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直接甲醇燃料电池

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直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cells 简写DMFC)是直接利用甲醇水溶液为燃料,氧或空气作为氧化剂的一种新型燃料电池。由于甲醇在室温下为液态,具有很高的能量密度,并且价格便宜,可以直接从石油、天然气、煤等原料中获得,而不需要像间接甲醇燃料电池那样进行燃料重整,简化了重整设备;此外,在燃料获取中能量损耗少,系统效率高。

直接甲醇燃料电池的工作原理

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  •   直接甲醇燃料电池是一种聚合物电池,它的工作原理是: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、电子和二氧化碳。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,二氧化碳在酸性电解质帮助下从阳极出口排出;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。其电极反应如下:

      阳极反应:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e;

      阴极反应:3/2O2+6H++6e→3H2O;

      总反应:CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O。

      与二次电池不同,微型直接甲醇燃料电池只要保持连续的甲醇燃料和氧化剂供给,就会有源源不断的电子通过外部电路从阳极流向阴极产生电能,并对外供电。

直接甲醇燃料电池的特点

  •   直接甲醇燃料电池的特点是:

      1)能量转化效率高,达60%~80%,不受“卡诺循环”限制;

      2)环保。燃料电池的产物主要是水及少量二氧化碳,且噪音小;

      3)比能量高。直接甲醇燃料电池质量比能量和体积比能量分别达到6000Wh/kg和4800Wh/L,远高于蓄电池的比能量。

直接甲醇燃料电池的优点

  •   直接甲醇燃料电池具有能量转化效率高,可靠性强,质能比高,清洁,易启动,无噪音,低辐射,隐蔽性强,模块化结构,灵活方便,可水、电、热联供等优点。

直接甲醇燃料电池影响性能的因素

  •   1、阳极催化甲醇的电催化剂,一般来说阳极催化起始在0.4V左右,商业化使用的是PtRu/C催化剂,约存在0.2~0.4V的过电位,特别是在高电流情况下,过电位更高。

      2、阴极氧还原催化剂,使用的Pt/C催化剂,起始电位约在0.9V左右,存在0.3~0.6V过电位。催化活性还有很大程度的提高。

      3、膜是质子交换膜,其质子交换能力也会影响效率,此外,甲醇的透过性也会影响催化,(甲醇透过膜到阴极后,会产生混合电势影响效率)。

直接甲醇燃料电池的国内研究现状

  •   我国在直接甲醇燃料电池研究方面起步较晚。中国科学院大连化学物理研究所推出了应用于小型风扇、PDA、玩具车以及手机用直接甲醇燃料电池实验演示原型。该所还采用物理气相沉积法在硅片表面沉积金属复合层作为集流体,有效降低了MEMS微型燃料电池的内阻。清华大学微电子研究所对以多孔硅为基础的MEMS微型燃料电池进行了深入研究。中国科学院上海微系统与信息技术研究所对微型燃料电池的电池结构、封装、系统集成等方面的研究也取得了较好的进展。

直接甲醇燃料电池面临的问题

  •   直接甲醇燃料电池虽然最有可能补充和替代目前广泛使用的蓄电池,但是也存在着许多问题:

      1)技术上,催化剂的低活性和甲醇的渗透2个关键技术问题阻碍着微型直接甲醇燃料电池的发展和应用,特别是低温条件下的甲醇阳极催化剂性能亟待提高;

      2)制造上,直接甲醇燃料电池的发展趋势是微型化、集成化和高能化,但是,由于目前燃料电池还未产业化,各种电池零部件的加工有时还达不到设计精度的要求,甚至无法规模加工。同时,电池的微型化、集成化势必引起比能量的下降,这与提高电池比功率密度相矛盾。

      3)成本上,直接甲醇燃料电池所需的催化剂、电解质膜、极板等材料价格昂贵,制备和加工成本高。因此,要使直接甲醇燃料电池商业化并具有竞争力,就必须把电池生产成本降低到目前使用的蓄电池价格上甚至更低。

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