直接甲醇燃料電池屬於質子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發電。相較於質子交換膜燃料電池(PEMFC) ，直接甲醇燃料電池 (DMFC) 具備低溫快速啟動、燃料潔淨環保以及電池結構簡單等特性。這使得直接甲醇燃料電池 (DMFC)可能成為未來攜帶型電子產品套用的主流。
基本介紹
- 中文名：甲醇燃料電池
- 外文名：Direct Methanol Fuel Cell，DMFC
- 類型：電池
- 燃料：甲醇
原理,優勢,缺陷,技術困難,研究進展,在催化劑方面的研究進展,在質子交換膜方面的研究進展,在水管理系統方面的研究進展,
原理
直接甲醇燃料電池是質子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉換成二氧化碳，質子和電子，如同標準的質子交換膜燃料電池一樣，質子透過質子交換膜在陰極與氧反應，電子通過外電路到達陰極，並做功。
鹼性條件 總反應式：2CH4O + 3O2 + 4OH-= 2CO32- + 6H2O
正極：O2 + 4e（-）+ 2H20 → 4OH（-）
負極：CH4O - 6e（-） + 8OH（-） → CO3（2-） + 6H2O
酸性條件 2CH4O +3O2→2CO2+4H2O
正極：O2 + 4e（-） + 4H（+） → 2H2O
負極：CH4O - 6e（-） + H2O → 6H（+） + CO2
在直接甲醇燃料電池的工作過程中，一定濃度的甲醇溶液從電池的陽極流場結構中通過，在液體的流動過程中，甲醇溶液經過陽極擴散層，至陽極催化層處被氧化。透過質子交換膜，作為反應產物的質子得以遷移到陰極一側，電子則通過外電路由陽極向陰極傳遞，並在此過程中對外做功。同時，在陽極 MEA 中電解質的作用下，CO2氣體以氣泡的形式在陽極流場內隨甲醇溶液排出。在電池的陰極一側，陰極集流板流場結構均勻分配後的空氣或氧氣擴散進入陰極催化層，被來自陽極的質子電化學還原，生成的水蒸氣或液態形式的水與反應尾氣一起離開電池的陰極流場。
這種電池的期望工作溫度為120℃以下，比標準的質子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。
直接甲醇燃料電池是質子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉換成二氧化碳和氫，如同標準的質子交換膜燃料電池一樣，氫然後再與氧反應。
優勢
體積小巧 燃料使用便利 潔淨環保 理論能量比高
缺陷
能量轉化率低 性能衰減快 成本高
技術困難
1.催化劑
採用貴金屬納米催化劑 ，成本高。活性及穩定性達不到理想要求
2.質子交換膜
杜邦公司Nafion膜甲醇透過很嚴重，造成燃料浪費，陰極混合電位，性能下降
3.電池集成
針對DMFC的集成技術還不完善
這種電池的期望工作溫度為120℃，比標準的質子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點是當甲醇低溫轉換為氫和二氧化碳時要比常規的質子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。不過，這種增加的成本可以因方便地使用液體燃料和勿需進行重整便能工作而相形見絀。直接甲醇燃料電池使用的技術仍處於其發展的早期，但已成功地顯示出可以用作行動電話和膝上型電腦的電源，將來還具有為指定的終端用戶使用的潛力。
研究進展
在催化劑方面的研究進展
DMFC電極的電催化劑採用Pt/C、Pt-Ru/C或Pt黑、純Pt-Ru黑。至今為止,在DMFC中廣泛套用的陽極電催化劑是Pt-Ru/C或Pt-Ru黑,Pt與Ru原子比一般為1B1,陰極催化劑採用納米級純Pt黑河Pt/C。
在質子交換膜方面的研究進展
DMFC採用的質子交換膜為全氟磺酸膜,該膜用於DMFC的主要缺點是醇類經電遷移和擴散由膜的陽極側遷移至陰極側,導致在陰極產生混合電位,降低DMFC開路電壓,增加陰極極化和燃料的消耗,降低DMFC的能力轉化效率。為了克服上述缺點,國內外科學家一直在探索開發各種低透醇膜。
在水管理系統方面的研究進展
燃料電池充電器技術：在陰極採用通過化學反應產生的水,並能滿足在陽極化學反應的需求。傳統的電池技術中水管理依賴於複雜的Micro-plumbing,收集從陰極產生的水,然後循環、並與甲醇混合在陽極。燃料電池充電器技術簡化了傳統的產生能源的化學反應所需要的從陰極到陽極的所需水的方法,這項專有技術使得水能滿足在水的產生到甲醇燃料電池的空氣的內部轉讓的燃料過程中的需求,而內部水的流動是不需要任何複雜的再循環線路或其他工具。燃料電池充電器技術可減少在甲醇燃料電池中甲醇的用量,使得甲醇的使用效率達到100%。
