精品文档
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”。
1.1 电池的主要参数
电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时，电池非静电力（化学力）所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作单位。在电池反应中，1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行，同时电池内阻也要引起电动势降，因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大，其内阻越小。
1.2 燃料电池简介
燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来
精品文档
精品文档
说，燃料电池具有以下特点：
（1）能量转化效率高 他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。
（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。 （3）燃料适用范围广。 （4）积木化强 规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。 （5）负荷响应快，运行质量高 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。
依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供。
1.3 能量变化
为了利用煤或者石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。换句话说，我们是把燃料的化学能转变为热能，然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而，燃料非常便宜，虽有这种浪费，也不妨碍我们生产大量的电力，而无需昂贵的费用。还有可能把化学能直接转换为电能，而无需先转换为热能。为此，我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。 一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的，因此不能用于大规模设施。
精品文档
精品文档
2.DMFC工作原理
eCH3OH H2O 甲醇氧化 阳极室 CO2 H+ - 负载 e- 空气（O2） 氧气还原 阴极室 H2O/过量O2/N2 ① ② ③
① 电解质膜
②催化剂层
③扩散层
图1 直接甲醇燃料电池的工作原理
图1为DMFC的结构原理图。DMFC由阳极、电解质膜和阴极构成,阳极和
阴极分别由多孔结构的扩散层和催化剂层组成。通常使用不同疏水性、亲水性的碳黑和聚四氟乙烯(PTFE)作为DMFC阳极和阴极的材料。DMFC电解质的选择可以是碱性,如KOH和NaOH等,也可以是酸性,如H2SO4等,但由于甲醇电催化产物CO2在碱性溶液中易生成溶解度小的碳酸盐,故一般使用酸性电解质。甲醇(液相或者气相)和氧气或空气分别送入阳极和阴极室,在阳极甲醇和水通过阳极扩散层扩散至催化剂层(即电化学活性反应区域),发生电化学氧化反应,生成二氧化碳和质子。二氧化碳则通过阳极扩散层扩散回到阳极室中。而质子则在电场作用下通过电解质膜迁移到了阴极催化剂层,并与由阴极室通过阴极扩散层扩散而至的氧气反应生成水。电子经过外电路也到达阴极。同时在这一过程中,甲醇在扩散和电渗作用下,从阳极渗漏到了阴极,部分甲醇又在阴极催化剂层与氧气反应生成二氧化炭和水[3]。【2】
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- 阴极：3/2O2+6H++6e-→3H2O
总反应:：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
阳极反应的标准电极电势为 0.046V，阴极反应的标准电极电势1.229V，电池的标准电动势为 1.183V。【16，18】
理论上DMFC的E0=1. 18 V,能量转换效率为96. 68%[3]。但实际上存在因电池内部电阻引起的欧姆损失,造成DMFC实际输出电压远小于理想电池标准电压[4]。
精品文档