甲醇燃料电池的制备以及应用
甲醇燃料电池熔融碳酸盐
甲醇燃料电池熔融碳酸盐
摘要：
一、甲醇燃料电池简介
1.甲醇燃料电池的工作原理
2.甲醇燃料电池的优势
二、熔融碳酸盐在甲醇燃料电池中的应用
1.熔融碳酸盐的特性
2.熔融碳酸盐在甲醇燃料电池中的作用
3.熔融碳酸盐对甲醇燃料电池性能的影响
三、甲醇燃料电池熔融碳酸盐的研究现状与发展趋势
1.研究现状
2.技术挑战
3.发展趋势
四、结论
正文：
甲醇燃料电池熔融碳酸盐是一种新型的能量转换技术，具有高效、环保、可再生的优势。
甲醇燃料电池通过甲醇与氧气在电极上发生氧化还原反应，产生电能。
这种电池具有较高的能量密度，可以实现长时间的稳定运行。
熔融碳酸盐在甲醇燃料电池中具有关键作用。
首先，熔融碳酸盐作为电解质，可以提高电池的离子传输速率，从而提高电池的性能。
其次，熔融碳酸盐具有较高的热稳定性，可以承受电池在高温环境下的运行。
最后，熔融碳酸盐
可以降低电池的成本，提高其经济性。
熔融碳酸盐对甲醇燃料电池性能的影响主要体现在以下几个方面：提高电池的开路电压、增加电池的输出功率、提高电池的效率。
这些性能的提高使得甲醇燃料电池在新能源领域具有广泛的应用前景，如交通运输、电力储能等。
目前，甲醇燃料电池熔融碳酸盐的研究现状良好，但仍面临一些技术挑战。
例如，如何提高熔融碳酸盐的离子传输速率、热稳定性以及电池的循环寿命等问题。
此外，如何降低电池成本、提高电池能量密度等问题也需要进一步研究。
展望未来，随着科学技术的进步，甲醇燃料电池熔融碳酸盐技术将不断完善。
甲醇燃料电池Microsoft Word 文档
直接甲醇燃料电池阴极催化剂关键技术研究进展摘要直接甲醇燃料电池技术是实现清洁能源的一个重要途径，其关键问题之一是阴极催化剂的选择性调控，即提高氧还原活性和抑制甲醇氧化。
综述了近年来直接甲醇燃料电池阴极关键技术的研究进展，从催化剂的组成、制备方法及活性位三个方面进行了综述。
关键词直接甲醇燃料电池氧还原电催化关键技术Advance In key Techniques of Cathodic Catalysts For Direct Methanol Fuel CellAbstract Direct methanol fuel cell is an important route to realize clean energy. The key point is the control of catalyst selectivity, that is to say how to suppress Methanol oxidation and to improve Oxygen reduction activities. This paper reviews the development of key techniques in research on cathodic catalysts for DMFC, namely composition, preparation method and active sites of catalysts.Keywords DMFC; Oxygen reduction; electrocatalysis; key technique0.引言1839年，英国的William Robert Grove发现了用H2和O2为原料，Pt为电极产生电的方法（简称燃料电池）。
1896年，William W. Jacques实现了具有应用能力的燃料电池[1]。
1990年，美国南加州大学同美国宇航局喷气推进实验室联合发展了直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC）[2], 直接以甲醇燃料供给来源，在阳极氧化为二氧化碳和氢，无需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电[3]。
甲醇燃料的用途和应用领域
甲醇燃料的用途和应用领域随着人们环保意识的不断提高，越来越多的汽车制造商开始将触角伸向甲醇燃料这个领域。
甲醇燃料具有能源密度高、燃烧效率高、清洁环保等特点，成为了替代传统石油燃料的一种有力选择。
除了作为车用燃料外，甲醇还有许多其他的用途和应用领域。
下面我们就来一起了解一下。
一、甲醇燃料的应用甲醇燃料是一种新型的燃料，可以在燃烧过程中产生少量的二氧化碳和其他有害物质，且能够替代传统的石油燃料，应用前景广阔。
目前，甲醇燃料主要用于两种类型的车辆，即重型卡车和公交车。
1.重型卡车重型卡车的燃油消耗量很高，而且尾气排放量巨大，它们对环境的污染程度远远高于轿车等其他小型车辆。
因此，作为重型卡车的替代品，甲醇燃料显得尤为重要。
研究表明，采用甲醇燃料的卡车可以减少尾气排放，减少温室气体的排放，而且还有助于降低石油依赖度和节约能源。
2.公交车公交车的运行次数很多，排放的尾气量也很大，而且还会对空气质量和环境产生很大的影响，严重的话甚至会影响人们的身体健康。
因此，使用甲醇燃料的公交车可以大幅度减少尾气排放量，提高整体环保水平，降低空气污染程度。
二、甲醇燃料的其他用途除了作为车用燃料外，甲醇还可以用于许多其他的领域，下面我们就来一起了解一下：1.涂料行业甲醇可以作为溶剂用于涂料制造，不含挥发性有机物，具有环保、高效的特点。
同时，在生产过程中使用甲醛等有机物溶剂会产生致癌物质，而甲醇可以替代这些有机物，从而降低致癌物质的危害。
2.化肥行业甲醇可以与天然气合成甲烷，再与空气氮合成氨，这样生产出的化肥成分非常单纯，没有农业用的危害性物质。
同时，与氨比较，甲醇的化肥产出过程能够节约90%以上的能源，还原了从燃料泵到化肥生产的整个链条中的能源浪费。
3.化学品行业甲醇的合成时间短、易于回收，可以制造甲醛、甲硫氨酸、甲基甲酰氨以及甲酸等化学品。
这些化学品在医药、涂料、家电、纺织、塑料和玻璃等领域的应用非常广泛。
4.能源再生利用在能源短缺的背景下，甲醇还可以被再生利用，用作制氢或阳极燃料。
甲醇燃料
使用燃料電池的移动電話
使用燃料电池的笔记本电脑
11化工1班第一小组倾情奉献
甲醇燃料电池及催化剂
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 + 4OH-= 2CO32- + 6H2O 正极：O2 + 4e（-）+ 2H20 → 4OH（-） 负极：CH4O - 6e（-） + 8OH（-） → CO3（2-） + 6H2O 酸性条件: 2CH4O +3O2→2CO2+4H2O 正极：O2 + 4e（-） + 4H（+） → 2H2O 负极：CH4O - 6e（-） + H2O → 6H（+） + CO2 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。
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甲醇燃料电池及催化剂
优势
缺陷
技术困难
体积小巧 、燃 料使用便利、 洁净环保、 理 论能量比高
能量转化率低、 性能衰减快 、成 本高
1.催化剂采用贵金属 纳米催化剂 ，成本 高。活性及稳定性 达不到理想要求 2. 质子交换膜杜邦公 司Nafion膜甲醇透 过很严重，造成燃 料浪ห้องสมุดไป่ตู้，阴极混合 电位，性能下降 3. 电池集成针对DMFC 的集成技术还不完 善
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。
甲醇固体氧化物燃料电池方程式
甲醇固体氧化物燃料电池方程式甲醇固体氧化物燃料电池（Methanol Solid Oxide Fuel Cell, MSOFC）是一种新型的高效能转化化学能为电能的燃料电池，被广泛应用于航空、航天、交通和家庭、工业领域等。
对于了解 MSOFC，了解其方程式是非常重要的。
本文将通过对 MSOFC 方程式的解析和讲解，来阐明MSOFC 的构成、特性和作用，为读者提供更深层次理解MSOFC 的方法。
一、甲醇固体氧化物燃料电池简介甲醇固体氧化物燃料电池是将甲醇燃料与氧气通过MSOFC，利用氧化还原反应来将化学能转化为电能的一种电池。
其核心构成部分为一个由固态电解质，阳极，阴极和阳极催化剂组成的复合体。
在该复合体的阳极催化剂的作用下，甲醇与氧气发生化学反应，形成 CO2，H2O 和电能。
该过程既减少了甲醇的使用量，又减少了与甲醇燃料相关的环境问题和能源消耗。
二、甲醇固体氧化物燃料电池方程式MSOFC 的方程式就是甲醇与氧气在电解质表面的反应方程式，可以表示为以下反应：CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O + 6e反应式中 CH3OH 为甲醇，O2 为氧气，CO2 和 H2O 为反应产物。
而 6e ，表示放出 6 个电子，代表着产生的电能。
通过该反应可以看出，该过程所需要的产品都比较简单，相较于其它燃料电池也许会较为简单。
三、方程式解析（一）氧化还原反应通过该反应式，我们可以看出 MSCOF 是一种氧化还原反应。
通过 MSOFC 产生电能的过程实质上就是经历了一系列的多级氧化还原反应。
在高温环境下，甲醇经过蒸汽重整产生氢气，同时氧气被输送到电解质的表面，然后与甲醇发生多链路反应，释放出电子。
同时，氢气和甲醇的氧化物随着电解质的工作温度的提高，发生一系列的化学反应，将化学能转化为电能。
（二）什么是固态电解质在 MSOFC 中，固态电解质扮演着哪个角色呢？电池中的电解质是承载着离子转移的材料，它负责将离子从阳极传播到阴极。
直接甲醇燃料电池的结构
直接甲醇燃料电池的结构一、引言直接甲醇燃料电池是一种新型的燃料电池技术，具有高效、环保、安全等特点。
其结构复杂，需要多个部件协同工作，本文将对直接甲醇燃料电池的结构进行详细介绍。
二、直接甲醇燃料电池概述直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料的低温燃料电池。
其工作原理是通过将甲醇和氧气反应产生电能，并且产生水和二氧化碳等副产品。
相比于传统的燃油发动机，直接甲醇燃料电池具有更高的效率和更少的环境影响。
三、直接甲醇燃料电池结构1. 正极板正极板是指负责氧气进入反应区域并与负极反应的板子。
它通常由铜或不锈钢制成，并且需要在表面涂上催化剂以促进反应。
2. 负极板负极板是指负责将甲醇输送到反应区域并与氧气反应的板子。
它通常由铜或不锈钢制成，并且需要在表面涂上催化剂以促进反应。
3. 膜电解质膜电解质是指分隔正极板和负极板的薄膜，它可以防止电荷的直接传递，同时也可以保证氧气和甲醇反应时产生的水不会混合在一起。
4. 催化剂层催化剂层是指涂在正极板和负极板表面的催化剂，它可以促进甲醇和氧气的反应，从而产生电能。
5. 氧气输送管氧气输送管是负责将氧气输送到正极板的管道。
它需要具有良好的导电性能和耐腐蚀性能。
6. 甲醇输送管甲醇输送管是负责将甲醇输送到负极板的管道。
它需要具有良好的导电性能和耐腐蚀性能。
7. 冷却系统冷却系统是负责控制燃料电池温度的系统。
由于燃料电池工作时会产生大量热量，因此需要通过冷却系统将热量散发出去，以保证燃料电池的正常工作。
8. 水排放管水排放管是负责将反应产生的水排放出去的管道。
由于水会影响膜电解质的工作效果，因此需要及时将其排出。
四、总结直接甲醇燃料电池是一种高效、环保、安全的新型燃料电池技术。
其结构复杂，需要多个部件协同工作。
本文详细介绍了直接甲醇燃料电池的结构，包括正极板、负极板、膜电解质、催化剂层、氧气输送管、甲醇输送管、冷却系统和水排放管等部件。
燃料电池设计讲座(3)直接甲醇燃料电池(DMFC)的原理
直接甲醇燃料電池（DMFC）介紹直接甲醇燃料電池是數種燃料電池中的一種，是以質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）為基礎而發展的燃料電池。
於1990年後PEMFC在關鍵材料的研發有了突破性發展，DMFC效能也隨之上揚，直接甲醇燃料電池顧名思義是一種直接以甲醇為燃料（沒有經過重組器轉換）的燃料電池。
由於2000年代以後攜帶式電子產品（如手機、PDA、筆記型電腦等）的需求逐年增加，其功能性與使用率都大幅提高，相對而言，電子產品本身的耗電功率也增加許多。
而直接甲醇燃料電池所提供的高功率密度與電力的續航力，與甲醇燃料於常溫常壓下易於儲存與運送的特性，可因應未來攜帶式電子產品高功率的需求。
DMFC反應原理與反應化學式燃料電池是一種將化學能轉換成電能的裝置，而DMFC是將甲醇燃料的化學能轉換成電能使用，主要的工作原理如圖1.1所示；甲醇與水混合成甲醇水溶液由陽極端入口進入至陽極的觸媒層進行陽極的氧化半反應，陽極的半反應一個甲醇分子會發生6電子和6個氫離子電荷轉移過程，電子會藉由外部的電子導線傳導至陰極，而氫離子會藉由中間的高分子聚電解質薄膜傳導至陰極，由陽極傳導至陰極的電子與氫離子會與空氣中的氧在陰極觸媒層中發生陰極的還原半反產生水還有熱，其陽極半反應式與陰極半反應式如1-1與1-2式所示，總反應式1-3，其總反應電位為1.183V。
陽極半反應：CH3OH + H2O →CO2 + 6H+ + 6e- Ea0=-0.046 vs.SHE （1-1）陰極半反應：6H+ + 3/2 O2 + 6e- →3H2O Ec0=1.229 vs.SHE （1-2）總 反 應：CH3OH + 3/2 O2 →CO2 + 2H2O Ecell0=1.183V （1-3）圖1.1直接甲醇燃料電池工作原理示意圖由陽極的氧化的半反應方程式可知，每消耗１莫耳（mol）的甲醇，同時也需要１莫耳（mol）的水參與反應，故陽極端的燃料必須將甲醇與純水混合而成的甲醇水溶液，因反應的需要會將甲醇水溶液調配成不同濃度使用。
直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池（理学院，材料科学与工程系，材料科学与工程专业余志勇）（学号：2000143001）内容提要：制备了一只面积为3×3cm2的直接甲醇燃料电池，优化了有关制备工艺，测定了在不同放电电流、不同甲醇浓度和不同有机物作燃料时的放电性能。
结果发现，制备过程中电极干燥处理和MEA热复合时温度对电池的性能有至关重要的影响。
同时还发现，低电流放电时，提高甲醇浓度，工作电压下降；在以1mol/L甲醇溶液为燃料时，放电电流为50mA时，电池输出功率达到最大。
在室温低电流密度下，不同物质的水溶液作燃料时，工作电压存在下列次序：异丙醇>甲酸>甲醛>甲醇。
关键词：直接甲醇燃料电池；质子交换膜燃料电池；电催化剂教师点评：论文制备了一只小面积单体直接甲醇燃料电池，在室温下的工作性能很好，说明作者掌握了直接甲醇燃料电池制备过程中的几个关键点，对制备工艺有较好的理解。
对电池电学性能的分析也较深入合理。
论文条理清晰，结论可靠。
（点评教师：朱光明，副教授）第一章绪论1.1 燃料电池概述1.1.1 燃料电池历史、现状与未来燃料电池是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。
它以电化学反应的方式将燃料不经过燃烧直接由化学能转变为电能。
与一般电池不同，燃料电池所用的燃料和氧化剂并不是贮存在电池内，而是贮存在电池外。
在这一点上，它又与内燃机相似。
因此，燃料电池又被形象的称为“电化学发电机”[1]。
燃料电池具有能量转化效率高；环境污染少，无噪声，操作简便，建设周期短等优点。
其使用灵活性很大，既可大功率集中供电，也可以小功率分散或移动供电。
自本世纪60年代起，燃料电池引起了各国科学家的广泛注意[2]。
随着其本身技术的发展，以及近年来世界范围内的能源危机和环境污染等问题日益严重，燃料电池的研究受到普遍的关注。
美国、加拿大、德国、日本和俄罗斯等经济或科技大国已将燃料电池的开发列为国家发展的一个重要战略目标。
甲醇制氢技术及在燃料电池中的应用
甲醇裂 解 制 氢 因有 很 大 的应 用 范 围 而 引 起 持 续 的关 注 甲醇裂 解反应 可在 常压条 件下发 生 ．一 般反 应温 度 为 ２ ０ ５ ０Ｃ 燃机 产生 的废 热 可 以提 ０ ～ ０ ￣ 供 这一 吸热 反应所需 的热 量 ．为这一 过程创 造 了很
限制 所 ．如 １０ １０ ０ｍ３ｈ的用 户 ． 由于 甲醇 的 ０ ～ ０ ／
易 于运 输 ．易 于获 得 等 特 点 ．使 甲醇 制 氢技 术 倍
受 关 注 ．并 应 用于 众多 特定 的场 所
大 的便 利 条 件 ．而 单一 的原 料 也 是 一 大 优 点 ．从
而使 甲醇 裂解 制 氢在 ３种 方法 中有 很强 的竞争 力
利 用 ．故 不 适用 于 小规 模 制 氢 而 甲醇 转 化 制 氢
反 应 温 度 低 （ ６ ～ ８ ￣ ，工 艺 条件 缓 和 ．燃 料 ２ ０ ２ ０Ｃ）
甲醇 部 分 氧 化 制 氢 是最 近 十几 年 才 发 展 起 来
的 该方 法 的优 势 在 于这 一 反 应 为放 热 反 应 ． 因
２０ 年 ０８
第２ ６卷
水 电解制 氢 （ 一般 小于 ２ ０ｍＶ ）是 一种 比较成 熟 ０ ｈ
２２１ Ｃｕ系催化 剂 ．．
包括 Ｃ ／ ｎ ｕ Ｚ Ｏ二元或 多元 催化剂 和 Ｃ ／ ｒ ｕ Ｃ 二元
的制氢方法 ，但 由于它 电耗高 ，其单位 氢气 成本 较
高 。郝 树仁 等 ［ 算得 出 ．一套 规 模 为 １０ ０ｍ ３ ］ 测 ０ Ｖｈ
此 不 需要 提 供 附 加 的 加热 装 置 ．并 且 另 一 原 料 可 直 接取 自空 气 中的 氧 气 ．这 些 优 点 大大 有 利 于 甲 醇 制 氢装 置 的小 型 化 ．为 甲醇 氧化 制 氢 在 燃 料 电 池 中应 用奠 定 了基础 甲醇裂 解制 氢 和 甲醇 重 整制 氢 已实 现 产业 化 ． 正 在 为诸 多 中小用 氢量 的场 所提 供 氢气 。 甲醇制 氢工 艺 特点 ：
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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:3ö2O2+6e-+6H+→3H2O(2)电池的总反应是:CH3OH+3ö2O2→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=(-$G)ö(-$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)。