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甲醇燃料电池的制备以及应用

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催化工程课程论文

院系：化工与能源学院

专业：化学工程与工艺

班级：2006级一班

姓名：金秋霞

学号：20060300509

指导教师：宋怀俊

甲醇燃料电池的制备以及应用

工艺一班 金秋霞 20060300509

摘要：采用固体电解质膜的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell , 简写DMFC) 由于结构简单、无液体电解质、比能量高等优点,近年来成为国际上的研究热点。论述了DMFC 的原理和各研究机构目前取得的最新进展。目前存在的

两个主要的问题是:甲醇从阳极向阴极的渗透和阳极催化剂活性较低。使用新型的非氟质子交换膜及复合膜有望最终解决甲醇渗透的问题。阳极催化剂的研究已经向铂基多组元件系扩展。直接甲醇燃料电池在手机电源等微型移动电源和千瓦级的工业用可移动电源及电动车方面有一定的应用前景。

关键字：直接甲醇燃料电池 制备 应用

Abstract : The direct methanol fuel cell (DMFC) with solid elect rolyte

membrane become the international re2search focus in recent years due to

it s advantages , such as simple st ructure , anhydrous elect rolyte and

high ener2gy density. The principle of DMFC and the state2of2art s of it

s development are int roduced. The percolation ofmethanol f rom anode to

cathode and the low activity of anode catalyst is the two main problems

to be solved.The utilization of novel non2fluorinated proton2exchange

membrane and composite membrane are expected to bethe solutions for

solving the methanol2percolation problem , while the research on anode

catalyst is extended toplatinum2based multi2component system for

improvement . DMFC arepromising in the applications range f romportable

power sources , such as mobile2phone power and kilo2watt level indust rial

power source , to elect ric vehi2

cles

1引言

直接甲醇燃料电池(DMFC) 是将燃料(甲醇) 和氧化剂(氧气或空气) 的化学能直接转化为电能的一种发电装置. DMFC 研究始于20 世纪60 年代,Shell ,Exxon以及Hitachi 等公司在该领域做了大量工作[1 ] . 20 世纪90 年代初, 由于全氟磺酸膜(Nafion. ) 的成功应用,电极性能大幅度提高,DM2FC 的研究与开发引起了许多发达国家的关注. 美国喷气推进实验室(J

PL ) 、Los Alamos 国家实验室

(LANL) 、西部保留地大学(CWRU) 等单位在电催化剂、电解质膜和膜电极(MEA) 、电池系统等方面的研究取得了可喜成就. 2001 年5 月,美国陆军研

究室(ARL) 组织了由22 个单位参加的技术合作联盟,重点开发单兵作战武器电源的DMFC. 2002 年8月,MTI Mirco Fuel Cells 公司展示了空气自呼吸(air -

breathing) 式用于PDA、手机电源的DMFC 样机. 2003 年2 月,美国总统布什试用该样机进行了长时间通话. 在DMFC 作为笔记本电脑电源的研制方面,日本NEC 公司于2003 年9 月披露了总重约900g、燃料容量为300 ml 的样机,连续

工作5 小时,最大输出功率达24 W ,输出电压为12 V ,声称电池的性能为全球最高,产品期望在2004 年商业化. 此外,2003 年8 月,德国Smart Fuel Cell

( SFC) 公司推出了世界上第一个面向终端用户的DMFC 独立系统SFC A25 ,使用2. 5 L 甲醇燃料可在全功率下工作70 —80 小时. 此外,许多国际著名公司加入了DMFC 研发的行列,如美国的Intel ,Motorola ,BallAerospace ,Lynntech ,H Power ,Giner Elect

rochemicalSystems , 日本的Hitachi , Toshiba , Sony , 韩国的

Samsung 等等,这无疑将大大加速DMFC 的商业化进程. 国内DMFC 的研究始于20 世纪90 年代初,目前有20 余个单位先后开展了DMFC 研究工作,并取得了长足进展,但总体水平与国外先进水平相比仍有一定差距。[1]

2甲醇燃料电池简介

直接甲醇燃料电池(DMFC) 以其燃料来源丰富、储存方便、结构简单、操作安全、持续供电时间长等优点而日益受到广泛关注,预计将在小型家用电器、笔记本电脑、手机以及军事移动性仪器等领域具有广泛的应用前景。在过去的二十多年里,人们对这种新型电源产生了巨大热情,许多国家均对发展DMFC进行了较大的科技投入。[2]

所谓直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell)，它属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相较于质子交换膜燃料电池(PEMFC) ，直接甲醇燃料电池 (DMFC) 低温生电、燃料成分危险性低与电池结构简单等特性使直接甲醇燃料电池 (DMFC)可能成为可携式电子产品应用的主流。

直接甲醇燃料电池（DMFC）

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳，质子和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应，电子通过外电路到达阴极，并做功。

碱性条件

总反应式：2CH4O + 3O2 = 2CO2 + 4H2O

正极：3O2 + 12e– + 6H20 → 12OH–

负极：2CH4O - 12e– + 12OH~ → 2CO2 + 10H2O

酸性条件

总反应同上

正极：3O2 + 12e– + 12H+ → 6H2O

负极：2CH4O - 12e– + 2H2O → 12H+ + 2CO2

这种电池的期望工作温度为120℃以下，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢然后再与氧反应。

这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略

高，其效率大约是40%左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过，这种增加的成本可以因方便地使用液体燃料和勿需进行重整便能工作而相形见绌。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期，但已成功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电源，将来还具有为指定的终端用户使用的潜力

3甲醇燃料电池的制备

燃料电池(Fuel Cell, 简称FC) 是一种将化学能转化为电能的电化学发电装置。由于它不受卡诺循环限制, 不排放或极少排放污染物, 所以是一种高效、清洁的新型能源。燃料电池按电解质的不同可分为碱性氢氧燃料电池(A FC)、质子交换膜型燃料电池(PEM FC)、磷酸型燃料电池(PA FC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC) 及高温固体氧化物燃料电池（SOFC) 等。这些燃料电池通常需要纯氢、天然气、净化煤气或重整气等气体燃料, 因此一般需要复杂的燃料重整或精制等附属设备, 而且气体燃料的供应与储存也存在不安全因素。

DMFC 的核心部分是膜电极集合体(membrane elect rode assembly ,MEA) ,优化制备工艺提高性能的同时,以求减少电极催化剂的载量,简化制备工艺及装置,从而降低成本。国内外对这方面的研究比较多,但系统报道的比较少,这里从制备方法和过程以及催化剂层的组成等方面综述了MEA 的形态、组成对电极性能影响的研究情况。

直接甲醇燃料电池(DM FC) 由两个电极及夹在其中间的质子导电膜构成[3 ]。电极通常为多孔电极,由背层、扩散层和催化剂层3 部分组成, 主要材料是碳支撑的贵金属。DM FC 中的电解质采用特殊离子交换膜, 是一种选择性质子导体,

它既能保持离子电荷平衡, 又能防止甲醇及其他物质渗漏到另一电极区域。将甲醇和水混合物送至DM FC 的多孔阳极区域, 甲醇直接电催化氧化生成二氧化碳,

并释放出质子和电子:

CH3OH+ H2O→CO2↑+ 6H+ + 6e- (1)

在阴极上氧气被还原生成水:

3ö2O2+ 6e- + 6H+ →3H2O (2)

电池的总反应是:CH3OH+ 3ö2O2→CO2↑+ H2O (3)

根据热力学原理, 常温下直接甲醇燃料电池的理论效率〔G= (- $G)ö(- $H) 〕等于96. 7% , 电动势为1. 214V。在实际DM FC 中, 甲醇氧化过电位高, 电极活化引起电极过程偏离热力学平衡状态, 使得电池实际效率和比能量大大减小[2 ]。甲醇直接氧化生成二氧化碳是一6e的转移过程, 由于电极过程动力学限制, 在多孔电极中实际发生的多电子转移电化学反应要比电化学理论所描述的复杂, 甲醇氧化中间过程可能涉及一系列未知化学步骤, 如各种中间产物和吸附产物。

因此, 研制性能优良的甲醇直接氧化电催化剂,是提高DM FC 效率和比能量的核心问题。[4]

在直接甲醇燃料电池中,要使液体反应物甲醇及时进入到电池中并充分迅速到达电极表面,以满足电化学反应的需要,并且增湿气体使膜得到最佳的水合,同时能够保证阳极产物CO2气体和阴极产物水及时排出,避免电极被产物包围,保证反应物与电极的接触,对于得到良好的电池性能是十分重要的。以上所述均与电池双极板的流场结构相关。目前,已有的关于电池结构方面的献不是很多。综合说来,常见的流场结构一般有3 种:传统流场、“蛇形”流场、“交指”流场等。

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微型直接甲醇燃料电池概述

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。

甲醇燃料电池熔融碳酸盐

甲醇燃料电池熔融碳酸盐

第 1 页 共 2 页 甲醇燃料电池熔融碳酸盐

（原创实用版）

目录

1.甲醇燃料电池的概述

2.熔融碳酸盐的作用和特点

3.甲醇燃料电池与熔融碳酸盐的结合

4.甲醇燃料电池熔融碳酸盐的应用前景

正文

一、甲醇燃料电池的概述

甲醇燃料电池是一种新型的燃料电池，其工作原理是通过氧化甲醇产生电子，从而转化为电能。相较于传统的氢气燃料电池，甲醇燃料电池具有储存和运输方便、安全性高等优点，因此在近年来得到了广泛的关注。

二、熔融碳酸盐的作用和特点

熔融碳酸盐是一种在高温下具有良好离子导电性的物质，其主要作用是在甲醇燃料电池中作为电解质。熔融碳酸盐的特点包括：离子导电性高、稳定性好、成本较低等，因此在甲醇燃料电池中具有很好的应用前景。

三、甲醇燃料电池与熔融碳酸盐的结合

甲醇燃料电池与熔融碳酸盐的结合，可以使电池在高温下保持良好的离子导电性，从而提高电池的性能。此外，熔融碳酸盐还可以改善甲醇燃料电池的电极反应，进一步提高电池的效率。

四、甲醇燃料电池熔融碳酸盐的应用前景

随着甲醇燃料电池技术的不断发展，熔融碳酸盐在甲醇燃料电池中的应用前景十分广阔。未来，随着甲醇燃料电池在能源、交通等领域的广泛应用，熔融碳酸盐作为甲醇燃料电池的电解质也将得到更广泛的关注和应 第 2 页 共 2 页 用。

直接甲醇燃料电池资料

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

车载甲醇制氢氢燃料电池技术

车载甲醇制氢氢燃料电池技术

车载甲醇制氢氢燃料电池技术

随着全球对环境保护的重视和对清洁能源的需求增加，燃料电池技术作为一种可持续发展的能源解决方案逐渐受到关注。而车载甲醇制氢氢燃料电池技术作为燃料电池技术的一种重要应用，具有良好的发展潜力。

车载甲醇制氢氢燃料电池技术是指利用甲醇作为燃料，通过电化学反应将其转化为氢气，再将氢气与氧气反应产生电能的过程。该技术具有以下几个优势。

甲醇是一种易于储存和运输的液态燃料。相比于氢气，甲醇具有较高的能量密度和较低的储存压力要求，可以大大减少储氢系统的复杂性和成本。

车载甲醇制氢氢燃料电池技术具有较高的能量转化效率。甲醇在燃料电池中的氧化反应可以更充分地释放能量，相比传统燃烧方式，能够提供更高的工作效率和更低的排放。

车载甲醇制氢氢燃料电池技术还具有较好的适应性和可靠性。甲醇燃料可以在较宽的温度范围内使用，适应不同地区和季节的需求。而且，甲醇作为一种易于合成和获取的化学品，供应链相对成熟，能够提供稳定的燃料供应。

然而，车载甲醇制氢氢燃料电池技术也面临一些挑战和限制。首先，甲醇燃料电池系统的成本相对较高，主要是由于催化剂和膜电极材料的昂贵性以及系统集成的复杂性所导致。其次，甲醇燃料电池的氧化反应过程中会产生一定量的CO2和其他有害物质，对环境造成一定的影响。此外，甲醇的储存和使用需要特殊的安全措施，以防止泄漏和事故发生。

为了克服上述问题和限制，研究人员正在不断努力改进车载甲醇制氢氢燃料电池技术。一方面，通过提高催化剂的活性和稳定性，以及优化膜电极材料的性能，可以降低系统成本并提高能量转化效率。另一方面，开展相关的环境监测和控制，以减少甲醇燃料电池系统的排放。此外，加强甲醇的安全管理和储存技术研究，可以确保甲醇的安全使用。

在实际应用方面，车载甲醇制氢氢燃料电池技术已经取得了一些进展。一些车辆制造商和研究机构已经成功开发出了使用甲醇燃料电池的原型车，并取得了良好的性能和可靠性。然而，要实现车载甲醇制氢氢燃料电池技术的商业化应用，还需要进一步降低成本、提高系统的可靠性和安全性，并加强相关的政策支持和法规制定。