直接甲醇燃料电池技术分析与展望
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直接甲醇燃料电池技术分析与展望
作者：穆昕
来源：《中国化工贸易·下旬刊》2017年第02期
摘要：直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell ，DMFC）是直接以甲醇作为阳极燃料的质子交换膜燃料电池。本文介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理，重点分析了目前DMFC 技术的核心问题，并指出了相应的解决方案，展望了发展前景。
关键词：甲醇；燃料；电池技术
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。
1 工作原理
甲醇水溶液被输送到阳极，发生电催化氧化反应，生成CO2，同时释放出电子和质子，电子经过外电路到达阴极，而质子则通过电解质传导至阴极，和电子及氧气发生反应，生成水。
2 DMFC技术分析
目前，在DMFC技术中，甲醇氧化动力学慢过程和甲醇渗透是制约其发展的主要问题，很多研究围绕着如何解决着两个问题展开。
2.1 甲醇氧化动力学慢过程
在DMFC 中，甲醇的阳极氧化涉及六个电子的传递过程，比氢气的氧化更为困难。很多学者就其氧化机理做了研究，并且致力于开发高效的阳极电催化剂。
2.1.1 阳极电催化剂
最常用的是Pt或Pt合金催化剂。在基础研究方面，Wieckowski等研究发现，Pt （1 1 1）晶面抗中毒能力最强；通常添加Ru做为助剂，Dinh等提出，低电位下Ru+H2O→RuOH，RuOH的存在有助于CO的脱除；Ru含量在50%时，活性最好；J.W.Long等认为，Ru以RuOxHy形式存在时，催化活性高，因此制备时应尽量扩大纳米级Pt与RuOxHy的接触界
面。另外，活性与分散度有关，Watanabe等发现，当催化剂的粒径大于20?时，活性不再提高；Kaurenan等发现，金属相在炭黑（acetylene black）分散度低，在炭黑（Vulcan XC-72）分散度高，因为上面有大量微孔结构。因此在制备过程中，都要尽量提高活性组分的分散度，分散度越高，活性越好。
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。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
甲醇生产工艺经济与成本分析
甲醇生产工艺经济与成本分析 甲醇是重要的有机化工基础原料，可用于生产甲醛、醋酸、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、对邻苯二甲酸二甲酯(DMT)等多种化工产品。中国甲醇消费结构为：MTBE、二甲醚和掺混燃料占33%，甲醛占30%，醋酸占12%，酯类(包括碳酸二甲酯(DMC)、DMT、MMA和丙烯酸甲酯等)占10%，农药占6%，医药占6%。国外甲醇消费结构见表1。 甲醇生产工艺有两种，即煤气化工艺和天然气制甲醇工艺。欧美国家主要采用天然气为原料生产甲醇，该工艺具备投资低、无污染的优点，且无需过多考虑副产物销路。但我国缺少廉价的天然气资源，而煤储量相对丰富，所以大部分甲醇产能来自煤气化工艺。 1 煤气化 以煤为原料制取合成气的技术主要有4种：德士古(Dexaco)水煤浆气化、谢尔干粉煤气化、鲁奇(Lurgi)碎煤气化和UGI常压气化。 UGI常压气化技术成熟、工艺可靠，但必须使用无烟块煤，而且存在设计能力有限、三废排放量大等缺点，不能满足大型化生产的需要。 鲁奇气化技术虽然技术成熟，在我国已有大型化装置运行，但最大的缺点是气化温度低，产生的焦油、废水等有害物质难以处理，污染大，原料可利用率低，粗合成气中甲烷含量高，只适用作城市煤气，不宜作合成气。 谢尔煤气化工艺(SCGP)是目前世界较为先进的煤气化技术，在安全、高效和环境保护等方面达到了新水平，产生的高质量气体完全可以作为合成氨和合成甲醇的原料气，水冷壁寿命为25年，喷嘴设计寿命为1年。但由于是干粉进料，气化压力不能太高，操作有一定难度。 水煤浆加压气化由美国德士古公司在上世纪70年代开发成功，并于80年代初建成第一
套示范性大型商业化装置，目前在我国已得到成功应用。该技术除氧耗高外，有如下特点：(1)单台炉处理煤量大，生产能力高；(2)气化压力高、功耗省，有效气(CO+H2)含量高，适于作合成气；(3)原料适用性好、利用率高；(4)三废少；(5)用户多，设备国产化率高。德士古工艺的最大缺点是，烧嘴寿命短，仅为45天，耐火砖每年需更换一次，更换时间为45天。 以30万t/a甲醇装置为例，煤气化工艺设备投资约需15.56亿元，具体如表2。 除甲醇外，煤气化工艺可以生产多种副产品，所以适合建在发电厂或化工厂附近。仍以30万t/a装置为例，甲醇生产成本估算见表3。表3的原料价格参考最近中国市场价格。自去年以来，煤价不断上涨，造成甲醇生产成本较前几年大大提高。在煤价为250元/t的2003年，甲醇生产成本仅为1000元/t左右。
甲醇燃料电池
甲醇燃料电池 22．据报道，最近摩托罗拉（MOTOROLA）公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用1个月充电一次。假定放电过程中，甲醇完全氧化产生的CO2被充分吸收生成CO32－ （1）该电池反应的总离子方程式为___________________________________。（2）甲醇在____极发生反应（填正或负），电池在放电过程中溶液的pH将____（填降低或上升、不变）；若有16克甲醇蒸气被完全氧化,则转移的电子物质的量为________。 22．（1）2CH3OH+3O2+4OH－＝2CO32－+6H2O （2）负下降8mol 28．据报道，最近摩托罗拉（MOTOROLA）公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用1个月充电一次。假定放电过程中，甲醇完全氧化产生的CO2被充分吸收生成CO32－ （1）该电池反应的总离子方程式为______________________________________。（2）甲醇在____极发生反应（填正或负），电池在放电过程中溶液的pH将____（填降低或上升、不变）；若有16克甲醇蒸气被完全氧化，产生的电能电解足量的CuSO4溶液，（假设整个过程中能量利用率为80％），则将产生标准状况下的O2________升。 28．（1）2CH3OH+3O2+4OH－＝2CO32－+6H2O （2）负下降13.44 6．（广东省惠州市2006届高三第一次调研考试·9）2004年美国圣路易斯大学研制了一种新型的乙醇电池，它用磺酸类质子溶剂，在200o C左右时供电，乙醇电池比甲醇电池效率高出32倍且更安全。电池总反应为： C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O，电池示意如图，下列说法不正确 ．．．的是（）。 A．a极为电池的负极 B．电池工作时电流由b极沿导线经灯泡再到a极 C．电池正极的电极反应为：4H+ +O2+4e－=2H2O D．电池工作时，1mol乙醇被氧化时就有6mol电子转移 解析：根据反应C2H5OH+3O2==2CO2+3H2O，得到C2H5OH被氧化，所以a极为电池的负极；O2被还原，所以b极为电池的正极。电流由b极（正极）沿导线经灯
甲醇生产工艺及国内外市场分析.docx
甲醇生产工艺及国内外市场分析市场化工生产是工业建设的主要内容，化工产品在国家生产生活的各个领域中都有应用。加强对化工生产工艺的研究，能够完善化工生产结构，提高产品质量。甲醇是化工生产的重要原料，在国内外的工业化进程中有重要作用。 1甲醇生产工艺分析 甲醇的生产工艺分很多种，但截至到目前，合成气制甲醇仍是全球甲醇生产商采用的最主要生产方法，按合成气来源区分，国内主要以煤基甲醇为主，国外则以天然气基甲醇为主，而目前煤基甲醇、天然气基甲醇均面临着巨大的环保压力和能源危机。因此，符合绿色化工、环境友好、以可再生资源为原料的甲醇制备技术，如：二氧化碳加氢、甲烷直接氧化、生物质合成甲醇等工艺具有很大的发展潜力，下面简要分析以上几种工艺主要的生产技术，研究进展以及发展前景。 1.1二氧化碳加氢制甲醇技术进展 以二氧化碳和氢气为原料来制取甲醇的历史比较悠久，至今已经有七十年的历史，该制甲醇的技术在二十世纪末得到高度重视。这类甲醇生产工艺的温度和压力都比较低，相对来说安全性比较高，所用的溶剂一般为非极性溶剂或者弱极性溶剂。由于在整个生产加工过程中没有过渡金属当催化剂，因此产品的杂质少，基本没有副产物生成，这就是二氧化碳加氢制取甲醇生产工艺的最大优点。反应的过程主要分为两个部分，第一步是路易斯酸（B(C6F5)3）和路易斯碱（吡啶）组成的路易斯对使氢发生异裂，第二步是二氧化碳直接加氢制甲醇。
关于该生产工艺所用的催化剂的研究取得了良好的成果，我国研究表明，在催化积淀选择上要应用片状的氧化锌晶型，因为片状氧化锌晶体的面与铜的协同作用比较好。这样就能够大幅度提高甲醇的选择性。所以，在这种生产工艺中，要注意氧化锌的形状，从而保证催化剂的作用发挥到最好。 1.2甲烷直接氧化制甲醇技术进展 以甲烷作为原料来制备甲醇可以分为两种方式，一是直接转化，二是间接转化。在实际的生产中，应用甲烷间接转化成甲醇的工艺比较多。具体的生产工艺主要分为两步，第一步是通过蒸汽裂解来得到所需要的碳氢化合物，第二步经由合成技术来制成甲醇。这种生产工艺的优点是生产技术纯熟，缺点是反应条件不容易达到且整个工艺的耗能比较大。因此，在甲烷氧化制取甲醇的研究领域中，国内外专家的目标集中在直接氧化法上。当下研究核心的难题是反应系统的研发，研究的要点是发掘适用于直接合成工艺的催化剂。现阶段，各个研究机构取得了进展。DOW开发的甲烷直接氧化制备甲醇工艺突破了传统气相工艺与液相工艺的局限，能在温和条件下进行。大连工业大学在离子液体中研究了负载型金属催化剂催化甲烷直接氧化制甲醇的反应。XXX大学研究了等离子体反应器中铜基催化剂催化甲烷直接氧化制甲醇的反应。虽然在甲烷氧化制取甲醇的工艺上取得了不同的进展，但是在大规模生产上依旧有很大的优化空间。 2甲醇国内外市场分析 2.1国外市场需求分析
直接甲醇燃料电池实验报告
研究生专业实验报告 实验项目名称：被动式直接甲醇燃料电池学号： 姓名：张薇 指导教师：陈蓉 动力工程学院
被动式直接甲醇燃料电池 一、实验目的 1、了解和掌握被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池（DMFC）的基本工作原理； 2、了解和掌握对燃料电池进行性能测试的基本方法； 3、了解和掌握燃料电池性能评价方法； 4、观察和认识影响燃料电池性能的主要因素。 二、实验意义 燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置，具有环境友好、效率高、工作安静可靠等显着优点，被誉为继核能之后新一代的能源装置。在众多燃料电池种类中，空气自呼吸式直接甲醇燃料电池（DMFC）因具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点，成为便携式设备最有前景的可替代电源，是电化学和能源科学领域的研究热点。本实验旨在对被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池进行实验研究，使同学们了解和掌握燃料电池测试的基本方法，加深对燃料电池基本工作原理的认识和理解。 三、实验原理 燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置。一个典型的直 接甲醇燃料电池的示意图如图1所示。 图1: 直接甲醇燃料电池的典型结构 从图1中可以看出，典型的直接甲醇燃料电池包括阳极扩散层、阴极扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层、质子交换膜、集流体等部件。在被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池中，电池阳极发生的是甲醇的氧化反应： CH 3OH+H 2 O→CO 2 +6H++6e-，E0=0.046 V （1） 电池阴极发生的是氧气的还原反应： 3/2O 2+6H++6e-→3H 2 O，E0=1.229 V （2） 总反应式为： CH 3OH+3/2O 2 →CO 2 +2H 2 O，△ E=1.183 V （3） 在被动式直接甲醇燃料电池阳极，甲醇水溶液扩散通过阳极扩散层到达阳极催化层，甲醇在阳极催化层被氧化，生成二氧化碳、氢离子和电子，如式（1）所示。氢离子通过质子交换膜迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极；在阴极侧，氧气通过暴露在空气中的阴极扩散层传输至阴极催化层，在电催化剂的作用下，氧气与从阳极迁移过来的质子以及从外电路到达的电子发生还原反应生成水，如式（2）所示。理论上直接甲醇燃料电池的开路电压能达到1.183 V，但实际上DMFC 的开路电压一般只有0.7 V左右，其主要原因是部分燃料（甲醇）在浓度差的作
直接甲醇燃料电池资料
直接甲醇燃料电池研究进展 摘要: 介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理、研究现状及最新进展, 认为直接甲醇燃料电池是目前较理想的燃料电池, 有广阔的发展前景。直接甲醇燃料电池(DMFC) 具有燃料易运输与存储、重量轻、体积小、结构简单、能量效率高等优点,以固体聚合物作为电解质的直接甲醇燃料电池是理想的车用动力电源,具有广阔的发展前景。 关键词:直接甲醇燃料电池;甲醇;渗透;膜;电催化剂 Performance study on direct methanol fuel cell Abstract: Working principle, current research situation and latest progress of direct methanol fuel cell are introduced .Fuel cell of this kind is regarded as a perfect one so far, with bright prospects to be expected. Direct methanol fuel cells (DMFC) had several advantages including ease transportation and storage of the fuel, reduced system weight, size and complexity, high energy efficiency. Polymer electrolyte membrane direct methanol fuel cells (PEMDMFC) were ideal power source for vehicles with bright prospects to be expected. . Key words: DMFC; methanol; crossover; membrane; electrocatalyst 0引言 由于汽车尾气污染越来越严重, 从而引起世界各国的关注。汽车尾气污染的根源在于汽车发动机使用的汽油。甲醇是一种易燃液体, 燃烧性良好, 辛烷值高,抗爆性能好。甲醇又是一种洁净燃料, 燃烧时无烟,燃烧速率快, 排气污染少。不管燃烧汽油还是燃烧甲醇作汽车的动力都需要使用内燃机, 因此其噪音污染及燃料燃烧不完全引起的排放物污染是不可避免的。使用电动汽车是解决汽车尾气污染的根本办法, 同时还可以减少内燃机造成的噪音污染。燃料电池有内燃机使用燃料重量轻, 补充燃料方便等优点, 无需充电, 它的最大优点在于可把燃料的化学能直接转变成电能, 其效率不受卡诺循环限制。直接甲醇燃料电池( Direct Methanol Fuel Cell,简称为DMFC) 无需将甲醇转变成氢源, 利用甲醇
微型燃料电池简介剖析
课程论文 学 院 化 学 化 工 学 院 专 业 应 用 化 学 年 级 2013 级 姓 名 张 忆 恒 课 程 化学电源 论文题目 微型燃料电池简介 指导教师 卢 先 春 成 绩 2016年5月20 日
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords: (1) 引言 (1) 1 微型H2-O2（空气）燃料电池 (2) 2 微型直接甲醇燃料电池 (3) 2.1 μDMFC结构和工作原理 (4) 3 微型甲酸燃料电池 (6) 4 微型固体氧化物燃料电池 (6) 5 结论 (7)
信阳师范学院化学化工学院课程论文 微型燃料电池的研究进展 学生姓名：张忆恒学号：20135052012 化学化工学院2013级应用化学 课程名称化学电源 摘要：燃料电池因其清洁无污染，比功率密度高，无需充电，补给燃料快速方便等优点越来越受重视。且微型燃料电池因其尺寸微小倍受青睐。本文讨论了分别以纯氢、甲醇和甲酸为燃料的微型燃料电池和微型固体氧化物燃料电池；对微型直接甲醇燃料电池的结构和原理做了简单的介绍。 关键词：微型燃料电池;氢;甲醇;甲酸 Research progress in micro-fuel cells Abstract: Many pay more and more attentions to the fuel cells because of its clean and non-polluting, high specific power density, without charge, fast and easy refueling.Meanwhile micro-fuel cells is acclaimed for its small size.The micro-fuel cells using hydrogen from pure hydrogen, methanol and formic acid as fuels and micro solid oxide fuel cell were discussed. The materials used in micro-fuel cells for the portable electronics were outlined. The preparation technologies of micro-fuel cell such as micro lectomechanical system technology were analyzed.Meanwhile it made a brief introduction of the structure and principles of Micro Direct Methanol Fuel Cell(MDFC). Keywords:micro-fuel cell; hydrogen; methanol; formic acid 引言 近年来，随着移动电话、个人数字助手、笔记本电脑等便携式电子产品的迅猛发展，对微型能源提出了越来越高的要求。燃料电池是不经过燃料的燃烧而将化学能直接转换为电能的一种能量转换装置。微型燃料电池作为一种新型的便携能源，具有高效、高能量密度、体积小、成本低、环境好等优点。因此近年来，用于便携式电子设备的微型燃料电池的研究引起了人们极大兴趣。
20190327国内外甲醇燃料电池汽车发展历程 (下)
国际甲醇燃料电池汽车发展史（下篇） 上文说到，甲醇重整制氢在海外经历了长达10年（2006-2016年）的低潮期，仅仅在备用电源领域有所应用。国内从2010年起，开始有企业对此关注，做相应的研究，但没有企业有念头和实力，将甲醇重整燃料电池系统集成到汽车上。 直到2014年，深圳开始出现2012年大运会期间投入的纯电动大巴车续航里程衰减严重的现象，迫切需要解决方案，有人开始考虑用燃料电池给锂电池随车充电——增程式。 2015年，Mirai横空出世，7万美元的售价，113kW的电堆，一下子打开了中国氢燃料电池工作者的思路：燃料电池可以做到很便宜。性能上不需要一步到位到100kW以上，可以从30kW开始。 在这个技术路线的指导下，基于甲醇重整燃料电池发电系统开始登上历史舞台，并开始在中国得到深入研究。 甲醇重整制氢+氢燃料电池系统作为“发电机”系统，主要有三种技术路线： A.第一类技术是甲醇重整+高温燃料电池，这类技术是现阶段发展最快的技术路径，已在电动车和特殊领域得到了众多成功应用。 高温燃料电池是指工作温度在160℃以上的质子交换膜技术。相比于常温/低温的系统85℃左右工作温度，高温燃料电池的160℃工作温度可以保证氢气在电堆内反应后的产物都是水蒸气，而不存在液态水的可能。这样可以避免淹堆、反极等低温燃料电池电堆会碰到的问题。从硬件配置上来讲，可以规避氢气循环泵、增湿器等，对于空压机的要求也会低很多，可以大大简化系统的设计。 图1：典型的甲醇重整高温燃料电池系统图 这类高温燃料电池兼顾了PAFC磷酸燃料电池和PEM质子交换膜燃料电池的优点，采用了PEM燃料电池的结构，通过使用PBI（聚苯并咪唑）膜和H3PO4磷酸传导质子，虽然功率密度比基于Nafion（全氟磺酸膜）的低温质子交换膜小，但是系统效率高。最重要的是，高温堆能耐受2%的CO，不会形成铂催化剂中毒。 这套系统中，甲醇和水的混合液重整制氢的过程是一个吸热的过程，相比之下，还有其他的重整技术，可以实现甲醇自热重整反应：导入一定量的氧气参与氧化，这样重整器当中
硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究
硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究 文章对于直接甲醇燃料电池（？滋DMFC）的双极板结构进行了设计并制作、测试。设计了两种电极板的结构：点型极板和蛇型极板流场结构，并且应用ANSYS进行了模拟。采用微机械加工技术在硅基上制作了不同的流场结构的微型直接甲醇燃料电池并且进行了测试。结果发现采用点型流场结构作为DMFC 的阴阳两极极板比蛇型流场结构能够有效提高甲醇传输性能，表现出较好的电池性能。通过测试发现点型和蛇型各自的最高电流密度可达13mA/cm-2和3.9mA/cm-2，而功率密度点型的要比蛇型的高一个数量级。 關键词：硅；微机械加工；ANSYS；？滋DMFC 前言 一直以来，不同种类燃料和结构的各种类型的燃料电池持续得到关注，其中微型直接甲醇燃料电池表现出来比较突出的特性，比如能量转化效率高、环境友好、可在室温下工作、结构简单以及较高的电流密度和功率密度[1]。它既可作为固定电站为边远地区的居民、哨所供电以及城市重要场所的备用电源，又可以作为移动电源应用于电动汽车、摩托车和自行车，还可以用于许多对电池性能要求很高的场合，如移动电话、航天器、军用通讯、导航系统等[2]。 极板结构是影响？滋DMFC性能至关重要的内容，它不仅为电池结构提供支撑，提供氧气与甲醇反应的场所，而且还要收集反应生成的电子，同时也要求产生的H2O和CO2能很快离开电池，从而始终保持流场畅通，不存在死区，所以合理的极板结构对？滋DMFC性能的影响是非常关键的[3，4]。MEMS加工技术对于硅基材料的极板制备提供了良好的制作方法，完全可以实现对于不同结构的极板结构的制备[5，6]。 1 结构设计与仿真 阴阳极板的流场结构对于微型直接甲醇燃料电池的性能影响是很重要的。流场包括沟道和支撑部分，流场用于物质的输运与传输，提供电化学反应的燃料；支撑部分为反应的质子交换膜MEA提供支撑。流场的设计需要综合考虑沟道燃料传输的特性确保提供足够反应燃料和MEA膜的支撑部分宽度。基于以上因素，文章设计了点型和蛇型两种流场结构，如图1所示。采用ANSYS模拟了两种流场结构的速度和压力分布，由结论可知，蛇型流场结构的极板上速度分布比点型流场的更均匀，但是点型流场的流速比蛇型的慢。点型流场的进出口压力差比蛇型流场的要小，所以点型的燃料运动速度比蛇型的速度要慢一些，这样甲醇燃料可以在极板沟道实现更有效的反应。也就是说极板结构的仿真结果点型优于蛇型。 2 极板制备
万吨甲醇生产工艺设计方案
100万吨/年甲醇的市场分析与 生产工艺设计 学生：何鹏邱宝成张建豪 一、市场分析 与其他人的合成工序不同，我首先将市场分析放在首位。这也是突出了市场分析对于生产规模的确定的重要作用，及时捕捉市场的准确动态与否决定了现代企业的生死存亡。能够从以往的公司兴衰历史中总结出经验与教训，在这个竞争如此激烈的时代显得更是十分必要。首先不得不承认一个严峻的事实：国内甲醇产能严重过剩！比较下表<表1-1）的产能与表观消费量的差距就会看出：表1-1 2006～2009年国内供需平衡情况及2018年预测 单位：万t
这对于建甲醇厂可能是个很大的打击，但是时代在向前发展，工业化日益发达，所需的这些基础化工原料的需求量也是在增长的。准确掌握市场动向，生产出符合需求的产品，积极拓展下游产业链，如醇醚燃料和煤基烯烃都是未来的主要发展方向，而且符合国家能源安全战略，这是企业得到良好发展必须具备的战略性意识。 当然肯定不止这些，目前全球主要的甲醇的生产地包括亚洲、中东地区、中南美洲<比较表1-2和1-3），而就消费量来说排在前三的是亚洲、北美和西欧，而中国作为亚洲经济发展的中心，已逐渐成为甲醇的最大消费国，每年的净进口量都在增加，这对于国内的企业来说无疑有了外在投资环境的先天优势。 资料显示，目前国内的甲醇年消耗量仅为2200万吨，国内甲醇企业目前开工率为64%，部分企业迫于出货压力，纷纷调低装置负荷。我国甲醇产能过剩严重且短期难以有所改变的现象亟待引起关注。与此同时，进口甲醇优势明显冲击国内行业，中东地区天然气资源丰富，所以他们主要用天然气为原料生产甲醇，成本低而且质量较好；国内的甲醇企业大多采用煤炭作为原料，与进口甲醇相比存在价格上的先天不足，从而当甲醇价格下跌时容易导致亏损。2018年，除少数企业盈利外，80%以上甲醇企业亏损或持平，甚至连综合成本最低的焦炉煤气制甲醇企业也因焦炭装置负荷率太低、原料供应不足而难以实现盈利。自2005年起国家发改委公布《天然气利用政策》指出，新建或扩建以天然气为原料生产甲醇及甲醇
直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化_魏永生
文章编号:1673-0291(2010)06-0090-05 直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化 魏永生1,朱 红2,郭玉宝1,郭志军1,张新卫1 (1.北京交通大学理学院,北京100044;2.北京化工大学理学院,北京100029) 摘 要:以新型阻醇材料Na 2Ti 3O 7/Nafion 复合膜为质子交换膜,利用热压法制备膜电极(M EA),对直接甲醇单电池进行测试.考察了电池温度、阴极加湿温度、甲醇浓度、甲醇流速和空气流速5个 参数对直接甲醇燃料电池极化曲线性能的影响.实验结果表明,电池温度对电池性能的影响较为明显,提高电池温度有利于得到较好的电池性能.甲醇浓度对电池性能影响也比较明显,较低甲醇浓度有利于提高电池性能.甲醇流速和空气流速对电池性能的影响较小,阴极加湿温度对电池性能几乎没有影响.通过分析优化,该直接甲醇燃料电池的电池性能最佳工作条件是在80 情况下,低电流密度工作区采用较低浓度甲醇溶液,高电流密度工作区采用高浓度甲醇溶液.关键词:直接甲醇燃料电池;质子交换膜;Na 2Ti 3O 7/Nafion;极化曲线中图分类号:TK91 文献标志码:A Experimental Test and Performance Optimization of Single Cell in Direct Methanol Fuel Cell WEI Yongsheng 1 ,ZH U H ong 2 ,G UO Yubao 1 ,G UO Zhijun 1 ,ZH AN G X inw ei 1 (1.School of Science,Beijing Jiaotong U niversity,Beijing 100044,China; 2.School of Science,Beijing U niversity of Chemical T echno logy,Beijing 100029,China) Abstract :With new com posite membrane materials of Na 2Ti 3O 7/Nafion for proton ex chang e mem -brane,Membrane Electrode Assembly (MEA)was prepared using hot -pressing method,and had been tested in single direct methanol fuel cell.Operation parameters of cell temperature,cathode humidify -ing temperature,methanol concentration,methanol flow rate and air flow rate have been em ployed to study on the effect of direct methanol fuel cells polarization curve.Experimental results show that the effect of cell tem perature on the cell performance is obvious,so increase cell temperature is helpful to g et better cell performance.Effect of methanol concentrations on cell performance is also obvious.The low er methanol concentration is favorable to improve cell properties.The effect of m ethanol flow rate and air flow rate to the cell performance is lesser.Effect of cathode humidification temperature on cell performance almost has no effect.T hrough the analysis and optimization,the better operation cond-i tions of direct methanol fuel cells is in cell temperature of 80 ,and the low concentration of methanol w hen the cell w orks in low current density,or high concentrations of methanol w hen the cell works in high current density. Key words:direct methanol fuel cell;proton ex change membrane;Na 2T i 3O 7/Nafion;polarization curve 收稿日期:2010-12-01 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(20636060);国家自然科学基金资助项目(50674006,20876013);国际合作项目(2006DFA61240,2009DFA63120) 作者简介:魏永生(1984 ),男,江苏徐州人,博士生.email:06118340@https://www.360docs.net/doc/4411991136.html,. 朱红(1957 ),女,安徽合肥人,教授,博士,博士生导师. 第34卷第6期 2010年12月 北 京 交 通 大 学 学 报 JOU RN AL O F BEIJIN G JIAOT O NG U N IV ERSI T Y V ol.34N o.6Dec.2010
直接甲醇燃料电池技术分析与展望
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/4411991136.html, 直接甲醇燃料电池技术分析与展望 作者：穆昕 来源：《中国化工贸易·下旬刊》2017年第02期 摘要：直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell ，DMFC）是直接以甲醇作为阳极燃料的质子交换膜燃料电池。本文介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理，重点分析了目前DMFC 技术的核心问题，并指出了相应的解决方案，展望了发展前景。 关键词：甲醇；燃料；电池技术 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。 1 工作原理 甲醇水溶液被输送到阳极，发生电催化氧化反应，生成CO2，同时释放出电子和质子，电子经过外电路到达阴极，而质子则通过电解质传导至阴极，和电子及氧气发生反应，生成水。 2 DMFC技术分析 目前，在DMFC技术中，甲醇氧化动力学慢过程和甲醇渗透是制约其发展的主要问题，很多研究围绕着如何解决着两个问题展开。 2.1 甲醇氧化动力学慢过程 在DMFC 中，甲醇的阳极氧化涉及六个电子的传递过程，比氢气的氧化更为困难。很多学者就其氧化机理做了研究，并且致力于开发高效的阳极电催化剂。 2.1.1 阳极电催化剂 最常用的是Pt或Pt合金催化剂。在基础研究方面，Wieckowski等研究发现，Pt （1 1 1）晶面抗中毒能力最强；通常添加Ru做为助剂，Dinh等提出，低电位下Ru+H2O→RuOH，RuOH的存在有助于CO的脱除；Ru含量在50%时，活性最好；J.W.Long等认为，Ru以RuOxHy形式存在时，催化活性高，因此制备时应尽量扩大纳米级Pt与RuOxHy的接触界 面。另外，活性与分散度有关，Watanabe等发现，当催化剂的粒径大于20?时，活性不再提高；Kaurenan等发现，金属相在炭黑（acetylene black）分散度低，在炭黑（Vulcan XC-72）分散度高，因为上面有大量微孔结构。因此在制备过程中，都要尽量提高活性组分的分散度，分散度越高，活性越好。
直接甲醇微型燃料电池的高聚物封装方法与设计
直接甲醇微型燃料电池的高聚物封装方法与设计 1.微型燃料电池封装研究的现状和进展 微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol fuel cell ）具有能量密度高、使用方便、清洁环保等优点，非常适用于各类便携式电子产品（手机、笔记本电脑、Mp3、单兵作战电源等）及微机电系统（Micro Electronic Mechanical System,MEMS ）等领域，基于微型燃料电池应用的广阔前景，世界各地的研究机构对此产生了极大兴趣，希望能开发出更轻、更小、能量密度更大、性能更优异的微型燃料电池。当前，微型燃料电池从原理论证到实验验证再到实现商业化的发展过程中仍然面临着大量的技术困难，其中一个非常重要的瓶颈问题是燃料电池的封装工艺的方法、设计和优化等[1]。 图1燃料电池的广泛应用 1.1燃料电池的封装结构 微型燃料电池的组成通常是将质子交换膜MEA 置于两块流场板之间，然后在两端用刚度较大的端板将中间部分结构夹紧，最后用高聚物封装将整个结构起来。图2中电池的四周用高聚物封装填充。 图2微型燃料电池的外形 微小型直接甲醇燃料电池
图3微型燃料电池的结构图 1.2燃料电池的封装工艺现状 可靠的封装是微型燃料电池发挥其正常效能的前提条件，在微型燃料电池中有着举足轻重的作用，研究表明目前封装费用仍占微型燃料电池总成本的60%～70%，且封装技术发展的相对滞后已被公认为微型燃料电池实现产业化的主要瓶颈之一[2]。作为一类特殊的微型燃料电池，微型燃料电池封装结构需为整个电池提供稳定的机械支撑、电气互连和物料进出通道，以便维持微型燃料电池各活性区域工作状态的均衡及稳定，提高燃料电池的整体输出性能，延长其工作寿命。由于受结构、尺寸和工艺条件的限制，传统机械连接方法（如螺栓连接、铆接、夹具固定等）已很难适用于MEMS微型燃料电池的封装中，借鉴现有微器件封装方法实现对MEMS燃料电池的封装成为必然选择[1]。 目前针对微型燃料电池的封装方法主要是高聚物封装和热压键合两类。本文主要讨论高聚物的封装方法。 高聚物封装是在借鉴微电子及MEMS 器件塑封工艺的基础上发展起来的，是目前MEMS 燃料电池封装技术的主要发展方向之一。该方法主要利用高聚物的可模塑、可粘接特性实现对MEMS燃料电池的封装。MEMS燃料电池中常用的封装高聚物有聚二甲基硅氧烷( Polydimethyl siloxane, PDMS)和环氧树脂两类。近年来在这一领域的代表性工作有：2002年5月，加拿大Stanley等[3]首次报道使用常温固化环氧树脂，在1.5Mpa的正压力下实现MEMS直接甲醇燃料电池的密封和进出口微管连接，其MEMS-μDMFC输出功率密度峰值达到了1.5mWcm-2；2003年9月，德国Albert-Ludwig大学的Muller等[4]报道了一种外形尺寸只有1.4×1.4×0.5mm氢氧型MEMS质子交换膜燃料电池。该电池使用极薄的金属箔作为集流板，MEA和集流板之间的封装采用了银粉填充的环氧型导电胶，在工作电压0.4V时，输出功率密度达到了2mWcm-2；2004年8月， 美国路易斯安娜大学微制造研究所Shah等[5]采用PDMS实现了MEMS氢氧燃
甲醇合成工艺分析
各种生产甲醇方法的计算 一、天然气生产甲醇单耗及成本 天然气制甲醇成本估算公式： 甲醇工厂成本 = 天然气单价 * 1000 + 300 比如天然气单价 1.00元甲醇工厂成本为1300元 另外，还要看是否用天然气自备电厂发电，有自备电厂的，甲醇单耗中，每吨甲醇多消耗天然气300~400方。天然气便宜的时候，天然气制甲醇厂都有自备电厂，吐哈油田甲醇厂的自备电厂是后面为降低成本扩建的。 以天然气生产甲醇的成本主要取决于天然气的价格（同时也与天然气的成分及采用工艺关）： 每立方米天然气在1.0元时甲醇成本在1500元左右。每立方米天然气在1.2元时甲醇成本在1800元左右。每立方米天然气在1.5元时甲醇成本在2000元左右。 二、煤生产甲醇单耗及成本
以煤制甲醇，原料（原料煤、燃料煤）及动力的成本一般占到甲醇总成本的80%以上，其中原料煤约占60%。先进气化工艺（水煤浆，SHELL尚未有投运的业绩）目前的甲醇生产成本在1600元/吨左右（煤价480元/吨。以无烟煤的原料生产甲醇（主要是联醇），目前的甲生产成本在2000元/吨以上（煤价700元/吨）。
三、焦炉气生产甲醇单耗及成本 表3 焦炉气生产甲醇单耗及成本 以焦炉煤气为原料生产甲醇主要成本来自焦炉气的价格，但企业均与焦化企业为同一集团，所以核算的焦炉气价格不会太高，在每个立方米0.4元时，甲醇成本也应该在1500元以上了。焦炉气应该能做到1000以内，属于环保项目估计有税收优惠，煤炭车间成本应该在 1000~1150左右加上别的总成本大概1500。天然气现在的价格看差不多得2000了。
甲醇的生产工艺及其发展现状 姓名：李玉龙单位：中国海洋大学邮编：266100 摘要：甲醇是重要的有机化工产品，本文对甲醇的生产工艺和国内发展现状进行了分析，目前生产甲醇的主要原料是煤和天然气，未来3～5年国内甲醇装置将供过于求，建议控制国内甲醇装置建设过热的势头，提出加快甲醇下游生物产品的开发步伐。 关键词：甲醇；天然气；生产工艺；发展现状 1 前言 甲醇在生活中越来越受到重视，它即可用做有机化工原料，又可用于有机合成、农药、医药、涂料、染料和国防工业等领域。随着社会经济的快速增长，能源、环境问题日益突出，甲醇作为燃料应用的比例越来越大。近20年来，甲醇生产发展很快，技术不断提高，生产规模逐年扩大，生产工艺逐步成熟，各项技术指标不断完善，特别是近年来甲醇汽、柴油的开发和应用，使其作为代用燃料，从技术性、经济性上具有了很强的竞争力。预计到2015年达到7200wt／a，供应能力大于市场需求，竞争将会加剧，一些不具竞争力的小装置或原料价格较高地区的甲醇装置将关闭。根据未来甲醇装置建设趋势，世界甲醇的生产中心正在向南美、沙特、伊朗和我国转移；同时这些国家和地区甲醇产品的目标市场主要是针对亚太地区和我国。 合成甲醇可采用石脑油、减压渣油、煤和天然气为原料，在天然气丰富的地区，前几种原料的生产成本均无法与天然气竞争。天然气合成甲醇的各项经济指标要优于其他原料，适于加压转化，是合成甲醇最理想的原料。20世纪80年代以来，国外甲醇装置向大型化方向发展。甲醇的经济规模对投资与产品成本影响较大，一般来讲装置规模越大，产品成本越低。 近10多年来，世界合成甲醇技术有了很大的发展，其趋势为原料路线多样化、生产规模大型化、合成催化剂高效化、气体净化精细化、过程控制自动化以及联合生产普遍化。从而使合成技术更加优化。甲醇的总生产成本美国为145~146美，中东为69~71美，美国的甲醇生产成本高出中东一倍；中东地区甲醇产品10％的单位投资回报所占单位生产成本的比例也比美国高得多。因此，中东地区生产的甲醇具有很强的竞争力。建议用天然气制甲醇的工艺路线采用ICI或Lurgi生产技术。专家认为，天然气价格在0．45～0．80元。我国天然气制甲醇项目才有经济效益。 2 生产工艺 甲醇的生产工艺过程分为合成气(氢和一氧化碳)的制造、甲醇的合成和精制3部分。 2．1合成气的制造 根据原料的不同，有以下几种方法： (1)天然气蒸汽转化法以天然气为原料制合成气生产甲醇，这是国内外发展的趋势。此法优点是：投资少，成本低，运输方便，操作简单。因此，充分利用天然气合成甲醇，是国内外主要的发展方向。 (2)煤气化法由煤制合成气。 (3)重油部分氧化法油品(石脑油、重油、渣油等)部分氧化制合成气的工艺，主要有德士古和壳牌两个著名的方法。德士古系采用高压气化技术；壳牌系采用中压气化技术。 2．2 甲醇的合成方法
直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用
新能源汽车A 版 收稿日期:2010-07-27 直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用 王瑞敏 (上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海 200438)张颖颖 (山东省科学院海洋仪器仪表研究所,青岛 266001) 摘要 针对直接甲醇燃料电池(D M FC )的发展状态进行调查。分析了各国政府和企业致力于DM FC 的开发与应用研究。 Abstract For the i n vesti g ati o n of direct m ethano l fue l ce ll (D M FC )deve l o pm ent cond ition,th is paper presen ted the situati o n of deve l o p m ent and applicati o n on research DMFCS what governm ents and enterprises dedicated to . 主题词 燃料电池 汽车 发展 甲醇 燃料电池是一种将化学能连续不断地转化为电能的可再生清洁能源。自20世纪60年代初问世以来,就迅速发展成为国际高新技术竞争中的热点之一。我国政府对燃料电池的研发高度重视,将其列为国家科技中长期发展规划中能源、交通、电子等领域的重要研究方向和急需开拓的尖端高技术。本文针对直接甲醇燃料电池(D M FC )的发展状态进行了调查和分析。分别从D M FC 的关键技术发展状态、主要生产商发展状态、在便携式电源中的应用、DMFC 在汽车领域的应用等几个方面进行了分析。 1 D M FC 的工作原理及关键技术发 展状况 目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PE MFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC )、磷酸盐型燃料电池(PAFC )、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC )等。其中,PE MFC 因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能 直接转换成电能,具有能量转换效率高(一般都在40%~50%,而内燃机仅为18%~24%)、无污染、启动快、电池寿命长、比功率及比能量高等优点,成为应用最广的一类燃料电池,尤其是在汽车用燃料方面,PE MFC 的应用接近该市场的100%。各种燃料电池应用情况如图1 所示。 图1 各种燃料电池的应用情况 1.1 D M FC 的工作原理 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CO 2。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