直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池是指直接使用甲醇為陽極活性物質的燃料電池，是質子交換膜燃料電池的一種，只是燃料不是氫而是甲醇而已。DMFC是世界上研究和開發的熱點，其基礎是E.Muelier在1922年首次進行的甲醇的電氧化實驗。1951年，Kordesch和MarKo最早進行了DMFC的研究。

基本介紹

  • 中文名：直接甲醇燃料電池
  • 外文名：direct methanol fuel cell
  • 簡稱：DMFC
  • 性質：質子交換膜燃料電池
  • 陽極：甲醇
  • 學科：能源術語
原理,研究熱點,存在問題,發展前景,

原理

直接甲醇燃料電池的工作原理與質子交換膜燃料電池的工作原理基本相同。不同之處在於直接甲醇燃料電池的燃料為甲醇(氣態或液態)，氧化劑仍為空氣和純氧。直接甲醇燃料電池的工作原理如圖1。其陽極和陰極催化劑分別為Pt-Ru/C(或Pt-Ru黑)和Pt-C。其電極反應為
圖1 DMFC原理圖圖1 DMFC原理圖
陽極：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
陰極：1.5O2+6e-+6H+→3H2O
電池的總反應為CH3OH+1.5O2→2H2O+CO2
通過熱力學關係和熱力學數據，可得到DMFC在標準狀態下的理論開路電壓(可逆電動勢)為：
E0=-△G0/nF=-(-702450)/(6×96500)=1.213V
對於DMFC理論轉換效率，由熱力學數據可得η=△G÷△H=-702450÷(-26550)=96.68%
實際上由於電池內阻的存在和電極工作時極化現象的產生，特別是甲醇有較高的氧化過電位，使得電池實際效率和比能量大大降低。

研究熱點

直接甲醇燃料電池以其潛在的高效率、設計簡單、內部燃料直接轉換、加燃料方便等諸多優點吸引了各國燃料電池研究人員對其進行多方面的研究。對DMFC的研究重點集中在以下幾個方面：
(1)DMFC性能研究
研究的內容主要有運行參數對DMFC的影響。這些參數包括如溫度、壓力、Nation類型、甲醇濃度等的影響。
(2)新型質子交換膜研究
質子交換膜是DMFC的核心部分。已經開發的質子交換膜有一二十種，如高氟磺酸膜、輻射接枝膜、非高氟化物(如BAM3G)、氟離子交聯聚合物(GoRE)及磷酸基聚合物等，但PEMFC中所使用的基本上都是全氟磺酸型質子交換膜。該膜適用於以氫為燃料的PEMFC，但在DMFC中會引起甲醇從陽極到陰極的滲透，這一現象是由於甲醇的擴散和電滲共同引起的。由於甲醇的滲透導致陰極性能衰退，電池輸出功率顯著降低，DMFC系統使用壽命縮短，因此要使DMFC進入商業化，必須開發性能良好、防止甲醇滲透的質子交換膜。
(3)甲醇膜滲透研究
DMFC研究中尚未解決的一個主要問題是甲醇從陽極到陰極的滲透問題，這在典型套用的全氟磺酸質子交換膜中尤為嚴重。
(4)電催化研究
迄今為止，在所有催化劑中，Pt-Ru二元和金催化劑被認為是甲醇氧化最具活性的電催化劑。以Pt和Pt-Ru為基礎，研究人員也對其他二元、三元或四元合金進行了廣泛的研究。Pt-Sn是僅次於Pt-Ru的另一種類型催化劑，但人們對Sn的沉積方式、作用機理等仍有爭議，存在許多不一致的看法。

存在問題

與其他燃料電池相比，儘管DMFC的優勢明顯，但其發展卻比其他燃料電池緩慢，主要原因有如下四個方面：
一是尋求高效的催化劑，提高DMFC的效率。由於甲醇的電化學活性比氫至少低3個數量級，因而直接甲醇燃料電池需要解決的關鍵技術之一是尋求高效的甲醇陽極電催化氧化的電催化劑，提高甲醇陽極氧化的速度，減少陽極的極化損失，使交換電流密度至少應大於10-5A·cm-2。
二是阻止甲醇及中間產物(如CO等)使催化劑中毒。由於甲醇在陽極氧化過程中所生成的中間產物(類似CO的中間產物)會使鉑中毒，故直接甲醇燃料電池大都使用具有一定抗CO中毒性能的鉑-釕催化劑。為了提高甲醇陽極氧化的速度，開發中的有鉑-釘或其他貴金屬與過渡金屬等所構成的多元電催化劑，新的催化劑應使電池運行千小時的電壓降少於10mV。
三是防止甲醇從陽極向陰極轉移。直接甲醇燃料電池陽極的甲醇可通過離子交換膜向陰極滲透，在氫氧質子交換膜燃料電池中廣泛採用的Nation膜具有較高的甲醇滲透率。甲醇通過離子交換膜向陰極的滲透，不但會降低甲醇的利用率，還會造成氧電極極化的大幅度增加，降低直接甲醇燃料電池的性能。因此，開發能夠大幅度降低甲醇滲透率的質子交換膜是十分迫切。
四是尋找對甲醇呈惰性的陰極氧還原催化劑，減少滲透到陰極的甲醇造成氧電機的極化。

發展前景

DMFC以其特有的優點引起全世界各國燃料電池研究人員的注意，是各國政府優先發展的高新技術之一。經過努力，在這方面的研究取得了較大的進展，展現了廣闊的前景。
美國Energy Ventures公司宣布已解決了DMFC甲醇滲透問題，使電池功率輸出增加30%～40%。美國Los Alamos國家重點實驗室已研製成功用甲醇燃料電池的蜂窩電話，其能量密度是傳統可充電電池的10倍。Motorola實驗室的科學家們已經展示了用於微型DMFC的陶瓷燃料傳輸系統原型。他們的目的是要創建一種5倍於傳統的鋰離子可充電電池能量密度的電源。Manhattan Scientifics公司的Robert Hockaday正致力於可為各種可移動電子器件供電的微型醇類燃料電池的研究，他們宣布研製成功蜂窩電話用燃料電池，比能量是鋰離子電池的3倍，將來可達到30倍。該項研究已引起世界各國科學家和有關公司的關注。Siemens公司在DMFC研究方面處於世界領先地位，其陰極用純O2(0.4～0.5 MPa)，電池溫度為140℃的條件下獲得的功率密度約200 mW·cm-2。戴姆勒·克萊斯勒公司與巴拉德公司合作，成功開發出世界上首輛安裝了甲醇式燃料電池的汽車“戈卡特”。該燃料電池輸出功率為6kW，發電效率高達40%，工作溫度110℃。對致力於開發使用甲醇燃料電池車的該公司來說，新一代DMFC的研製成功將成為其爭奪汽車市場極為有利的武器。直接甲醇燃料電池汽車的試驗成功使製造和儲存氫這一阻礙燃料電池在汽車上推廣使用的重大問題的解決，向前跨了一大步。直接甲醇燃料電池車樂觀估計很可能在10年內上路行駛。儘管DMFC的研究已經成為世界關注的熱點，其研究與開發仍處於初級階段，但是可以預見在不遠的將來，DMFC首先會用於小型攜帶型電子設備中。

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