直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池研究进展
伍静燕 08122547
摘要：介绍了直接甲醇燃料电池的原理、结构。基于目前的不足，总结了直接
甲醇燃料电池在催化剂、质子交换膜和膜电极方面的研究策略和相关进展。略述了DMFC的应用现状，并对其前景作了展望
关键词：直接甲醇燃料电池；工作原理；研究进展；应用展望
1引言
直接甲醇燃料电池(DMFC)作为新型、清洁、可再生能源，由于具有结构简单，运行温度和压力要求低，能量密度高(大约 6 000Wh/kg)，能提供比二次电池高10倍以上的电量以及不需要重整装置等优点，在汽车和便携式电子设备等领域中拥有广阔的应用前景。目前受到了越来越多的关注，是最有可能实现商业化应用的绿色能源。
燃料电池是一种高效的能源转换装置,其理论效率可达83%,而内燃机的极限效率只有60%左右。因此,在能源渐趋紧张,环境日益受到各国重视的今天,燃料电池的发展受到了广泛的关注,是中国、美国、加拿大等国家的重点科技项目之一。
2 DMFC的工作原理及其缺点
直接甲醇燃料电池从质子交换膜燃料电池(PEMFC)发展而来，是指以甲醇溶液为燃料、以空气或氧气为氧化剂的化学能直接转化为电能的一种发电装置，产物为CO
2
和水。反应方程式如下:
阳极反应:CH
3OH+H
2
O→CO
2
+6H++6e－ (1)
阴极反应:3/2O
2+6H++6e－→3H
2
O (2)
电池总反应:CH
3OH+3/2O
2
→CO
2
+3H
2
O (3)
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,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,
电子通过外电路传递到阴极, CO
2
在酸性电解质帮助下从阳极出口排出。
在阴极区,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。其结构和电化
学反应见下图。
DMFC适用于功率密度较低，能量密度要求相对较高的领域，确切地讲是用在平均功率百瓦以下，需保证工作状态相当长时间(经常为数天以上)的设备中，如3G“常开”手机、便携式笔记本、交通系统、偏远地区监视器及传感设施、导航系统等。其缺点是副产物除水之外还有温室气体CO2,此外,甲醇蒸汽有毒(可致失明),且甲醇易渗透污染地下水,因此甲醇燃料电池的密封性必须很好。
3 DMFC的近期指标与研究进展
美国能源部制订的2010年商业化便携式燃料电池的技术指标有:①单位体积功率100 W /L;②单位体积能量密度1 000Wh/L;③寿命5 000 h;④成本$ 3/W。
当前甲醇燃料电池的性能和成本与上述目标仍有显著的差距。膜电极(MEA)是DMFC的核心部件，是物质传递、电化学反应发生的场所，其关键材料、制备技术及活化工艺直接影响到MEA的微观结构和电池性能。为了实现DMFC商业化，有不少机构从制备高效扩散层、催化层、高催化活性的催化剂以及研发高阻醇膜等方面展开研究来提升DMFC在实际应用中的性能指标。
3.1催化剂方面的研究进展
催化剂是解决DMFC中催化层CO中毒和甲醇渗透问题、提高电池性能的研究
还原重点。阳极需要提高催化剂活性，减小甲醇活化极化;阴极需要开发催化O
2
而对甲醇不敏感的催化剂。
DMFC电极的电催化剂采用Pt/C、Pt-Ru/C或Pt黑、纯Pt-Ru黑。至今为止,在DMFC中广泛应用的阳极电催化剂是Pt-Ru/C或Pt-Ru黑,Pt与Ru原子比一般为1∶1,阴极催化剂采用纳米级纯Pt黑河Pt/C。
铂的催化性能和稳定性均比其他催化剂要好,但其高成本是阻碍其应用的一个主要问题。在保持阳极催化剂性能的前提下降低铂的含量是降低成本的手段之一。目前甲醇燃料电池催化剂的铂含量一般为2~8 mg/cm2,降到<1 mg/cm2是现在研究的目标之一。
3.2高阻醇质子交换膜的研究进展
质子交换膜(PEM)是DMFC中的核心部件，不仅起着隔离燃料和氧化剂的作用，而且起着电解质的作用，是电池内部质子传递的媒介，对电子绝缘，是一种选择透过性功能高分子膜。
DMFC现今主要采用的质子交换膜为全氟磺酸膜, 以目前杜邦Nafion膜在直接甲醇燃料电池的应用为例，其不有足:①成本太高, $ 600~1 200/m2;②甲醇渗
)和复合物可降低Nafion 透性太高;③钌渗透太高。通过添加无机成分(如SiO
2
膜的甲醇渗透率,但其成本依旧过高。
对于质子交换膜，目前的研究思路可以归纳为两大类:一类为水合质子交换膜改性，另一类为非水合质子交换膜的研制。水合质子交换膜的改性包括:全氟磺酸膜的改性和非全氟膜(包括非氟和部分氟化膜)杂化。非水合质子交换膜则主要是包括无机-有机复合非水合膜以及基于离子液体的非水合质子导电膜。
3.3膜电极(MEA)的制备与微结构优化
膜电极(MEA)是DMFC的核心部件，是电化学反应发生的场所。制备高性能的MEA对提升电池性能、降低成本、促进DMFC商业化均有重要意义。
基于碳纸、碳布扩散层结构的研究大致分为以下方面:(1)扩散层内组分配比及所用导电材料种类的探索;(2)不对称结构扩散层;(3)调整孔径分布;(4)改进
扩散层制备技术。除了关于新制备工艺的研究外，使用新型导电材料(如RuO2)代替碳粉制备扩散层也是值得尝试的课题。
MEA结构优化主要涉及多层结构研究和微结构造孔技术，目标是增大催化层内活性面积、减小传质阻力和缓解阴极催化剂中毒。
4 DMFC的应用动态及展望
目前,全球很多消费类产品的公司都在致力于甲醇燃料电池的研发工作,如东芝、NEC、富士通、松下、夏普、三星、索尼、三洋、日立、LG、BYD等公司,而目前市场上采用甲醇燃料电池的手机已经由日立、富士、东芝推出。
加拿大巴拉德动力系统公司是世界上最早从事燃料电池技术研发公司,巴拉德公司在汽车燃料电池研制方面处于世界领先地位。2008年,巴拉德公司生产燃料电池汽车1 855辆。
MTIMicro甲醇燃料电池公司则面向便携产品提供甲醇燃料电池的可充电电源技术,其产品可应用于军事以及消费电子市场中。Mobion电源产品可替代锂离子电池以及其它类似的可充电系统,它比现有的电池技术可延长两倍的电池的运行时间。公司与三星、甲醇协会、Dupont、Intermac技术公司、伟创立、SESAmericom公司等建立了良好的合作关系。
由江苏双登集团南京双登科技发展研究院研制的甲醇燃料电池电动自行车已经问世。整车以DMFC为核心,由燃料电池电堆、甲醇进液系统、氧气循环系统、电控部分、系统状态监控等部分组成。行驶速度可达20 km/h,一次注入4 L甲醇燃料能够骑行30 km,与普通电动自行车性能相差无几。
作为绿色能源，DMFC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。
当然，进一步提高催化剂电化学活性，寻找替代贵金属的新型催化剂，增加PEM阻醇性能以适应更高浓度原料等等，这些工作有待于逐步完善。
在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。
参考文献
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