直接甲醇燃料电池资料
甲醇燃料电池
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DMFC的基本原理如图1所示：从阳极通入的甲醇在催化剂的作用下解离为质子，并释放出电子，质子通过质 子交换膜传输至阴极，与阴极的氧气结合生成水。在此过程中产生的电子通过外电路到达阴极，形成传输电流并 带动负载。
甲醇氧化涉及6电子转移，过程复杂缓慢。现场红外光谱检测发现甲醇在Pt电极上氧化的主要产物有CO、COH、 HCOH及H2COH8。为了提高阳极反应的速率，必须深入研究甲醇氧化机理，尤其是甲醇氧化过程中的速度控制步骤。 相关的研究较多，一般认为按双途径进行。认为其氧化过程分为两个基本步骤：
特点
阳极催化剂的研究和开发，主要着眼于两个方面，其一为高性能：包括高活性、可靠性和长寿命；其二为低 价格。
为提高阳极催化性能，应开发新的催化剂材料，包括贵金属和非贵金属催化剂。贵金属催化剂的开发，合金 化是主要的研究方向，通过快速的活性筛选，可以在商业化上得到突破。
另一个是载体的策略。快速发展的纳米技术，尤其是在碳纳米材料的开发上，可以开发出更多更稳定的、高 活性的催化剂载体，纳米颗粒作为载体的催化剂，是PEMFC和DMFC最有应用前景的催化剂材料。
DMFC阴极发生氧还原反应（ Oxygen Reduction Reaction，ORR），由于Pt及其合金催化剂对氧还原的催 化活性较高，因此是应用最普遍的阴极催化剂。氧气在Pt电极上的还原反应涉及多个电子的转移，可能包括多个 基元反应。 Worblowa等提出可能的氧还原过程为：
Pt+O2→Pt-O2 Pt-O2+H++e-→Pt-HO2 Pt-HO2+Pt→Pt-OH+Pt-O Pt-OH+Pt-O+3H++3e-→2Pt+2H2O
DMFC直接甲醇燃料电池
质子交换膜燃料电池 ( PEMFC) 直接甲醇燃料电池 ( DMFC) 碱性燃料电池 ( AFC) 磷酸盐型燃料电池 ( PAFC) 熔融碳酸盐型燃料电池 (MCFC) 固体氧化物燃料电池 ( SOFC)
• DMFC在汽车行业的应用不如质子交换膜燃 料电池的应用成熟, 但是也有一些成功的案例。
• 2008年奥运会期间, 上海大众推出了 DMFC 燃料电池车, 充一次燃料可运行 300 k m;
技术开发
• 为得到较高的输出电压需将电池串联组成电池堆；
• 为防止催化剂中毒，阳极催化剂使用一般采用二元或多 元催化剂，如催化剂Pt-Ru/C等；
• 氧化物的形成可以在铂的表面与水反应生成提供活性氧 的中间体提供活性氧的中间体，这些中间体能促使PtCHO反应生成二氧化碳，改善Pt的催化性能，从而达到 促进Pt催化氧化甲醇的目的。
Direct Methanol Fuelcell 直接甲醇燃料电池
DMFC
• 优势: 体积小巧 储运方便 洁净环保 理论
能量比高 最易产业化和商业化的燃料电池。
• 缺陷: 能量转化率低 性能衰减快 成本高
应用
已成功地显示出可以用作手机和膝上型电脑的 电源，将来还具有为指定的终端用户使用的潜力。
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• 日本铃木将在第四十一届东京车展展出甲醇 燃料电池驱动的M IO轮椅车等全新概念车型。
• 三星 SDI公司日前开发出一款用于笔记本电 脑的燃料电池原型, 这款燃料电池能量密度 为200Wh/L, ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ约由 200 cm3的液态甲醇供 能, 能持续工作约15 h 。这与东芝或 NEC 公司的能量密度为 100~ 130Wh/L的笔记本 电脑燃料电池相比,持续使用时间更长, 而且 产品更加小巧和紧凑。
实验五 直接甲醇燃料电池
实验五直接甲醇燃料电池一、实验目的1.掌握燃料电池的基本构造。
2.通过模型演示，了解燃料电池的工作原理。
二、实验原理本实验采用一个简易的模型装置（图1），用一个燃料电池与一个功率很小的风扇连接，燃料电池采用的是直接甲醇燃料电池。
直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）属于质子交换膜燃料电池（PEMFC）中之一类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。
相较于质子交换膜燃料电池（PEMFC），直接甲醇燃料电池（DMFC）具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。
图1 模型装置示意图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。
在碱性条件下：正极：3O2 + 12e– + 6H20 → 12OH–负极：2CH4O- 12e– + 12OH-→ 2CO2 + 10H2O总反应式：2CH4O + 3O2 = 2CO2 + 4H2O在酸性条件下：正极：3O2 + 12e– + 12H+→ 6H2O负极：2CH4O -12e– + 2H2O → 12H+ + 2CO2总反应式：2CH4O + 3O2 = 2CO2 + 4H2O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。
三、实验过程（1）连接好简易模型的线路，保证线路连接完整。
（2）配置3%的甲醇溶液。
（3）将配好的3%的甲醇溶液加入燃料电池一端，注满。
观察现象。
四、实验结果分析通过本次实验对燃料电池的基本原理有了更深一步更形象的直观了解。
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 forvehicles with bright prospects to be expected..Key words: DMFC; methanol; crossover; membrane; electrocatalyst0引言由于汽车尾气污染越来越严重, 从而引起世界各国的关注。
科技成果——直接甲醇燃料电池(DMFC)
科技成果——直接甲醇燃料电池（DMFC）成果简介直接甲醇燃料电池（DMFC）由于使用液体甲醇作燃料，电池安全，系统简单，运行方便，具有很广阔的商业化前景。
从目前的技术水平看，DMFC的功率密度比氢氧燃料电池低，因此这类电池更适用于小型电器中，如移动电话、笔记本电脑等。
美国能源部认为用于发电站和电动汽车的大型燃料电池，商品化制造成本一定要低于$500/kW，而对应用于电子产品中的小型燃料电池，其制造成本可允许高达$2000/kW。
与二次电池相比，微型或小型DMFC主要具有以下优点：（a）长时间连续提供电能；（b）充加燃料方便，它可避免二次电池充电时间长、电池记忆效应、循环寿命短等不便；（c）无污染、回收处理方便。
北京科技大学在国家自然科学基金委、教育部和国家863计划支持下，开展了熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）的研究开发工作，具体包括：（1）Pt基非贵金属多元合金、Pt基过渡金属或稀土金属氧化物催化剂；（2）甲醇溶液中稳定的轻质双极板等材料；（3）催化剂碳载体材料；（4）膜电极及直接醇类燃料电池组样机。
经济效益及市场分析Solar H2 Center、Las Alamos和Motorola等国外研发单位都在研制开发适用于移动通讯和笔记本电脑的DMFC系统。
微型或小型DMFC的开发成功，将解决二次电池能量密度低、充电时间长等问题，可开发电子产品更多的新功能。
而且，各类便携式电子产品不断涌现，对电池的需求在不断增加，市场前景广阔。
移动通讯、笔记本电脑、PDA及电动助力车等将是DMFC的巨大潜在市场。
作为燃料电池中必需的催化剂、质子膜及零部件等关键材料，目前主要来自国外厂家，国内还没有成熟产品。
因此，随着燃料电池的不断发展，燃料电池材料将和二次电池材料一样形成巨大的市场。
因此，一般认为小型燃料电池易达到商品化。
可以预计，在近三至五年内，微小型DMFC很可能成为电子工业中新的经济增长点。
直接甲醇燃料电池的结构
直接甲醇燃料电池的结构一、引言直接甲醇燃料电池是一种新型的燃料电池技术，具有高效、环保、安全等特点。
其结构复杂，需要多个部件协同工作，本文将对直接甲醇燃料电池的结构进行详细介绍。
二、直接甲醇燃料电池概述直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料的低温燃料电池。
其工作原理是通过将甲醇和氧气反应产生电能，并且产生水和二氧化碳等副产品。
相比于传统的燃油发动机，直接甲醇燃料电池具有更高的效率和更少的环境影响。
三、直接甲醇燃料电池结构1. 正极板正极板是指负责氧气进入反应区域并与负极反应的板子。
它通常由铜或不锈钢制成，并且需要在表面涂上催化剂以促进反应。
2. 负极板负极板是指负责将甲醇输送到反应区域并与氧气反应的板子。
它通常由铜或不锈钢制成，并且需要在表面涂上催化剂以促进反应。
3. 膜电解质膜电解质是指分隔正极板和负极板的薄膜，它可以防止电荷的直接传递，同时也可以保证氧气和甲醇反应时产生的水不会混合在一起。
4. 催化剂层催化剂层是指涂在正极板和负极板表面的催化剂，它可以促进甲醇和氧气的反应，从而产生电能。
5. 氧气输送管氧气输送管是负责将氧气输送到正极板的管道。
它需要具有良好的导电性能和耐腐蚀性能。
6. 甲醇输送管甲醇输送管是负责将甲醇输送到负极板的管道。
它需要具有良好的导电性能和耐腐蚀性能。
7. 冷却系统冷却系统是负责控制燃料电池温度的系统。
由于燃料电池工作时会产生大量热量，因此需要通过冷却系统将热量散发出去，以保证燃料电池的正常工作。
8. 水排放管水排放管是负责将反应产生的水排放出去的管道。
由于水会影响膜电解质的工作效果，因此需要及时将其排出。
四、总结直接甲醇燃料电池是一种高效、环保、安全的新型燃料电池技术。
其结构复杂，需要多个部件协同工作。
本文详细介绍了直接甲醇燃料电池的结构，包括正极板、负极板、膜电解质、催化剂层、氧气输送管、甲醇输送管、冷却系统和水排放管等部件。
直接甲醇燃料电池
• 甲醇价廉易得，方便携带，无须外重整和氢气净
化。
• 甲醇的能量密度与汽油差不多。
直接甲醇燃料电池的研究开始于 20世纪50年代，美
国的爱里斯.加尔姆公司在1961年用双氧水做氧化剂，用
碱液研制成600W电堆；
荷兰于1965年用空气作氧化剂，研制成132W的硫酸
燃料电池；
21世纪以后，质子交换膜燃料电池在小型化方面进 展缓慢，氢的制取与运输等方面存在一定难度； 传统电池能量密度低，可持续供电时间短，不能 满足便携式电子设备（笔记本计算机、手机、掌上游戏 机等）越来越高的用电需求。
更高能量密度的新型供电方式称为人们竞相
研发的领域，尽管甲醇燃料还存在催化效率低、
甲醇渗透等现象，导致电池的效率与性能低、寿
命与稳定性不能满足市场需求，但直接甲醇燃料
电池在便携式电源领域里的可操作性前景吸引了
更多的科研工作者，促使更多的企业与单位将其
作为研发的重点。
4.2 DMFC工作原理 • DMFC是将储存于甲醇燃料中的化学能直接转化 为电能的一种电化学反应装置。 • DMFC由阳极、阴极和电介质膜组成。 • 电解质按照传导离子的不同分为阴离子（OH-） 电介质膜和质子(H+)交换膜。
• DMFC是将储存于甲醇燃料中的化学能直接转化 为电能的一种电化学反应装置。 • DMFC由阳极、阴极和电介质膜组成。 • 电解质按照传导离子的不同分为阴离子（OH-） 电介质膜和质子(H+)交换膜。
燃料电池概论
王晓燕
第六章 直接甲醇燃料电池
• 引言
• DMFC工作原理ຫໍສະໝຸດ • 阴阳极催化剂及质子交换膜
• DMFC性能及影响因素
4.1 引言 • 氢气具有很高的能量密度和电化学转化率，但是 氢气储存和运输具有很高的难度，制约了以纯氢气 为燃料的电池的发展。 • 甲醇是最简单的醇类，很早就进入了人们的视野， 一个甲醇分子完全氧化能释放出6个电子。
直接甲醇燃料电池技术及应用
直接甲醇燃料电池技术及应用直接甲醇燃料电池技术是一种新型的电池能源技术，具有高效、绿色、环保等特点。
它可以使用甲醇和氧作为燃料，将化学能转换为电能，不产生二次污染物，如二氧化碳和氮氧化物等，具有可再生能源的特点。
直接甲醇燃料电池技术具有高效率、低成本、小重量、可靠性高以及易维护等优势。
因此被在无线通信、军事、稳定和便携式电力发电、电力备份等领域广泛应用。
此外，直接甲醇燃料电池的应用也会推动混合燃料电动车的进一步发展，在运动中将运用装置重量轻，效率高的直接甲醇燃料电池。
未来，将会有更多节能、环保、高效、低成本的新型能源应用在更多领域，为人类提供更加便捷、安全环保的生活方式。
直接甲醇燃料电池
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。
DMFC直接甲醇燃料电池简介
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。
直接甲醇燃料电池的研究进展及其性能研究
直接甲醇燃料电池的研究进展及其性能研究随着新能源技术的不断进步，直接甲醇燃料电池作为一种高效环保的新型电池技术，正逐渐成为新能源领域的研究热点。
本文主要介绍直接甲醇燃料电池研究的历史背景、发展现状和性能研究，以及未来展望。
一、直接甲醇燃料电池的历史背景直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料、将化学能直接转化为电能的装置。
早在19世纪末，科学家们就开始研究通过化学反应产生电能的方法，但直到20世纪后期，人们才开始尝试将甲醇作为燃料应用于燃料电池中。
1990年代，直接甲醇燃料电池得到了快速发展，燃料电池的关键零部件-质子交换膜(PEM)以及甲醇氧化催化剂的研究都有了很大的突破。
目前，直接甲醇燃料电池已经进入了实际应用阶段。
二、直接甲醇燃料电池的发展现状目前，直接甲醇燃料电池已经成为新能源领域的研究热点之一。
与传统汽车相比，直接甲醇燃料电池车具有很多优势，如节能环保、零排放、静音、高效率等，被誉为可以替代传统汽车的最佳候选者。
同时，直接甲醇燃料电池还有广泛应用于无人机、充电宝等领域的前景。
三、直接甲醇燃料电池性能研究直接甲醇燃料电池的性能主要由其电池输出功率密度、热效率和稳定性等因素所决定。
为了提升直接甲醇燃料电池的性能，科学家们经过不懈努力，目前取得了一定的成果。
1.电池输出功率密度电池输出功率密度是直接甲醇燃料电池重要性能指标之一。
目前，科学家们通过改善电解质材料、优化电极催化剂等方法，成功提高了电池输出功率密度。
其中，提高电极催化剂活性是最有效的方法之一。
2.热效率热效率指的是直接甲醇燃料电池在工作过程中燃料的化学能转化为电能的效率。
目前，科学家们提高热效率主要通过改善电池内部流动状态、优化氧化催化剂等方法实现。
其中，改善氧化催化剂的选择和制备方式，可以有效提高热效率。
3.稳定性稳定性是影响直接甲醇燃料电池长期稳定稳定性运行的关键性能指标。
目前，科学家们通过改善质子交换膜材料、优化电极催化剂等方法，提高电池的稳定性。
燃料电池之直接甲醇燃料电池
Pt基复合催化剂
阴极催化剂
也称为过渡金 属原子簇化合 物，20世纪80 过渡金属大环化合物催化剂 年代中期发现 的，对氧还原 具有良好的电 Chevrel相催化剂 催化活性和耐 甲醇性
过渡金属硫化物催化剂 过渡金属羰基化合物催化剂 其他类型催化剂
研究过的有MoxRuySz, RhxRuySz,RexRuySz等。 Pt基复合催化剂 其中碳载MRu5S5(M为 Rh或Re)对氧还原的电催 化活性最好，并且对甲醇 过渡金属大环化合物催化剂 没有电催化活性
阳极 催化剂
非金属催化剂
考虑到Pt催化剂的种种不足，人们开始用含 氧丰富的高导电性和高催化活性的ABO3型金属氧 化物为甲醇氧化的阳极催化剂。A位上的金属有 Sr、Ce、Pb、La, B位上的金属有Co、Pt、Pd、 Ru等。 也有采用复合型的，就是A和B位均采用 两种不同的金属。这类催化剂的优点是对甲醇氧 化有较高的电催化活性，而且不发生中毒的现象。
燃料电池
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直接醇类燃料电池 Direct Alcohol Fuel Cell，DAFC
中南大学冶金科学与工程学院 中南大学冶金科学与工程学院
5.5直接醇类燃料电池
直接醇类燃料电池（DAFC)与PEMFC相近，只
是不用氢作燃料，而是直接用醇类和其他有机分子作 燃料。直接醇类燃料电池就是将有机小分子醇类和氧 气的化学能转化为电能的一种能量转化装置。 而以前的研究工作大都是针对用甲醇直接作燃料 的直接甲醇燃料电池(DMFC)的。
Pt基复合催化剂
三元合金
过渡金属大环化合物催化剂 阴极催化剂 Chevrel相催化剂 过渡金属硫化物催化剂 过渡金属羰基化合物催化剂 其他类型催化剂
Pt基复合催化剂
过度金属的络 合物
绿色化学评估之直接甲醇燃料电池
绿色化学评估系所专业指导老师研究姓名学号直接甲醇燃料电池燃料电池是21世纪首选的“绿色”发电方式,直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell,DMFC)是目前继质子交换膜燃料电池(PEMFC)之后,商业化最好的燃料电池。
它是将甲醇和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。
DMFC除了具有一般燃料电池的优点外,同时还具有室温快速启动、可靠性高、燃料补充方便、体积和质量比能量密度高、红外信号弱、装置轻便机动性强等特点,是一种极有发展前途的清洁能源用功率源,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广泛的应用前景,是燃料电池未来发展的重要方向。
从技术层面上讲, DMFC的研究开发目前依然面临着以下挑战:即①常温下燃料甲醇的电催化氧化速率较慢;②贵金属电催化剂易被CO类中间产物毒化;③在长期使用过程中,甲醇易渗透过质子交换膜到达阴极,使得阴极电催化剂对氧还原性降低、电池性能下降。
目前,解决上述问题的方法一是需要开发高活性抗CO 中毒的阳极电催化剂;二是需要开发新的质子交换膜,有效地减少甲醇的渗透。
随着将直接甲醇燃料电池组应用到便携式产品进程的加快,这就要求DMFC在室温和常压下使用,对电催化剂的性能提出更高的要求。
目前,DMFC所用的电催化剂均以铂为主催化剂成分,因为只有铂才具有足够的电催化活性(对于两个电极反应均具有电催化活性)以及在强酸性化学环境中良好的耐腐蚀性能使得它可长期工作。
但是铂的价格较为昂贵,且资源溃乏,使得DMFC的成本居高不下,限制了其大规模的应用。
当前在DMFC催化剂方面研究的重点主要集中于:(1)提高铂的有效利用率,降低其用量;(2)改善其性能衰退问题；(3)寻找新的价格较低的非贵金属催化剂。
1：燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。
燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。
直接甲醇燃料电池简介
直接甲醇燃料电池（DMFC）研制主要研究内容1、甲醇阳极与氧阴极催化剂研究；2、固体高分子膜防透醇研究；3、三合一膜电极制备技术研究；4、单体电池的设计与性能研究；5、电池组系统结构设计与8W样机研制。
技术指标阳极铂载量≤3mg/cm2，阴极铂载量≤1mg/cm2；80℃，单体电池比功率≥80mW/cm2；30℃，阴极为常压空气，单体电池比功率≥12mW/cm2；8W样机正常运行40h。
产业化前景DMFC属高技术含量、高附加值产品，是下一代高能电源。
可广泛应用手机、笔记本电脑、摄像机等个人电子产品。
据统计，2003年中国大陆笔记本电脑出货量1500万部，占全球40％，国内市场销量150万部；预计到2008年，全球笔记本电脑市场将达到6000万部。
目前笔记本电脑电源多使用锂离子电池，由于其比能量的限制，供电时间短，已远远不能满足用电需要。
笔记本电脑的电源如果转向DMFC，将大大提高供电时间，因此市场前景很好。
经济与社会效益随着我国经济的迅猛发展，国内笔记本电脑市场也成长迅速。
这就为高容量笔记本电脑电源——直接甲醇燃料电池（DMFC）提供了广阔的应用前景。
在小型DMFC技术基础上，进一步开发大功率、组合式DMFC系统，可用于电动车、混合电动车电源，它比氢氧型质子交换膜燃料电池携带和供应燃料简便、安全，将成为很有前途的动力电源。
甲醇燃料属于洁净能源，在DMFC生产及使用中均对环境无害，同时来源广泛，是很好的石油、煤炭类石化能源的替代品之一。
又因其热效率高，可以实现有限资源的高效利用。
关于甲醇的制备和来源，可采用洁净煤气化技术，进而大规模合成甲醇。
甲醇还可通过农作物的酿造加工而成。
世界各国均在大力发展燃料电池产业，DMFC是各国竞相开发的重点，发展DMFC有利于提高我国在燃料电池产业的竞争力。
应用领域直接甲醇燃料电池DMFC可以作为便携式电源广泛应用于移动通讯如手机、笔记本电脑、摄像机等；由于其能量密度大、无噪音，还可以广泛应用于军事领域，如单兵作战系统、潜艇等；DMFC还可以作为动力电源或辅助动力电源用于交通工具，如汽车，火车的空调电源等等。
直接甲醇燃料电池性能研究
直接甲醇燃料电池性能研究甲醇是一种常见的有机物，常被用作溶剂和清洗剂。
除此之外，它还可以作为一种燃料，用于驱动发电机或是燃料电池。
直接甲醇燃料电池是利用甲醇直接反应产生电能的一种特殊燃料电池。
在燃料电池中，甲醇在反应过程中会被氧化成二氧化碳和电子，进而形成电流。
这种燃料电池的优点在于甲醇相对易得，同时也比较容易储存和运输。
燃料电池中的甲醇在反应过程中需要经过电化学反应来产生电流。
这种电化学反应需要掌握一些技能和知识。
首先，燃料电池中的电极必须是优质的。
电极选择不当或质量差劣都会影响燃料电池的发电效率。
其次，反应的速率、产物的选择和功率等指标都需要经过实验探究进行研究。
这些都是燃料电池的核心技术。
在直接甲醇燃料电池中，燃料的性能是非常重要的。
甲醇的物化性质会影响燃料电池的效率和稳定性。
燃料的性能包括甲醇的浓度和纯度，以及甲醇分子中的氢和甲基基团的比例等。
甲醇浓度的变化会引起电流的大小和电池输出电压的波动。
此外，燃料电池研究中还要考虑甲醇的纯度问题，因为杂质会影响燃料电池的质量和性能。
最近，国内外都有很多关于直接甲醇燃料电池性能的研究。
其中最重要的一些工作是研究直接甲醇燃料电池的反应动力学。
利用甲醇燃料电池实验平台，可以分析出甲醇在电极表面上的反应规律。
这些规律能够帮助我们制定新的燃料电池方案，提高其效率和稳定性。
此外，研究人员还探索了不同材料和结构对直接甲醇燃料电池性能的影响。
目前，在直接甲醇燃料电池研究领域已经涌现出许多新的成果。
一些研究表明，改进直接甲醇燃料电池的石墨零件、贵金属电极和电解质可以提高燃料电池的输出功率和效率。
此外，利用新型的容器设计方法以及提高催化剂的催化能力还能提高电池的效率，使其更适用于实际应用。
最近国内的一些研究人员利用新型的协同氧化还原催化剂设计了一种高效的直接甲醇燃料电池，并在实验室中展示了其功能。
该燃料电池利用甲醇改变表面电位，使电化学反应的速率得到提高，进而可以实现更高效的燃烧和电力转换。
DMFC——燃料电池课件解读
二元催化剂
人们在 Pt 基二元催化剂方面做了大 量的研究,发现 PtRu, PtSn, PtW 和 PtMo 等二元合金催化剂较纯 Pt 催化剂 在甲醇的催化氧化过程中表现出很高的 活性, 特别是具有很好的抗 CO 中毒效 果，且加入第二元合金不影响阳极电极 性能。
阳极催化剂的组成直接影响其性 能.
直接甲醇燃料电池 （Direct Methanol Fuel Cells, DMFC）
1. 概述
进入 20 世纪 90年代， PEMFC 在关键材料与电池 组等方面均取得了突破性进展。但在商业化进程中， 氢源问题一直没有得到解决，氢的供应设施建设投 资巨大，而氢的贮存与运输技术和氢的现场制备技 术等还有待于进一步发展，目前，氢源问题是 PEMFC商业化发展中的主要障碍之一。 因此，以甲醇等醇类直接为燃料的 FC在 20世纪末受 到人们的重视，其中直接甲醇FC（Direct Methanol Fuel Cells, DMFC）已成为研究与开发的热点，并取 得了重要进展。
催化剂的形貌和结构对阳极催化 性能的影响
人们在 Pt 基二元催化剂方面做了大量的研 究, 发现 PtRu, PtSn, PtW 和 PtMo 等二元合金 催化剂较 纯 Pt 催化剂在甲醇的催化氧化过程中表现 出很高 的活性, 特别是具有很好的抗 CO 中毒效果.
根据甲醇与水在电池阳极的进料方式不同，可 将DMFC分为两类：以气态甲醇和水蒸汽为燃 料和以甲醇水溶液为燃料。
作为重要的化工原料和燃料，甲醇可由水煤气或天 然气合成，而且技术和工艺都非常成熟。
甲醇的物理化学性质
不同蓄能介质储存能量比较表
2 工作原理
阳极反应： 阴极反应：
CH3OH H2O CO2 6H 6e
甲醇燃料电池的正负极反应式
甲醇燃料电池的正负极反应式甲醇燃料电池详解直接甲醇燃料电池属于质子交换膜燃料电池（PEMFC）中之一类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。
相较于质子交换膜燃料电池（PEMFC），直接甲醇燃料电池（DMFC）具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。
这使得直接甲醇燃料电池（DMFC）可能成为未来便携式电子产品应用的主流。
甲醇燃料电池原理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。
直接甲醇燃料电池属于质子交换膜燃料电池（PEMFC）中之一类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。
相较于质子交换膜燃料电池（PEMFC），直接甲醇燃料电池（DMFC）具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。
这使得直接甲醇燃料电池（DMFC）可能成为未来便携式电子产品应用的主流。
在直接甲醇燃料电池的工作过程中，一定浓度的甲醇溶液从电池的阳极流场结构中通过，在液体的流动过程中，甲醇溶液经过阳极扩散层，至阳极催化层处被氧化。
透过质子交换膜，作为反应产物的质子得以迁移到阴极一侧，电子则通过外电路由阳极向阴极传递，并在此过程中对外做功。
同时，在阳极MEA 中电解质的作用下，CO2气体以气泡的形式在阳极流场内随甲醇溶液排出。
在电池的阴极一侧，阴极集流板流场结构均匀分配后的空气或氧气扩散进入阴极催化层，被来自阳极的质子电化学还原，生成的水蒸气或液态形式的水与反应尾气一起离开电池的阴极流场。
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。
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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 forvehicles with bright prospects to be expected..Key words: DMFC; methanol; crossover; membrane; electrocatalyst0引言由于汽车尾气污染越来越严重, 从而引起世界各国的关注。
汽车尾气污染的根源在于汽车发动机使用的汽油。
甲醇是一种易燃液体, 燃烧性良好, 辛烷值高,抗爆性能好。
甲醇又是一种洁净燃料, 燃烧时无烟,燃烧速率快, 排气污染少。
不管燃烧汽油还是燃烧甲醇作汽车的动力都需要使用内燃机, 因此其噪音污染及燃料燃烧不完全引起的排放物污染是不可避免的。
使用电动汽车是解决汽车尾气污染的根本办法, 同时还可以减少内燃机造成的噪音污染。
燃料电池有内燃机使用燃料重量轻, 补充燃料方便等优点, 无需充电, 它的最大优点在于可把燃料的化学能直接转变成电能, 其效率不受卡诺循环限制。
直接甲醇燃料电池( Direct Methanol Fuel Cell,简称为DMFC) 无需将甲醇转变成氢源, 利用甲醇直接在电极上反应转变成电能。
直接甲醇燃料电池使用液体燃料甲醇, 使体积变小, 是最有希望成为电动汽车电源的化学电源。
1直接甲醇颜料电池的基本定义燃料电池( 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( AFC) 、质子交换膜型燃料电池( PEMFC) 、磷酸型燃料电池( PAFC) 、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。
直接甲醇燃料电池( Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) , 顾名思义, 可直接用甲醇作原料, 无须中间重整或转化装置, 因此具有体积小, 重量轻, 系统结构简单, 燃料来源丰富, 价格低廉, 储存携带方便等优点, 是目前各国政府优先发展的高新技术之一。
直接甲醇燃料电池( DMFC) 由两个电极及夹在其中间的质子导电膜构成[ 。
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。
DMFC 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DMFC 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:3/ 2O2+ 6e- + 6H+ →3H2O ( 2)电池的总反应是:CH3OH+ 3/ 2O2→CO2↑+ H2O ( 3)2直接甲醇燃料电池阳极电催化剂材料2.1铂基催化剂材料在DMFCs 中, 对阳极电催化剂材料有3 个基本要求: 活性、稳定性、质子和电子导电性。
对于铂基电催化剂, 甲醇在阳极的氧化机理涉及到一系列的基元反应步骤, 研究表明, 其速控步骤是甲醇的第一步吸附脱氢( 低温时) 或反应中间物CO 与吸附的羟基的反应( 温度高于60 e 时) , 反应式如下:CH3OH vPt - CH2 - OH+ Hads ( 1)COads+ Pt - OHads vPt - COOH ( 2)由于反应中间物CO 或Pt- ( CHO) ads是阻止甲醇进一步氧化的, 其氧化需要在较高的过电位下进行, 因此, 电催化剂材料需要具有高的活性, 即要求能在低过电位下氧化反应的中间物, 现今通常采用加入各种金属元素对铂催化剂修饰, 提高其活性; 另外, 基于电催化剂大多是贵金属, 成本高, 因此, 要求电催化剂用量少而活性高。
在DMFCs 中, 采用的是质子导电膜固体电解质( 如Nafion- 117) , 其酸性相对于1mol/ L 的硫酸, 因此, 要求催化剂材料在酸性介质中具有高的稳定性。
质子和电子在阳极电催化剂上经阳极半反应而产生, 质子通过质子膜传递至阴极, 而电子可以通过碳纸传递。
该碳纸是由催化剂负载在碳黑上或者直接喷涂在质子膜上形成的,这就需要电催化剂与质子膜和炭黑有良好接触, 同时也要求其能有效传递质子和电子。
一般认为, 相对于铂催化剂, 加入第二元金属,如T i 族、V 族的活性稍有提高, 而Fe、Cu、Co、Ni 则无促进作用, Mn 族、Cr 族的活性最高。
PtRu 催化剂是最具代表性的, 具有较高的活性和稳定性, 主要有2 种: 负载在活性炭上的PtRu/ C和非负载的高分散的PtRu 催化剂。
尽管国外已有商品PtRu 催化剂出售, 然对其结构及其与活性的关系还不太清楚, 而且有些结论是相互矛盾的。
X1Ren 比较了E - TEK 公司的非负载的高分散PtRu 催化剂( 011 ~ 015g/ cm2 ) 、Johnson - Matther公司的PtRu/ C 催化剂( 1~ 4mg/ cm2) 的性能, 认为,如用于DMFC 中, 前者因具有好的操作性能而更为可取, 其电极更薄, 利于质子的传递。
但是, Li Liu[等人通过比较Watanabe 方法制备的PtRu 和PtRu/C 催化剂, 在甲醇渗透可忽略的条件下( 浓度为015mol/ L, 电流密度为500mA/ cm2 ) , 50 ~ 90 e 时,后者0146g/ cm2 相当于未负载催化剂2g/ cm2 的性能, 因此, 如果考虑贵金属的成本, 则后者更为可取。
Jef frey W等人认为, PtRu 催化剂与单相的合金PtRu 催化剂不同, 前者是多相体系, 由Pt 金属、Ru金属、Pt 的水合氧化物、Ru 的水合氧化物及RuO2组成, XRD、XPS、TEM 等表征方法证实了在PtRu催化剂中, 存在铂的面心立方结晶相, 无定形的Ru的氧化物相, 其中RuOxHy 对催化剂的活性起重要的作用, 因为RU OxHy 具有质子传递、电子传递和提供活性氧的能力。
2.2铂基钙钛矿类和非铂基催化剂DMFC 中阳极铂的负载量远高于聚合物膜燃料电池( PEMFC) , 因此降低铂的负载量是DMFC 研究的一个重要方面。
以上讨论的金属和金属氧化物与Pt 或PtRu 合金的复合, 可提高催化剂的活性, 从而可以降低铂的负载量。
另外一个途径是采用非贵金属催化剂, 然而, 从现今研究的结果来看, 无论是在活性还是稳定性方面, 非贵金属催化剂还远远达不到要求。
2.3铂基电催化剂的制备方法电催化剂的性能与其制备方法和处理条件密切相关, 多组分、高分散、颗粒分布均一的纳米级的催化剂具有高活性。
浸渍法与共沉淀法是制备负载型金属催化剂的常用方法, 尤其对贵金属催化剂, 可以在负载量低的情况下达到金属的均匀分布, 载体也可改善催化剂的传热性, 防止金属颗粒的烧结等。
GoodenouhgJ B提出Pt/ C 制备的过程, 包括载体的预处理和浸渍、还原等步骤。
炭黑经碾磨后, 在930 e 、CO2 气流中预处理1h, 然后浸渍中和后的氯铂酸, 用HCHO 或N2H4 在水溶液中还原, 过滤、洗涤、干燥后得到8% Pt 载量的Pt/ C 化剂。
预处理过程可以改变碳的表面积和表面氧化物的组成, 表面氧化物的除去打开了碳的微孔, 因此增加表面积, 同时提高了碳颗粒的电接触, 但对Pt/ C 催化剂中的Pt 颗粒尺寸和分布没有影响。
多组分催化剂也可用浸渍法制备, 用炭黑浸渍混合金属盐溶液[ 13] , 或以Pt / C催化剂为起始催化剂, 逐个组分浸渍, 常用的还原剂还有甲酸钠、NaBH4、H2 等Watamabe 用双氧水氧化铂和钌金属盐, 形成PtO2 和RuO2 的溶胶, 然后用炭黑浸渍, 在水溶液中还原或在不同的气氛下焙烧, 得到平均直径3~ 4mm 颗粒, 且炭黑保持很高的比表面积。
随后的热处理也对催化剂的活化有影响, 碳载催化剂在空气中焙烧效果较好。
溶胶凝胶法是制备纳米级催化剂颗粒的有效方法。
Got z M在有机溶剂中利用N( C8H17) 4BEt 3H与金属盐溶液反应生成金属溶胶, 其中, + N( C8H17) 4 保持溶胶稳定, BEt 3H+ 是还原剂。
在溶胶中加入炭黑, 随后过滤、洗涤、N2 干燥得到平均粒径117nm 的碳载催化剂。
这种方法也可以制备PtM/c、PtRuM/ C ( M 为金属元素) 。
CatherineA1Morris报道一种C - Sio2 复合溶胶的制备方法, 它是在硅溶胶形成之前加入金属盐和炭黑, 炭黑和金属均匀分布在SiO2 的三维网络的微孔中, 随后的洗涤、还原等步骤均不会导致炭黑和金属的脱落,保持了炭黑的良好接触和导电性。