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直接甲醇燃料电池工作原理直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种新型的燃料电池，又称为液态燃料电池。
直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料，空气氧气为氧化剂，减少CO和NOx等废气的新型、高效、清洁的能源装置，具有绿色环保、高效利用、易储存、方便携带、快速响应、低噪音、简单制造等优点。
本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的工作原理。
一、基本组成直接甲醇燃料电池（DMFC）是由质子交换膜（PEM）、阳极、阴极和电子导体等基本组成部分组成。
质子交换膜材料通常是聚合物质子交换膜（PEM），阳极和阴极通常采用的是催化剂，电子导体一般采用碳材料。
质子交换膜和催化剂是直接甲醇燃料电池的核心。
二、工作原理1、阳极反应（氧化反应）直接甲醇燃料电池的阳极为负极，是由催化剂铂（Pt）制成。
阳极反应的化学式为：CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-在阳极处，甲醇和水分子在催化剂Pt的作用下，分解成质子（H+）和电子（e-）以及CO2的发生氧化反应，同时产生电子流和离子流。
2、阴极反应（还原反应）直接甲醇燃料电池的阴极为正极，也由催化铂制成。
阴极反应的化学式为：3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O在阴极处，氧气和质子与电子的结合发生还原反应，并生成水，释放出能量。
3、电子导体直接甲醇燃料电池的阳极和阴极之间，通过电子导体（如碳纤维织物）、质子交换膜（PEM）和电解质（如甲醇）实现电子的传递和离子的传递。
由于阳极和阴极之间没有电子流，故需要引入外部电路来完成电子的流动，这样就可以产生用电能。
4、电化学反应在直接甲醇燃料电池中实际上是一种电化学反应，就是将化学能转化为电能和热能的过程。
化学能转化成电能的具体过程为：在阳极上甲醇分子分解出H+和e-，e-通过电子导体外路，到达阴极上发生与氧气还原的反应，质子通过质子交换膜传递到阴极的反应区域与电子结合形成水。
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 vehi2cles1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。
直接甲醇燃料电池（理学院，材料科学与工程系，材料科学与工程专业余志勇）（学号：2000143001）内容提要：制备了一只面积为3×3cm2的直接甲醇燃料电池，优化了有关制备工艺，测定了在不同放电电流、不同甲醇浓度和不同有机物作燃料时的放电性能。
结果发现，制备过程中电极干燥处理和MEA热复合时温度对电池的性能有至关重要的影响。
同时还发现，低电流放电时，提高甲醇浓度，工作电压下降；在以1mol/L甲醇溶液为燃料时，放电电流为50mA时，电池输出功率达到最大。
在室温低电流密度下，不同物质的水溶液作燃料时，工作电压存在下列次序：异丙醇>甲酸>甲醛>甲醇。
关键词：直接甲醇燃料电池；质子交换膜燃料电池；电催化剂教师点评：论文制备了一只小面积单体直接甲醇燃料电池，在室温下的工作性能很好，说明作者掌握了直接甲醇燃料电池制备过程中的几个关键点，对制备工艺有较好的理解。
对电池电学性能的分析也较深入合理。
论文条理清晰，结论可靠。
（点评教师：朱光明，副教授）第一章绪论1.1 燃料电池概述1.1.1 燃料电池历史、现状与未来燃料电池是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。
它以电化学反应的方式将燃料不经过燃烧直接由化学能转变为电能。
与一般电池不同，燃料电池所用的燃料和氧化剂并不是贮存在电池内，而是贮存在电池外。
在这一点上，它又与内燃机相似。
因此，燃料电池又被形象的称为“电化学发电机”[1]。
燃料电池具有能量转化效率高；环境污染少，无噪声，操作简便，建设周期短等优点。
其使用灵活性很大，既可大功率集中供电，也可以小功率分散或移动供电。
自本世纪60年代起，燃料电池引起了各国科学家的广泛注意[2]。
随着其本身技术的发展，以及近年来世界范围内的能源危机和环境污染等问题日益严重，燃料电池的研究受到普遍的关注。
美国、加拿大、德国、日本和俄罗斯等经济或科技大国已将燃料电池的开发列为国家发展的一个重要战略目标。
收稿日期:2001-05-15 作者简介:刘建国(1975—),男,博士生,主要研究方向为直接甲醇燃料电池。
Biography :LIU Jian -guo (1975—),male ,candidate for Ph D . 联系人:衣宝廉Nafion 膜厚度对直接甲醇燃料电池性能的影响刘建国1, 衣宝廉1, 王素力1, 魏昭彬1, 辛 勤1, 陈利康2(1.中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连116023;2.安徽宁国天成电器有限公司,安徽宁国242321)摘要:采用N afion 112、N afio n 115和N afion 117膜作为电解质组装直接甲醇燃料电池,通过测量电池的极化曲线,研究了Nafion 膜厚度对直接甲醇燃料电池性能的影响。
结果表明:在放电情况下,电极和工作条件固定的直接甲醇电池的性能是由甲醇的渗透量和膜电导共同控制的。
在低电流密度下,甲醇的渗透量是影响电池性能的主要因素,使用厚膜组装的电池表现出了更好的性能。
而在高电流密度时,甲醇渗透量减小,膜电导成为主要因素,所以使用薄膜组装的电池性能较好。
由Nafion 112膜组装的电池在75℃、1mol /L 甲醇浓度、0.2M Pa 的氧气条件下,功率密度可达120mW /cm 2。
考察了电池短期运转(40h )的稳定性。
关键词:直接甲醇燃料电池;Nafion 膜;电池性能;甲醇渗透中图分类号:T M 911.4 文献标识码:A 文章编号:1002-087X (2002)01-0017-03Effect of the thickness of Nafion membrane on theperforman ce of direct methanol fuel cellsLIU Jian -guo 1,YI Bao -lian 1,WANG Su -li 1,WEI Zhao -bin 1,Xin Qin 1,CH EN Li -kang2(1.Dalian Institute of Chemical Phys ics ,Chinese Academy of S ciences ,Dalian Liaoning 116023,China ;2.Anhui Ningguo Tiancheng Electric Co .,Ltd .,Ningg uo Anhui 242321,China )Abstract :Effect of the thickness of Nafion membrane on the performance of direct methanol fuel cell (DM FC )w ith Nafion 112,Nafion 115and Nafion 117as electroly te were evaluated respectively by measuring their pola -rization curves .The results show that during discharge ,the performance of DMFC w ith the fixed electrode and constant operating condition are affected by the permeating amount of methanol and the conductivity of Nafionmembrane .At low current density ,the performance of DM FC is mainly affected by the permeating amount of methanol ,thus the DM FC with thick membrane has good performances .How ever ,at hig h current density ,the conductivity of membrane is the main facto r due to the decrease of permeating amount ,thus the DMFC with thin membrane has good performance .The pow er density of the DM FC using Nafion 112with the methanol concentration of 1mol ·L -1is up to 120mW ·cm -2at 75℃under 0.2M Pa oxy gen atmosphere .The stability of the DMFC mentioned above during short -term (40h )operation was also investigated .Key words :direct methanol fuel cells (DMFC );Nafion membrane ;cell performance ;methanol permeation 直接甲醇燃料电池(Direct M ethano l Fuel Cells ,DM FC )是直接利用甲醇的水溶液作为燃料,氧或空气作为氧化剂的一种燃料电池。
七种燃料电池优点缺点对比碱性燃料电池质子交换膜燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池直接甲醇燃料电池1、甲醇重整制氢燃料电池（Reformed Methanol Fuel Cell，RMFC）是一种以甲醇生成的富氢重整气作为燃料的燃料电池系统，通常由甲醇重整系统与质子交换膜燃料电池电堆组成。
不同于直接甲醇燃料电池，在这里甲醇经过一次转化生成氢气，氢气再进入质子交换膜燃料电池电堆发电。
该架构利用了氢质子膜燃料电池电堆的高功率密度、高能效特点；同时，采用甲醇作为燃料电池输入能源，氢气即产即用，避免了氢气储存中的高压危险、运输中的效率低下及使用成本高等问题。
与直接甲醇燃料电池相比，其能够满足大功率使用要求，弥补了DMFC功率低（很难达到1kW以上）的问题。
因此，预计甲醇重整制氢燃料电池将会成为未来主流的燃料电池技术之一。
主要优点：1. 甲醇转化率与利用率高，以甲醇高热值计算，整系统能效可达46%。
2. 直接采用甲醇作为燃料，可利用现有的汽柴油加注系统完成甲醇分销加注，无需昂贵的加氢站，避免了氢气储运中低效与安全问题。
3. 输出电流密度可以媲美纯氢燃料电池。
主要缺点：1. 系统复杂度增加，增加了系统体积与重量。
2. 需要额外的控制系统完成动态调控。
2、碱性燃料电池(alkaline fuel cell，AFC)采用如KOH、NaOH之类的强碱性溶液作电解质，传导电极之间的离子，由于电解液为碱性，与PEMFC不同的是在电介质内部传输的离子导体为氢氧离子OH- 碱性燃料电池(AFC)是最早进入实用阶段的燃料电池之一，也是最早用于车辆的燃料电池。
1959年驱动叉车的培根(Bacon)型中温、中压氢氧燃料电池就是AFC。
可以说，AFC是目前技术最成熟的燃料电池之一。
主要优点 1. 碱性燃料电池可以在一个宽温度(80～230℃)和压力[(2.2-45)×105Pa范围内运行2. 碱性燃料电池具有较高的效率(50%～55%)3. 性能可靠，可用非贵金属作催化剂，是燃料电池中生产成本最低的一种电池4. 通过电解液完全的循环，电解液被用作冷却介质，易于热管理主要缺点1. 电解液易受二氧化碳的毒化，不适合大气环境使用2. 循环电解液的利用，增加了泄漏的风险3、质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell， PEMFC）是一种以质子交换膜作为电解质层的燃料电池，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，常以氢气作为燃料，空气或氧气作为氧化剂，是目前常见的燃料电池技术。
直接甲醇燃料电池质子交换膜改性研究
黄青丹;黄红良;李伟善;陈红雨
【期刊名称】《电池工业》
【年(卷),期】2005(010)006
【摘要】直接甲醇燃料电池通常使用美国杜邦公司生产的Nafion膜作固体电解质膜,但甲醇易于通过Nafion膜向阴极渗透.解决这一问题是直接甲醇燃料电池研究领域中的热门课题.简单介绍了Nafion膜的结构及其优缺点,然后对目前各种基于Nafion膜的改性研究和新型质子交换膜的制备与性能研究现状进行了综述.【总页数】5页(P372-376)
【作者】黄青丹;黄红良;李伟善;陈红雨
【作者单位】华南师范大学化学系,广东,广州,510631;华南师范大学化学系,广东,广州,510631;华南师范大学化学系,广东,广州,510631;华南师范大学化学系,广东,广州,510631
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4
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1.直接甲醇燃料电池用质子交换膜SPEEK/SGO/SPEEK的研究 [J], 李晨旭;杨虎;许振良;蒋仲庆
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5.原位合成法制备磷钨酸掺杂的聚乙烯醇/聚偏氟乙烯质子交换膜及其在直接甲醇燃料电池中的应用 [J], 班辉;郭贵宝;张芳
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直接甲醇燃料电池中甲醇穿透对电池性能的影响
康明艳
【期刊名称】《天津化工》
【年(卷),期】2008(22)4
【摘要】根据已经建立的液体进料直接甲醇燃料电池一维模型讨论甲醇穿透对电池性能的影响.结果表明:电流密度较低时,甲醇穿透对电池性能的影响较大;随着电流密度增大,甲醇穿透对电池性能的影响越来越小.
【总页数】3页(P23-24,37)
【作者】康明艳
【作者单位】天津渤海职业技术学院,天津300402
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4
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直接甲醇燃料电池性能衰减分析刘桂成;陈明;马连国;王新东【摘要】从物料性质变化的角度,优化直接甲醇燃料电池(DMFC)稳定性运行的放电电流密度,探讨性能衰减的机理.DMFC在55℃下稳定运行的过程中,以保持较低的氢离子和燃料体积损失为标准,100 mA/cm2为最佳放电电流密度;性能衰减的主要因素为阳极氢离子的流失.【期刊名称】《电池》【年(卷),期】2015(045)003【总页数】4页(P128-131)【关键词】直接甲醇燃料电池(DMFC);膜电极组件;性能衰减;物料分析【作者】刘桂成;陈明;马连国;王新东【作者单位】中国科学院北京纳米能源与系统研究所,北京 100083;北京科技大学物理化学系,北京100083;中国烟草总公司河北省公司,河北石家庄050051;北京科技大学物理化学系,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TM911.42在直接甲醇燃料电池(DMFC)中，液体甲醇可直接使用，不需重整［1］，但DMFC的性能稳定性差，内部工作环境比质子交换膜燃料电池复杂，运行条件苛刻。
数百小时连续放电，可使DMFC性能衰减 7% ～50%［2］，原因是:①阴、阳极供料分别为空气(或O2)和甲醇溶液，气液不对称导致膜电极承受较大的内应力，容易变形;②阳极甲醇氧化反应的过电位较高，且为了应对甲醇渗透的负面影响，催化剂的贵金属载量较高，催化剂粒子更易于聚集;③依据双功能机理［3］，一般以PtRu为阳极催化剂，而金属Ru在电池长期运行过程中的流失明显。
目前，从物料性质的变化角度，对DMFC性能稳定性运行过程中性能衰减的实时分析，还未见报道。
本文作者采用恒流模式进行电池性能稳定性测试，结合三电极技术对电位进行监测，从物料性质的变化角度解析稳定性测试过程中膜电极性能的衰减机理，并从膜电极关键材料的结构变化，研究阴、阳极在性能衰减方面的影响。
以TGP-H-090碳纸(Toray公司)为支撑层，Vulcan XC-72导电炭黑(Cabot公司)、聚四氟乙烯(PTFE)乳液(上海产，6%)及分散剂异丙醇(国药集团，99.7%)、蒸馏水混合搅拌后，作为微孔层浆料。
直接甲醇燃料电池1.1 DMFC 的工作原理直接甲醇燃料电池（DMFC）是以质子交换膜为电解质、液态甲醇为燃料的一种新型燃料电池。
如图1.1 所示，它主要由阳极、阴极和电解质膜三部分组成。
DMFC 工作时，甲醇和水的混合物经扩散层扩散进入催化层，在阳极催化剂的作用下直接发生电化学氧化反应生成 CO2、6 个电子和 6 个质子。
质子经质子交换膜由阳极迁移到阴极区，而电子经外电路做功后到达阴极区。
氧气（或空气）经扩散层扩散进入催化层并在阴极催化剂的作用下与流入阴极区的电子和质子发生电化学反应生成水。
电池的总反应方程式如式1-1 所示，电子在迁移过程中经外电路做功形成回路产生了电流，实现了化学能到电能的转化。
(1)、酸性条件下电极反应与电池总反应方程式为：阳极： CH3OH+ H2O→CO2+ 6H+ + 6e- E10 = 0.046 V阴极： 3/2 O2 + 6H+ + 6e-→3H2O E20 = 1.23 V总反应：CH3OH+ 3/2 O2→CO2 + 2H2O E = E20 - E10 =1.18 V (1.1) 从总反应方程式可以看出，DMFC 中甲醇的化学能转化为电能的电化学反应结果与甲醇燃烧生成二氧化碳和水的反应相同。
由于阳极甲醇氧化反应的可逆电势较氢标准电势高，因此，DMFC 的标准电势较氢氧燃料电池更低。
理论计算结果表明：DMFC的E0=1.183 V，能量转化率为 96.68 %，但电池的实际工作电压远小于此值。
当阳极电势≥0.046 V（可逆氧化电势）时，甲醇将自发进行反应；相同地，当阴极≤1.23 V（可逆还原电势）时，氧也可以自发地发生还原反应。
因此，阳极电势比0.046 V 高的多而阴极电势比1.23 V 低得越多时，电极反应速度就越快，而此偏离热力学电势的极化现象使得 DMFC 的实际工作电压比标准电势 E0低。
