、甲醇渗透以及制作工艺等方面。
当电池工作时，甲醇和水从阳极至阴极的渗透率较高，是致使电池性能下降的关键[34]。
渗透到阴极的甲醇能在阴极催化剂的作用下发生氧化，这不仅降低了燃料效率，而且在阴极会产生复合电位，从而降低了整个电池的输出电压。
从阳极透过膜渗透到阴极的水也能引起两个具有挑战性的问题：引起阳极水消耗和加剧了阴极水淹问题。
DMFC工作过程中大量的水从阳极通过扩散和电迁移作用到达阴极，同时阴极侧氧气发生电化学还原反应生成水，滞留在阴极的水如不及时排出将造成阴极“水淹”，影响氧气向阴极催化剂活性位的扩散[35]。
故为得到高效DMFC，改善电池水管理是十分必要的。
曾有研究表明，在DMFC的阴极微孔层和催化层中添加憎水剂PTFE，会对直接甲醇燃料电池的性能有重要影响[36]。
当微孔层中的憎水剂PTFE含量太低时，其憎水性不足，则水排出能力不足；当憎水剂PTFE的含量太高时，微孔层孔隙率降低，从而会导致氧气传质阻力增加。
另外，含量过多的憎水剂PTFE可能会阻碍液态水的排出，从而导致催化层水淹，所以在设计阴极微孔层结构时，既要保证微孔层具有足够的排水功能，又要保证其具有足够的反应气体传递通道。
类似地，阴极催化层若采用传统亲水型催化层，阳极向阴极侧渗透来的水和阴极反应产生的水，则会在阴极催化层发生滞留，从而会导致阴极水淹，在一定程度上阻碍了氧气的传质，致使电池的性能受到影响。
本论文旨在通过理论分析研究与实验相结合的方法，对传统µDMFC的阴极微孔层和催化层结构进行深入探索和改进为目的，以提高电池的性能。
本课题的主要研究内容本论文对被动式DMFC 的阴极水淹问题及氧气传质等方面进行了研究。
主要内容包括：（1）通过在阴极微孔层中加入不同百分比含量的憎水剂PTFE，来改变直接甲醇燃料电池的憎水性和孔隙率；并进一步在微孔层中构建出PTFE浓度梯度结构，研究分析微孔层憎水性梯度结构对电池输出性能的影响，从而提高电池性能。
（2）在阴极微孔层中加入不同种类、不同百分含量的造孔剂来改变微孔层的孔隙率与孔径分布，分别研究分析它们对阴极水管理和氧气传质的影响。
（3）通过在阴极催化层中加不同量的PTFE制备具有梯度结构的憎水型催化层、加入造孔剂（碳酸铵）以形成催化层孔隙率的纵向梯度分布；（4）在催化层表面加入不同量的SiO2形成吸水层，分别研究分析它们对阴极水管理和氧气传质的影响，从而提高电池性能。
DMFC的结构与工作原理直接甲醇燃料电池的工作原理DMFC电池以甲醇(CH3OH)水溶液为燃料，空气中的氧气为氧化剂。
DMFC的工作原理如图2-1[37]所示。
在DMFC 工作时，阳极腔内的甲醇溶液，由阳极扩散层传质到阳极催化层，在催化剂（PtRu/C）的作用下与H2O发生氧化反应生成CO2，同时释放出电子和质子，如（2-1）式；产物CO2从阳极扩散层中的气体传质通道排出，因为质子可以通过质子交换膜，所以可以通过扩散等方式到达阴极，电子则因其无法通过质子交换膜而必须流经外电路做功后到达阴极。
与此同时，空气中的O2由阴极扩散层传质进入阴极催化层。
在阴极催化剂（Pt/C）的作用下，O2与质子结合，消耗了通过外电路传递来的电子，发生了还原反应，生成H2O，如（2-2）式。
总反应如(2-3)式。
产物H2O从阴极侧排出。
图2-1 DMFC单体电池的工作原理图[37]直接甲醇燃料电池(DMFC)的电极反应式如下：直接甲醇燃料电池的结构原理DMFC主要由阴/阳极集流板板和膜电极构成。