纯甲醇进样全被动式直接甲醇燃料电池阳极集成式结构
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。
长春应化所发明成功新型直接甲醇燃料电池
长春应化所发明成功新型直接甲醇燃料电池
一
里程碑 ： 甲烷 与金属 结合
美 国亚 利 桑 那 大 学 的 科 学 家 们 已 成 功 将 金 属 原 子插 入
种采 用 纯 甲醇 进 料 方 式 的 被 动 式 自呼 吸 直 接 甲醇 燃
料 电池 ， 日前 由 中科 院 长 春 应 用 化 学 研 究所 发 明成 功 。该 电
ｃ ｅ ｃ ｎ ｕｔ ａ ｒｃ ｓ ｓａ ｄ ｓｍｅｏ ｉ ｄ ｘ ｓｍｅ ｅｓａ ｄ ｒｓｏ ｉｈ ｐ ｒｔ ａ ｂ ｎ ｍｏ ｏｉ ｅ ｂ ｔｍｏ ￣ａ ｉｇ ｔ ａ－ ｈ ｍｉａ ｉｄ ｓ ｉ ｐｏ ｅｓ ｏ ｔ ｉ ｅｅ ｔｔ ｔｎ ａｄ ｆｈ ｕ ｙ ｃ ｒｏ ｎ ｘｄ ， ｕ ｒ ｃ ｎｎ ｒ ｔ ｌ ｒｌ ｅ ｎ ｆ ｓｎ ｈ ｇ ｉ ｅ ｅ
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５ ２
天然 气化 工
２１ 第 ３ ０ ０年 ５卷
可见 ， 光 明 院标 准 比较 ， 与 工业 变 压 吸 附装 置
分离所 获 得的 Ｃ Ｏ中 的 Ｏ 和 Ｈ 含 量达 到 了高纯 级 Ｃ Ｏ的较低 要 求 ， Ｃ 、 ２ Ｃ ： 量 还不 能达 到 而 Ｈ４ 和 Ｏ 含 Ｎ
国石 化 出 版社 ，９ ９５ ４５ ５５ ３５ ７ １ ９ ：５ ． ５ ， －６ ６
一
［ 高 滋 ， 鸣元 ， 逸 云 ． 石 催 化 与 分 离技 术 【 ． 京 ： ５ ］ 何 戴 沸 Ｍ】 北 中
甲醇燃料电池：技术、应用与发展前景
甲醇燃料电池：技术、应⽤与发展前景⼀、引⾔随着全球能源危机和环境问题的⽇益严重，燃料电池作为⼀种⾼效、环保的能源转换技术，受到了⼴泛关注。
其中，甲醇燃料电池因其独特的优势，如燃料来源⼴泛、储运⽅便、能量密度⾼等，成为了⼀种具有⼴阔应⽤前景的新型能源。
本⽂将从甲醇燃料电池的原理、技术、应⽤和发展前景等⽅⾯进⾏深⼊探讨。
⼆、甲醇燃料电池的基本原理甲醇燃料电池是⼀种通过甲醇与氧⽓的化学反应产⽣电能的装置。
其基本原理是将甲醇在阳极（正极）处进⾏氧化反应，⽣成⼆氧化碳、质⼦和电⼦。
质⼦通过电解质膜传递到阴极（负极），⽽电⼦则通过外部电路传递到阴极，产⽣电流。
在阴极处，氧⽓与质⼦和电⼦发⽣还原反应，⽣成⽔。
整个反应过程中，甲醇的化学能被转化为电能和热能。
三、甲醇燃料电池的关键技术1.电解质膜：电解质膜是甲醇燃料电池的核⼼部件，其性能直接影响到燃料电池的性能。
⽬前，常⽤的电解质膜有质⼦交换膜（PEM）和碱性电解质膜。
PEM具有较⾼的质⼦传导性能和稳定性，但成本较⾼；⽽碱性电解质膜则具有较低的成本和较好的耐甲醇性能。
2.催化剂：催化剂是甲醇燃料电池中的关键材料，⽤于加速阳极和阴极的化学反应。
⽬前，常⽤的催化剂为铂基催化剂，但铂资源有限且成本⾼昂。
因此，开发⾼效、低成本的新型催化剂是甲醇燃料电池领域的研究热点。
3.电池结构：电池结构的设计对于提⾼甲醇燃料电池的性能具有重要作⽤。
合理的电池结构可以提⾼电极与电解质的接触⾯积，降低传质阻⼒，从⽽提⾼燃料电池的功率密度和效率。
四、甲醇燃料电池的应⽤领域1.移动电源：甲醇燃料电池具有⾼能量密度和快速加注的特点，⾮常适合作为移动电源应⽤于电动汽⻋、⽆⼈机等领域。
与传统锂离⼦电池相⽐，甲醇燃料电池具有更⻓的续航⾥程和更快的充电速度。
2.分布式能源：甲醇燃料电池可以作为分布式能源系统的重要组成部分，为家庭、医院、学校等提供清洁、可靠的电⼒和热能。
在可再⽣能源发电不稳定的情况下，甲醇燃料电池可以作为备⽤电源，保证电⼒供应的稳定性。
甲醇燃料电池技术
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燃料电池工作原理、分类及组成_图文
磷酸 (PAFC)
电解质
KOH
含氟质子交换膜
H3PO4
阳极
Pt/C
Pt/C
Pt/C
阴极
C(含觸煤)
流动离 子
操作温 度 可用 燃料
特性
OH-
室温~100℃
精炼氢气 电解副产氢气 1.需使用高纯度氢
气做燃料 2.低腐蚀性及低温
较易选择材料
Pt/C
H+
室温~80℃
天然气、甲醇 汽油
1.功率密度高， 体积小，重量轻 2.低腐蚀性及低溫 ，较易选择材料
当采用甲醇水溶液作燃料时，DMFC的核心部件MEA阳 极侧是浸入甲醇水溶液中的，加之在DMFC工作时， 又有C02的析出；而阴极侧，排水量也远大于电化学 反应生成水，不管是气化蒸发以气态排出，还是靠 毛细力渗透到扩散层外部被气体吹扫以液态排水， 均会对电极与膜之间结合界面产生一定分离作用力。
因此，在制备DMFC的MEA时，与PEMPC的MEA相比，要改 进结构与工艺，增加MEA的电极与膜之间的结合力，防 止MEA在电池长时间工作时膜与电极分离、增加欧姆极 化，大幅度降低电池性能，严重时导致电池失效。
根据电池工作温度不同，AFC系统可分为中温型与 低温型两种。
前者以培根中温燃料电池为代表，它由英国培根 (F．T．Bacon)研制，工作温度约为523K，阿波罗 登月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。
低 温 型 APC 系 统 的 工 作 温 度 低 于 373K ， 是 现 在 AFC系统研究与开发的重点。
因此与PEMFC相比，DMFC阴极侧不但排水负荷增 大，而且阴极被水掩的情况更严重，在设计DMFC 阴极结构与选定制备工艺时必须考虑这一因素。
正因为如此，在至今评价DMFC时，阴极氧化剂(如 空气中氧)的利用率均很低，其目的是增加阴极流 场内氧化剂的流动线速度，以利于向催化层的传质 和水的排出，但这势必增加DMFC电池系统的内耗， 这是研究高效大功率DMFC电池系统时必须解决的 技术问题。
直接甲醇燃料电池
K. Kanamura, Prof. Tokyo Metropolitan University,
@ Small Fuel Cell 2003
Value proposition for a fuel cell powered device: Wh
Energy density, operating time, instant re-fuel Example: remote laptop power consumption
Would you productivity increase by having one of those? How much would you like to pay for it? Is carrying a cartridge okay?
Samsung - SAIT
2003 2004 2004
Mark hampden-Smith, Superior MicroPowders @ Small Fuel Cells 2003
Methanol fuel cell
Power Range and Operating Temperatures Range of Fuel Cells Power Range
DMFC for notebook PC (2)
Output: 13W (20 W peak), 15 V, 10 hr operation Weight: 1200 g (with fuel cartridge) Size: 27 x 7 x 5.5 cm Fuel: 100 ml MeOH
東芝新款燃料電池手機僅厚17mm(2008)
Toshiba
Prototype passive DMFC (wearable thumb size power source)
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。
【国家自然科学基金】_被动式直接甲醇燃料电池_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8
2011年 科研热词 部分卸载 被动式自呼吸电池 被动式供料 自呼吸 直接甲醇燃料电池 甲醇透过 甲醇浓度 动态性能 推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8
科研热词 推荐指数 被动式直接甲醇燃料电池 1 被动式 1 自然对流 1 空气自呼吸 1 直接甲醇燃料电池 1 电堆 1 性能 1 微型直接甲醇燃料电池 1
2008年 序号 1 2 3 4 5
科研热词 被动式 直接甲醇燃料电池 电池性能 工艺参数 化学电源
推荐指数 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
科研热词 直接甲醇燃料电池 被动式 被动式直接甲醇燃料电池(dmfc) 自呼吸 电池温度 阴极扩散层 透水压 透气性 被动式供燃料 膜电极 电池性能 电堆 物质传输 液态进料 微型燃料电池 孔隙率 传质强化 传质
推荐指数 4 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
科研热词 推荐指数 直接甲醇燃料电池 2 动态响应 2 被动式直接甲醇燃料电池 1 被动式供料 1 被动式 1 自呼吸 1 电压 1 温度 1 水淹 1 放电性能 1 加载方式 1 传质 1
2014年 序号 1 2 3 4
2014年 科研热词 推荐指数 聚四氟乙烯(ptfe) 1 聚吡咯(ppy) 1 直接甲醇燃料电池(dmfc) 14 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究现状及展望
Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2021, 11(2), 66-75Published Online March 2021 in Hans. /journal/hjcethttps:///10.12677/hjcet.2021.112009直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究现状及展望李贵贤，祁建军，王东亮，周怀荣，王靖靖，李红伟*兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州收稿日期：2021年1月8日；录用日期：2021年2月27日；发布日期：2021年3月5日摘要直接甲醇燃料电池(DMFC)因其具有能量密度高、绿色环保和体积轻便等优势得到广泛关注，其中阳极催化剂活性是决定燃料电池性能、寿命的关键因素。
近年来，研究者围绕提高阳极催化剂性能和降低催化剂成本这两个方面展开研究，推动了DMFC的蓬勃发展。
本文介绍了电催化剂的催化机理及其分类，详细综述了贵金属催化剂和非贵金属催化剂的合成方法，结合当前研究进展对甲醇电催化剂未来的发展趋势进行展望。
关键词直接甲醇燃料电池，贵金属催化剂，非贵金属催化剂Research Progress and Prospect of AnodeCatalysts for Direct Methanol Fuel CellsGuixian Li, Jianjun Qi, Dongliang Wang, Huairong Zhou, Jingjing Wang, Hongwei Li*School of Petrochemical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou GansuReceived: Jan. 8th, 2021; accepted: Feb. 27th, 2021; published: Mar. 5th, 2021AbstractDirect methanol fuel cell (DMFC) has attracted wide attention due to its advantages of high energy density, environmental protection, and lightness. Among them, the methanol oxidation electroca-talyst is a key factor that determined the performance, life and cost of fuel cells. In recent years, researchers have carried out a lot of researches on improving the activity of anode catalysts and*通讯作者。
燃料电池工作原理、分类及组成
电解质材料
• PAFC的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，在高温
下具有良好的离子导电性，所以PAFC的工作温度在200℃左右。 磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶液中可离析出 导电的氢离子。浓磷酸（质量分数为100%）的凝固点是42℃， 低于这个温度使用时，PAFC的电解质将发生固化。而电解质的 固化会对电极产生不可逆转的损伤，电池性能会下降。所以 PAFC电池一旦启动，体系温度要始终维持在45℃以上。
位与Pt/C或Pt电催化剂作用下发生电化学氧化，并 与氧的电化学还原构成短路电池，在阴极产生混合 电位。
甲醇经膜的这一渗透，不但导致氧电极产生混合电 位，降低DMFC的开路电压，而且增加氧阴极极化和
降低电池的电流效率。
不同浓度下和负荷条件下
甲醇渗透的变化
DMFC与PEMFC不同点
1）由甲醇阳极氧化电化学方程可知，当甲醇阳极氧化时，不但
在过去相当长的一段时期内，AFC系统的研究范围
涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池结构、材
料与电性能等。
根据电池工作温度不同， AFC 系统可分为中温型与
低温型两种。
前者以培根中温燃料电池为代表，它由英国培根
(F ． T ． Bacon) 研制，工作温度约为 523K ，阿波罗 登月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。
隔膜材料
• PAFC的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜， 它由SiC和聚四氟乙烯组成，写作SiC-PTFE。新型的SiC-PTFE隔膜 有直径极小的微孔，可兼顾分离效果和电解质传输。 • 设计隔膜的孔径远小于PAFC采用的氢电极和氧电极（采用多孔气体 扩散电极）的孔径，这样可以保证浓磷酸容纳在电解质隔膜内，起 到离子导电和分隔氢、氧气体的作用。隔膜与电极紧贴组装后，当
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第十七次全国电化学大会
纯甲醇进样全被动式直接甲醇燃料电池阳极集成式结构
武慧娟a,b，张海峰b,*，陈鹏a,b，郭静b，郑军伟a，杨辉
b,*
（
a苏州大学材料与化学化工学部，苏州，215123；b
中国科学院上海高等研究院，上海，201210,
E-mail:zhanghf@sari.ac.cn
）
直接甲醇燃料电池（DMFC）由于其具有能量密度高、无需充电、携带方便、环境友好等特点，
越来越受到了人们的青睐[1]。为了满足便携式电子产品的需要，发挥DMFC能量密度高的优势，实现
全被动式DMFC纯甲醇进样[2,3]，本实验设计了以多孔钛基阳极集成结构。该结构集成了多孔钛板、渗
透蒸发膜、甲醇汽化室和CO2管理通道，以实现DMFC直接以纯甲醇为燃料高性能稳定运行。其中多孔
钛板控制甲醇传质速率，并传导电子；渗透蒸发膜实现了全被动式液体燃料的汽化；甲醇汽化室能
够均匀分配气态燃料至电池的活性区域；CO2管理通道能及时排出反应产物。DMFC采用这种阳极集成
结构，以纯甲醇为燃料，在25oC，最大功率密度可达40mWcm-2，能量密度达到489WhL-1。电池性
能比传统4.0M甲醇溶液的性能高，能量密度显著提高，且连续工作90多个小时，电池性能基本稳定，
无明显衰减,证明DMFC采用这种紧凑的阳极集成结构有助于降低系统体积，提高系统的能量密度。
图1
多孔钛板阳极集成结构的DMFC以纯甲醇和传统结构以4M甲醇进样DMFC性能比较(a)和采用多孔钛
板基阳极集成结构的DMFC以纯甲醇进样、在40mAcm-2下恒电流放电性能(b)
Fig.1PerformancecomparisonoftheDMFCsbetweentheTi-IASfedwithneatmethanolandthe
conventionalstructurefedwith4Mmethanol(a)andDurabilitytestofthepassiveTi-IASbasedDMFCat
40mAcm-2withneatmethanolasfuel(b)
本研究为国家重大科学研究计划(2012CB932803)，国家科学自然基金(21276158)和上海科学技
术委员会(12ZR1431200，11DZ1200400)资助项目。
参考文献：
[1]S.Chen,F.Ye,W.Lin,InternationalJournalofHydrogenEnergy,2010,35,8225.
[2]C.Xu,A.Faghri,X.Li,InternationalJournalofHydrogenEnergy,2011,36,8468.
[3]Q.X.Wu,T.S.Zhao,R.Chen,W.W.Yang,InternationalJournalofHydrogenEnergy,2010,35,10547.
IntegratedAnodeStructureforPassiveDMFCswithNeatMethanolOperation
HuijuanWua,b,HaifengZhangb,*,PengChena,b,JingGuob,JunweiZhengaandHuiYangb,*
（aCollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandMaterialsScience,SoochowUniversity,Suzhou215123；
b
CenterforEnergyStorageandConversion,ShanghaiAdvancedResearchInstitute,ChineseAcademyof
Sciences,Shanghai201210,Email:zhanghf@sari.ac.cn
）
04080120160200
0.00.20.40.60.8 Neat 4MCurrent density / mA cm-2Cell voltage / Va0
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