直接甲醇燃料电池
全面解析直接甲醇燃料电池
全面解析直接甲醇燃料电池
今天小编要来为大家全面讲解下直接甲醇燃料电池。
直接甲醇燃料电池（DMFC）有很多优点，这使得它未来极有可能成为便携式产品的主流电源。
技术原理
DMFC以碳作为电池的阴极和阳极，而两个电池间则为具有渗透性的薄膜所构成。
其电解质为离子交换膜，薄膜的表面则涂有可以加速反应的触媒。
甲醇溶液透过阳极进入燃料电池，氧气则由阴极进入燃料电池。
经由触媒的作用使得甲醇所含的氢原子裂解成质子与电子，其中质子被氧吸引到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后到达阴极，跟氧形成水。
DMFC的化学反应如下：
阳极反应公式：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e
阴极反应公式：3/2O2+6H++6e→3H2O
全反应公式：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
一个DMFC目前可以产生300-500毫瓦特每平方厘米。
增加电池的面积以及电池数量可以提供足够的车辆以及固定应用所需要的任何瓦特以至千瓦。
DMFC的操作温度范围则在合适的室温到80℃左右。
其效率大约是40%左右。
DMFC储存方便且成本低，启动速度亦很快。
DMFC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。
优点
DMFC直接使用甲醇为燃料，不需燃料的前期处理程序，这使得DMFC很容易微小化。
更重要的是DMFC通过特定的方法使甲醇和空气化学反应产生。
甲醇燃料电池
谢谢观看
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
甲醇燃料电池
甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种利用甲醇作为燃料的电化学设备，它将甲醇的化学能直接转化为电能。
在甲醇燃料电池中，燃料（甲醇）在阳极被氧化产生电子和正离子，经过电解质膜（通常是质子交换膜）到达阴极，与氧气发生还原反应，生成水和二氧化碳。
熔融碳酸盐指的是用作甲醇燃料电池的电解质的一种类型。
熔融碳酸盐电解质通常是指碳酸盐在高温下熔化形成的液态电解质。
它可以在较高温度下工作，有助于提高甲醇的传导性能，提高甲醇燃料电池的效率。
综合两个半反应方程式，得到甲醇燃料电池的完整反应方程式：
这个方程式描述了甲醇在阳极被氧化产生二氧化碳和水，同时产生电子和正离子，经过电解质膜到达阴极，与氧气发生还原反应生成水。
DME名词解释
DME名词解释
DME，全称为Direct Methanol Fuel Cell，即直接甲醇燃料电池。
它是一种能够将甲醇和氧气直接转化为电能的环保型燃料电池。
DME的工作原理是通过将甲醇和氧气注入反应堆中，经过一系列化学反应后，产生电子、水和二氧化碳。
其中，甲醇在阳极处被氧化成为CO2和H+离子，并释放出电子；而在阴极处，氧气与H+离子结合生成水，并释放出电子。
这些电子在外部电路中流动形成电流，从而产生能量。
相比于传统的燃料电池技术，DME具有以下优点：首先是资源丰富，可以利用大量的甲醇作为燃料；其次是高效率、低排放、无噪音、可靠性高等特点；再次是不需要高纯度的燃料和复杂的处理系统，使得其生产成本较低；最后是DME还可以与其他能源技术相结合使用。
然而，DME也存在一些挑战。
首先是其输出功率较低，在实际应用中需要进行组串或并联以提高功率输出；其次是甲醇的储存、输送和加注等问题仍需要解决；再次是DME的生产成本较高，需要进一步降低成本以实现商业化应用。
总之，DME作为一种新型环保型燃料电池技术，具有广阔的应用前景和发展空间。
2023年直接甲醇型燃料电池行业市场发展现状
2023年直接甲醇型燃料电池行业市场发展现状直接甲醇型燃料电池（DMFC）是指将甲醇直接作为燃料进行氧化反应产生电能的一种燃料电池。
DMFC 具有体积小、重量轻、使用方便等优点，被广泛应用于便携式电子产品、汽车等领域。
本文将介绍 DMFC 行业市场发展现状。
一、DMFC 市场规模根据市场研究机构的预测，到 2025 年全球 DMFC 市场规模将超过 64 亿美元。
DMFC 技术目前主要应用于便携式电子产品，如手机、笔记本电脑等。
其中，手机是DMFC 技术的主要应用领域，其市场占比超过 90%。
未来，随着新能源汽车的推广和普及，DMFC 技术也将得到更广泛的应用。
二、DMFC 技术瓶颈DMFC 技术的主要瓶颈是功率密度和稳定性。
由于 DMFC 使用的是液态燃料，其功率密度较低，需要使用较大的电极面积才能获得足够的电能输出。
此外，由于甲醇反应产生的 CO2 可能会堵塞电极，导致电极的稳定性下降，因此需要采取相应的措施来解决这一问题。
三、DMFC 技术发展趋势1. 提高功率密度和稳定性为了提高 DMFC 技术的功率密度和稳定性，研究人员正在努力改进电极结构和催化剂材料，以减小电极尺寸、增大电极的表面积，并提高催化剂的活性和选择性，从而提高 DMFC 技术能够输出的电能。
2. 推广应用领域除了便携式电子产品，未来DMFC 技术也将得到更广泛的应用。
在新能源汽车领域，DMFC 技术受到了越来越多的关注。
DMFC 技术具有能量密度高、使用方便、不污染等优点，未来有望在轻型车、轻型卡车和商用车等领域得到广泛的应用。
四、DMFC 市场竞争格局目前，全球 DMFC 行业的市场竞争格局比较分散，主要由来自美国、日本、韩国、德国、英国和中国等国家和地区的企业构成。
其中，通用电气、可乐能源、索尼等企业在 DMFC 技术上的研发和应用方面处于领先地位。
此外，新兴的企业也在 DMFC 技术上投入了大量的研发资金和人力，目前正在积极拓展市场。
2024年直接甲醇燃料电池市场规模分析
2024年直接甲醇燃料电池市场规模分析直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种基于低温燃料电池技术的电力发生设备。
它以直接将甲醇燃料转化为电能的方式工作，相较于传统内燃机，DMFC具备高效、清洁、可再生等优势。
本文将对直接甲醇燃料电池市场规模进行分析。
1. 市场概述随着对可再生能源需求的日益增长，以及环境污染问题的加剧，直接甲醇燃料电池市场呈现出快速增长的趋势。
DMFC可以广泛应用于小型电子设备、移动通信设备、汽车等领域，其具备高能量密度、无污染排放、低噪音等特点，因而得到了广泛的关注。
2. 市场驱动因素直接甲醇燃料电池市场的快速发展受到了以下几个因素的推动：2.1 可再生能源需求增长随着全球对可再生能源的需求增长，DMFC作为一种可再生能源转换设备，成为了替代传统能源的重要选择之一。
2.2 环境意识提升环境污染问题的不断加剧，使得人们对清洁能源的需求日益增长。
直接甲醇燃料电池作为一种低污染、高效能源转换技术，受到了环保意识的推动。
2.3 政府政策支持各国政府纷纷出台了支持可再生能源发展的政策，包括直接甲醇燃料电池领域。
政策的支持为直接甲醇燃料电池市场提供了良好的发展环境。
3. 市场规模分析3.1 市场规模及增长趋势目前，直接甲醇燃料电池市场规模较小，但呈现出快速增长的态势。
据市场研究机构统计，2019年全球直接甲醇燃料电池市场规模为X亿元，预计到2025年将达到Y亿元，年复合增长率为Z%。
3.2 市场应用领域直接甲醇燃料电池广泛应用于以下领域：•小型电子设备：如便携式充电器、手持终端设备等。
•移动通信设备：如智能手机、平板电脑等。
•汽车领域：包括个人轿车、公共交通工具等。
3.3 市场竞争格局目前，直接甲醇燃料电池市场竞争较为激烈，主要的竞争企业包括A公司、B公司、C公司等。
这些企业在技术研发、产品质量、市场拓展等方面展开激烈的竞争。
4. 市场发展前景直接甲醇燃料电池市场在未来具有较好的发展前景。
随着科技创新和市场需求的不断提升，DMFC的技术和性能将继续改善。
直接甲醇燃料电池质子交换膜
直接甲醇燃料电池质子交换膜大家好！今天咱们来聊聊一个跟咱们日常生活息息相关的话题——甲醇燃料电池，尤其是它的核心部分——质子交换膜。
嗯，听起来好像挺高大上的样子，但其实并没有你想象的那么复杂。
别着急，咱们一步步来。
你知道吗？如果咱们的汽车或者电动工具能用上这种燃料电池，那简直就是给地球减负呢，既环保又省心！好啦，别急，我给你们讲讲这背后的故事。
先说甲醇燃料电池吧。
这个名字听起来是不是有点像科幻片里的东西？它的工作原理一点也不神秘。
简单来说，甲醇燃料电池通过甲醇跟水反应来产生电能。
想象一下，你家里的电池不仅能提供电力，而且几乎没有污染，厉害吧？这不光能用在车上，手机、笔记本、甚至一些家用电器都能借助这种技术来提高续航。
而咱们今天要重点聊的，就是其中一个小小的但超级重要的部分——质子交换膜。
那质子交换膜到底是啥呢？其实就是电池中的“大功臣”。
它的工作是把电池两边的氢离子（其实就是质子）分开，让它们能顺利地穿过膜，同时还能隔离电子的“跑偏”。
这么一听，是不是有点像是给电池装了一个隐形的“保镖”？没错，就是这么神奇。
它保证了反应过程既高效又稳定，最终才有了咱们需要的电流。
就像是你吃饭时，不会随便把蔬菜和肉混在一起一样，这膜就是把该分开的东西分开，避免搞混。
别小看这个膜，虽然它看起来不起眼，但它可是整个电池系统中最关键的部分。
而且你知道吗，质子交换膜的工作环境可不简单。
它得在高温、高湿，甚至一些非常严苛的条件下运行。
想象一下，你的手机电池如果在这样的环境下工作，恐怕早就“罢工”了。
但是甲醇燃料电池的膜就像个“百毒不侵”的超级英雄，能在各种极限条件下都保持稳定。
多强大！所以，研发这种膜的材料，背后可是有大把大把的脑力和努力。
说到这里，咱们就得聊聊膜的材料了。
别看它这么“强大”，实际上它的组成材料可谓是五花八门。
从最早的离子交换树脂，到如今的一些新型的膜材料，都经历了不少的“升级”。
就像是咱们生活中的手机一样，从最初的大砖块到现在的薄而轻巧，科技进步的速度真是让人眼花缭乱。
2024年直接甲醇燃料电池市场前景分析
直接甲醇燃料电池市场前景分析引言直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种以甲醇作为燃料、通过化学反应直接将甲醇转化为电能的设备。
相比传统燃料电池，DMFC具有体积小、重量轻、启动快、维护简单等优点，因此受到了广泛关注。
本文将对直接甲醇燃料电池市场的前景进行分析。
市场规模和趋势据市场调研数据显示，直接甲醇燃料电池市场正呈现快速增长的趋势。
预计到2025年，全球直接甲醇燃料电池市场规模将达到XX亿美元。
这主要得益于DMFC 技术的不断成熟和应用领域的扩大。
应用领域1. 便携式设备直接甲醇燃料电池在便携式设备领域有广泛的应用前景。
由于DMFC具有高能量密度、快速启动和长续航等优点，被广泛应用于移动电话、笔记本电脑和无人机等便携式设备，为这些设备提供持久的电力支持。
2. 交通运输直接甲醇燃料电池在交通运输领域也有很大的潜力。
DMFC可以作为汽车和船舶的动力源，提供零排放、高效能的驱动系统。
近年来，许多汽车和船舶制造商已经开始研发和应用DMFC技术，以满足对环保和节能要求的增长。
3. 独立电力系统直接甲醇燃料电池还可以应用于独立电力系统中，如远程地区的电力供应、移动发电设备等。
由于DMFC具有排放低、噪音小、维护简单等特点，因此在一些偏远地区和交通不便的地方具有广泛的应用前景。
优势和挑战优势•高能量密度：DMFC相比其他燃料电池具有更高的能量密度，使其在便携式设备等领域具有竞争优势。
•快速启动：DMFC可以在短时间内启动并输出电能，满足用户对电力供应的即时需求。
•简单维护：由于DMFC无须使用传统燃料电池中复杂的氢气储存和供应系统，维护更加简单方便。
挑战•成本高：目前直接甲醇燃料电池的制造成本较高，限制了其在大规模应用中的竞争力。
•资源限制：甲醇作为燃料需要在生产和储存过程中消耗大量的化石能源，面临资源限制和环境问题。
•市场竞争：与其他燃料电池技术和新兴能源技术相比，直接甲醇燃料电池面临激烈的市场竞争。
发展趋势1. 技术改进随着对DMFC技术的不断研究和改进，其性能将进一步提高，成本逐渐下降，有望在更广泛的领域得到应用。
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。
直接醇类燃料电池
直接醇类燃料电池5．1 概述在20世纪90年代，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在关键材料与电池组方面取得了突破性的进展。
但在向商业化迈进的过程中，氢源问题异常突出，氢供应设施建设投资巨大，氢的贮存与运输技术以及氢的现场制备技术等还远落后于PEMFC的发展，氢源问题成为阻碍PEM-FC广泛应用与商业化的重要原因之一。
因此在20世纪末，以醇类直接为燃料的燃料电池，尤其是直接甲醇燃料电池(direct methanol fuelcell，DMFC)成为研究与开发的热点，并取得了长足的进展。
甲醇可由水煤气或天然气合成，是重要的化工原料和燃料，它的主要物化性质如表5—1所示。
成6个电子转移的过程中，会生成众多稳定的或不稳定的中间物；有的中间物会成为电催化剂的毒物，导致电催化剂中毒，严重降低电催化剂的电催化活性。
因此在DMFC开发过程中CH3OH直接氧化电催化剂的研究开发、反应机理等研究至今仍是研究的热点[1]，它的进展直接关系到DMFC的发展。
由CHaOH阳极电化学氧化方程可知，每消耗1mol的甲醇，同时也需1 mol的水参与反应。
依据甲醇与水的阳极进料方式不同，DMFC可区分为两类。
(1)以气态CH30H和水蒸气为燃料由于水的气化温度在常压下为100℃，所以这种DMFC工作温度一定要高于100℃。
由于至今实用的质子交换膜(如Nafion膜)传导H+均需有液态水存在，所以在电池工作温度超过100℃时反应气工作压力要高于大气压，这样不但导致电池系统的复杂化，而且当以空气为氧化剂时，增加空压机的功耗，降低电池系统的能量转化效率。
至今由于可在150～200℃下稳定工作，并且无需液态水即能传导H+的质子交换膜尚在研究、探索中，所以采用这种以气态CH30H和水蒸气进料的DMFC研究工作相对较少。
(2)DMFC采用不同浓度的甲醇水溶液为燃料采用这种方式运行的DMFC，在室温及100℃之间可以采用常压进料系统，当电池工作温度高于100℃时，为防止水气化蒸发导致膜失水，也必须采用加压系统。
燃料电池设计讲座(3)直接甲醇燃料电池(DMFC)的原理
直接甲醇燃料電池（DMFC）介紹直接甲醇燃料電池是數種燃料電池中的一種，是以質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）為基礎而發展的燃料電池。
於1990年後PEMFC在關鍵材料的研發有了突破性發展，DMFC效能也隨之上揚，直接甲醇燃料電池顧名思義是一種直接以甲醇為燃料（沒有經過重組器轉換）的燃料電池。
由於2000年代以後攜帶式電子產品（如手機、PDA、筆記型電腦等）的需求逐年增加，其功能性與使用率都大幅提高，相對而言，電子產品本身的耗電功率也增加許多。
而直接甲醇燃料電池所提供的高功率密度與電力的續航力，與甲醇燃料於常溫常壓下易於儲存與運送的特性，可因應未來攜帶式電子產品高功率的需求。
DMFC反應原理與反應化學式燃料電池是一種將化學能轉換成電能的裝置，而DMFC是將甲醇燃料的化學能轉換成電能使用，主要的工作原理如圖1.1所示；甲醇與水混合成甲醇水溶液由陽極端入口進入至陽極的觸媒層進行陽極的氧化半反應，陽極的半反應一個甲醇分子會發生6電子和6個氫離子電荷轉移過程，電子會藉由外部的電子導線傳導至陰極，而氫離子會藉由中間的高分子聚電解質薄膜傳導至陰極，由陽極傳導至陰極的電子與氫離子會與空氣中的氧在陰極觸媒層中發生陰極的還原半反產生水還有熱，其陽極半反應式與陰極半反應式如1-1與1-2式所示，總反應式1-3，其總反應電位為1.183V。
陽極半反應：CH3OH + H2O →CO2 + 6H+ + 6e- Ea0=-0.046 vs.SHE （1-1）陰極半反應：6H+ + 3/2 O2 + 6e- →3H2O Ec0=1.229 vs.SHE （1-2）總 反 應：CH3OH + 3/2 O2 →CO2 + 2H2O Ecell0=1.183V （1-3）圖1.1直接甲醇燃料電池工作原理示意圖由陽極的氧化的半反應方程式可知，每消耗１莫耳（mol）的甲醇，同時也需要１莫耳（mol）的水參與反應，故陽極端的燃料必須將甲醇與純水混合而成的甲醇水溶液，因反應的需要會將甲醇水溶液調配成不同濃度使用。
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
LOGO
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。
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。
(2)、碱性条件下电极反应与电池总反应方程式为：阳极： CH3OH + 6OH-→ CO2+ 5H2O + 6e-阴极： 3/2 O2 + 6H2O + 6e- → 6OH-总反应：CH3OH + 3/2 O2→CO2 + 2H2ODMFC 的期望工作温度为120 ℃以下。
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K. Kanamura, Prof. Tokyo Metropolitan University,
@ Small Fuel Cell 2003
Value proposition for a fuel cell powered device: Wh
Energy density, operating time, instant re-fuel Example: remote laptop power consumption
Would you productivity increase by having one of those? How much would you like to pay for it? Is carrying a cartridge okay?
Samsung - SAIT
2003 2004 2004
Mark hampden-Smith, Superior MicroPowders @ Small Fuel Cells 2003
Methanol fuel cell
Power Range and Operating Temperatures Range of Fuel Cells Power Range
DMFC for notebook PC (2)
Output: 13W (20 W peak), 15 V, 10 hr operation Weight: 1200 g (with fuel cartridge) Size: 27 x 7 x 5.5 cm Fuel: 100 ml MeOH
東芝新款燃料電池手機僅厚17mm(2008)
Toshiba
Prototype passive DMFC (wearable thumb size power source)
Output: 100mW, 20 hrs MP3 Weight: 8.5 g (with fuel cartridge) Size: 2.2 x 5.6 x 0.45 cm Fuel: 2 ml 99.5 % MeOH
Stack Layout Power
Planar Stack
mW
手機, PDA
W
KW
MW
不斷電系統 熱電共生系統 交通工具 分散式發電
Applications
數位相機, 筆記型電腦 小型交通工具, 可攜式電源
Market Survey
G. Grawley, “Fuel Cell Today Market Survey: Portable Applications”, from
http://big5.nikkeibp.co.jp/china/news/edit/mobi200802190125.html
東芝在Mobile World Congress 2008的會場上﹐展出了內置燃料電池的折疊式 手機。這是一款以KDDI(au)的手機「W55T」為原型、嵌入了超薄燃料電池 的手機試製品﹐此次在MWC上的展示是首次亮相。 折疊時的厚度為 17.5mm﹐相對於W55T的9.9mm來說加厚7.6mm左右即可。「終於實現了如 此薄的厚度。這一厚度十分接近現行的普通手機」(東芝)。 燃料電池的燃料採用甲醇。是向燃料極供應直接甲醇的直接甲醇(Direct Methanol)方式。試製品中設有燃料表﹐可通過目測確認燃料餘料。至於能夠 容納多少燃料﹐尚未公佈。 不過﹐「填充一次燃料﹐可確保約為普通手機2 倍的驅動時間」。試製品的重量方面﹐填充完燃料後為150g～160g左右。
400 300 200 100 0 0
NiNi-Cd MH Lead acid Li ion Plastic Li ion
Li metal (unsafe)
ENERGY DENSITY (Wh/liter)
1000 800 600 400
50
100Leabharlann 150200250
ENERGY DENSITY (Wh/kg)
1W 10 W 100 W 1 kW 10 kW 100 kW 1 MW 10 MW
DMFC
PEMFC
AFC PAFC MCFC SOFC
Operating Temperature
AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC
SOFC 1000 oC
100 200
500
Applications and Stack Layout
Fuel Cell and Its Polarization Curve
1.4 1.2
Voltage, Cell Loss, V V Voltage
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 0.5
Cell
A V
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Current, A A Current,
疊堆式電池組 – 燃料流程
3M
24W (2x12W), 10 hr
hybrid with 20 W NiCd
平面式設計 - 1
Motolora Inc. (2000), US Patent 6,127,058
燃料
電子連接器
空氣
陽極 薄膜 陰極
J. Power Sources, 93 (2001) 25
Slope concentration of fuel and kind of fuel
1000
batteries
Intercept fuel cell volume
Cell volume /cm3
800 600 400 200 0 0 50
FC1 FC2
100
150
200
250
300
Energy / Wh
Stack size: 180 cc Stack power: 25 W Fuel: 0.02 slm, 1M MeOH Air: 2 slm air Temp: 35 C Capacity: 100Wh
2005
MTI
Military Fuel Cell prototype powerpack in military battery (BA5590) form factor powering Harris Corp’s Falcon II Tactical Radio.
Load 6e
-
CO2
6e
-
6H+ 6H CH3OH + H2O
+
A AMEA MEAcontains: contains: Cathode Cathode ••cathode cathodedifusion difusionlayer layer ••cathode cathodecatalyst catalystlayer layer Anode Anode ••anode anodediffusion diffusionlayer layer 3/2 O2 ••anode anodecatalyst catalystlayer layer Air in Proton exchange membrane Proton exchange membrane 3 H2O
Industrial Mobion power pack integrated into Intermec Technologies’ portable Radio Frequency Identification (RFID) reader with methanol fuel refill cartridge. Debuted November 2004 Cartridge: 100% MeOH Power out: 1W Energy: 35 Wh (present battery is 8 Wh)
Small size active type (1W) for cell phone
Output: 1W, 20 hrs (25 cc fuel), equal to 6 LIB (3.7V, 600 mAh) Weight: 130 g (with fuel cartridge) Size: 10 x 6 x 3 cm (140 cc) Cartridge size: 3 x 6 x 2 cm Fuel: concentrated MeOH
Cathode
Electrode potential
Membrane (electrolyte)
Critical issues: needs 2W/3790 mAh for 4 G mobile phone MP3/game/VCD/cellphone/Bell function for 4G 2000 mAh, 300 Wh/L more is fuel cell competing edge (15 - 17M MeOH)
Laptop battery Small Large Weight, g Output voltage, V mAh Wh Wh/kg
200 275
14.8 14.8
1400 2600
20.7 38.5
103.6 140
Li-ion battery
275 g 255 g
275 g
275 g
825 g 315 g
Anode Membrane Cathode MEA Direct Methanol Fuel Cell
Energy Density of Fuel cell
Value proposition for a fuel cell powered device: WH
500
ENERGY DENSITY (WH/liter)
電池組結構的分類
平面式 (Planar)
疊堆式 (Stack)
由於攜帶式電子產品的特色為輕薄小，因此電池組設計亦朝 輕薄小方面著手。 攜帶式電子產品所用的疊堆式電池組有異於大型電廠的疊堆 式電池組。