直接甲醇燃料电池中的膜性能比较
直接甲醇燃料电池工作原理
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。
甲醇燃料电池的制备以及应用
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。
含杂萘联苯结构聚合物膜的直接甲醇燃料电池性能
１７ ８
【 ｔ ｌ】 Ａｒｉ ｅ ｃ
ｗｗｗ． 苯 结构 聚 合 物膜 的直接 甲醇燃 料 电池性 能
邓 会 宁 王 宇新
３０７） ００ ２
（ 津 大学 化工 学 院， 天 化学 工 程 研 究 所 ， 天津
摘要： 质子交换膜是直接甲醇燃料电池（ ＭＦ ） Ｄ Ｃ 的关键组成部分． 通过磺化制备 了磺化杂萘联苯聚醚酮（Ｐ Ｅ 、 Ｓ Ｐ Ｋ）
ｏ ｅ ｉｃ ｉ ｖ ｌ ｇ ａ ａ ｓ ｇ Ｎａ ｏ ｍｂ ａ ｅ ａ ｌｃ ｒ ｌ ｔ ． ｗｅ ｅ ， ｅ ＤＭＦ ｐ ｒｏ ａ ｃ ｆｔ ｅ ｅ ｎ ｗ ｐ ｎ ｃ ｒ ｕ ｔ ｏ ｔ ｅ ｔ ｎ ｔ ｔ ｉ ｆ ｎ ｍｅ ｒ ｎ ｓｅｅ ｔｏｙ ｅ Ｈｏ ｖ ｒ ｔ ａ ｈ ｈ ｕ ｎ ｉ ｈ Ｃ ｅ ｒ ｎ ｅ ｏ ｓ ｅ ｆ ｍ ｈ ｍｅ ｒ ｅ ｓｌｗｅ ａ ａ ｆ ｆ ｎｍｅ ｒ ｅａ ｉ ｈ ｃ ｒｅ ｔ ｅ ｓｔ ． ｍｂ ａ ｓｗａ ｎ ｏ ｒ ｎ ｔ ｔ ｉ ｍｂ ａ ｔ ｇ ｕ ｒ ｎ ｎ ｉ ｈ ｔ ｈ ｏ Ｎａ ｏ ｎ ｈ ｄ ｙ
Ｔ ｅｔ ｅ ｎ ｌ ｅ ｒｄ ｔ ｎｔｍｐ ｒｔｒ ｆｓ ｌ ｎ ｔｄｐ ｌ（ ｈ ａａｉｏ ｅｅ ｅ ｕｆｎ ｅｏ ）（Ｐ ＥＳ ｈ ｒ ａ ｇ ａ ａ ｏ ｈ ｄ ｉ ｅ ｅａｕｅｏ ｆ ａｅ ｏｙｐ ｔ ｌｚｎ ｎ ｔ ｒ ｌｏ ｅｋ ｔｎ Ｓ Ｐ Ｋ、ｍｅ ｒｎ ｓ ｕｏ ｈ ｈ ｓ ｍｂ ａ ｅｗａ
维普资讯
物 理化 学学 报（ ｌＨｕｘ ｅ ｅ ａ ） Ｗｕｉ ａ ｕ ｂ ｏ Ｘｕ
Ｆｅ ｒ ａ ｙ ｂｕｒ
ＡｃａＰｈ ｓ 一 ｈ ｍ． ｉ．２ ０ ， ３ ２ ： ８ — ９ ｔ ｙ ． Ｃ ｉ Ｓｎ ， ０ ７ ２ （ ） １ ７ １ １
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。
(已读)Nafion膜厚度对直接甲醇燃料电池性能的影响_刘建国
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
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。
直接甲醇燃料电池中的膜性能比较
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直接甲醇燃料电池用质子交换膜的研究进展
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为电解质 传 导 质 子 ， 是 一种 选 择 透 过 性 的 聚 合 物 它 膜 ， 电池 中强 酸 、 碱 、 化 性 等苛 刻 环 境下 工 作 。 在 强 氧
（） ４ 膜对 氧化 、 还原 和水 解 具有稳 定性 ， 在活性 它
质 子交换 膜 的好 坏不 仅 直接影 响 电池 的性 能 ， 而且对 降低 电池成本 、 减小 电池 内阻 以及 提高能 量转换 效 率
研 究 进 展
阎新 宝 杨 玉 国
（ 北京交 通 大学 理学 院 ， 京 １０４ ） 北 ００ ４
摘要 综述了质子交换膜在直接 甲醇燃料 电池 中的作用 和要求 ， 目前 质子 交换膜 的研究 进展 ， 点介绍 了适用 于直 重
接 甲醇 燃 料 电 池 用 质 子 交换 膜 的 各 种 材 料 的改 性方 法 。按 照 物 理 和化 学 两 种 方 法 对 几 类 质 子 交 换 膜 材 料 进 行 改 性 。 同 时 对 比了 改性 前 和 改 性后 各 种 聚合 物 膜 的物 性 特 点 。
（ ｃｏｌ ｆ ｃ ｎｅ，ｅ ｉ ａｔ ｇＵ ｉ ｒｔ Ｂ ｉｎ ０４ ） Ｓｈｏ ｏ ｓｉ ｃ Ｂ ｉｎ Ｊ ｏ ｎ ｎ ｅｓｙ， ｅ ｉ １ ０ ４ ｅ ｊｇｉ ｏ ｖ ｉ ｊｇ ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｌ ｅ ｆ ｎ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｕ ｓ ｆｐ ｏｏ ｘ ｈ ｎ ｅ ｍｅ ｒ ｎ ｎ ＤＭ ＦＣ ｗｅ ｅｒ ｖｅ ｄ．Ｔｈ ｅ ｅ ｔｐ ｏ ｒｓ ｎ ｓｒ ｃ ＇ ｕ ｃｉ ｎ ｈｅｒｑ ｅ ｔｏ ｒ ｔｎ ｅ ｃ ａ ｇ ｍｂ ａ ｅｉ ｈ ｏ ｒ ｅ ｉｗｅ ｅｒｃ ｎ ｒｇｅ ｓｉ ｒｓ ａｃ ｆｐｏｏ ｘ ｈ ｎ ｅ ｍｅ ｒｎ ｓ ｄｓ ｕ ｓ ｄ．Ｔｈ ｔ ｏ ｓ ｔ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｍａｅ ｉｌ ｆｐ ｏｏ ｘ ｈ ｎ ｅ ｍｅ ｒｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｒ ｔｎ ｅ ｃ ａ ｇ ｍ ａ ｅ ｗａ ｉｃ ｓｅ ｂ ｅｍｅｈ ｄ ｏ ｉ ｒｖ ｈ ｔｒ ｓｏ ｒｔｎ ｅ ｃ ａ ｇ ｍｂ ｅ ａ ａ
磺化皂土改性直接甲醇燃料电池用Nafion膜_田哲
质子电导率（ σ） 采用两电极体系、交流阻抗法测得，测
试频率为 10 Hz ～ 100 kHz，交流信号正弦波振幅为 20 mV，扰
动电压为 200 mV。σ 按式（ 3） 计算：
摘要： 以磺化皂土和正硅酸乙酯( TEOS) 为掺杂物，采用溶胶-凝胶法掺杂改性 Nafion 212 膜，并制成膜电极组件( MEA) 。 通过计时电流、交流阻抗等测试，研究了 Nafion 212 膜改性前后的甲醇渗透系数、质子电导率及电池功率密度等。改性后 的 Nafion 212 膜，甲醇渗透系数比改性前降低了 86% ，质子导电率达到 69. 6 mS / cm; 单体电池性能和甲醇渗透电流测试发 现: 改性膜制备的 MEA 的甲醇渗透电流密度在 30 ℃ 和 55 ℃ 时分别比改性前降低 67. 7 mA / cm2 和 61. 5 mA / cm2 。 关键词： 质子交换膜; 甲醇渗透; 质子电导率; 直接甲醇燃料电池( DMFC) 中图分类号： TM911. 42 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 1579（ 2013） 03 － 0123 － 04
Sulfonated bentonite modified Nafion membrane for direct methanol fuel cell
TIAN Zhe1 ，LIU Gui-cheng1，2 ，WANG Meng1 ，WANG Xin-dong1，2
（ 1. Department of Physical Chemistry，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China； 2. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）
直接甲醇燃料电池质子交换膜改性研究
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
【相关文献】
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
2.咪唑接枝交联型磺化聚醚醚酮质子交换膜的制备及在直接甲醇燃料电池中的应用[J], 朱星烨;钱汇东;蒋晶晶;乐舟莹;徐建峰;邹志青;杨辉
3.侧链型磺化聚芳醚酮/磺化聚乙烯醇复合型直接甲醇燃料电池用质子交换膜 [J],
程海龙;徐晶美;王哲;任春丽;白洪伟;赵成吉;张会轩
4.直接甲醇燃料电池用双重交联结构聚苯醚基质子交换膜的制备及性能 [J], 连文玉; 傅荣强; 王伟; 张晓丽; 李晓玉; 刘兆明
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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直接甲醇燃料电池用质子交换膜研究进展
摘 要 对 直接 甲醇 燃料 电池 用 质 子 交 换 膜 的 研 究 现 状 进 行 了概 述 。详 细 介 绍 了全 氟 磺 酸
型 Ｎ ｔｎ 的结 构 、 性 ， 论 了为 解 决 Ｎ ｔｎ膜 的 透 醇 问 题 所作 的 改 进 。综 述 了非 氟 化 的 质 子 交 ａｏ 膜 ｉ 特 讨 ａｏ ｉ
已经开 发 的固 体 聚合 物 电 解 质膜 （ Ｅ 有 ｌ Ｐ Ｍ） ０多 种 ， 全氟 磺 酸 膜 ， 射 接 枝 膜 ， 分 氟 化 物 （ 如 辐 部 如 Ｂ Ｍ３ ）氟 离子交 联 聚 合物 （ Ｏ Ｅ 及 磷 酸 基 聚 Ａ Ｇ、 ＧＲ） 合物 膜等 。但 在 Ｐ ＭＦ Ｅ Ｃ中获得 较大 成功 的 Ｎ ｔｎ ａｏ ｉ
膜， 于 Ｄ Ｆ 用 Ｍ Ｃ时 ， 无法有效 的阻挡 甲醇 向阴极 的
高效发 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 ， 以是一种 高效 、 洁 的新 所 清
型能源 。燃 料 电 池 大体 可 分 为五类 ， 中质 子交 其 换 膜 燃 料 电 池 由 于 其 独 特 优 点 受 到 人 们 的重 视 ］ １ 。直 接 甲 醇 燃 料 电 池 （ ｉ ｃ Ｍｅ ａｏ Ｆ ｅ Ｄｒ ｔ ｔ ｎｌ ｕｌ ｅ ｈ Ｃ ｌ Ｄ Ｃ 是直 接采用 液态 甲醇水溶 液作燃 料 的 ｅ ， ＭＦ ） ｌ
１ Ｄ Ｃ质子 交换 膜 的研究现状 ＭＦ
是 对全氟磺 酸 型质 子 交 换 膜进 行 改 性 ； 二是 开
Hale Waihona Puke 发新 材料 的质子交换 膜 。 １ １ 全氟磺 酸型质 子交换 膜 ．
该类材 料 的代 表 产 品 是 美 国 Ｄ Ｐｎ 公 司 的 ｕ ｏｔ
Ｎｔｎ 【 ａｏ 膜 和 Ｄ ｗ公 司 的 Ｄ ｗ膜 ｊＮ ｔ ｎ膜 和 ｉ ｏ ｏ ７， ａ ｏ ｉ
直接甲醇燃料电池质子交换膜1
The structure of Nafion membranes
Dow : z=0; Nafion :z=1 全氟磺酸膜的化学结构 图1 全氟磺酸膜的化学结构 Fig. 1 Chemical structure of perfluorosulfonic acid Nafion membranes
• 另外，氟原子强烈的吸电子作用增加全氟聚乙烯 另外， 磺酸的酸性，在水中完全解离， 磺酸的酸性，在水中完全解离，其酸性与硫酸相 进而增强PEM 的离子电导。Nafion膜中 + 的离子电导。 膜中H 当，进而增强 膜中 也可以是其它平衡离子(Cs+,Li+,Na+)等。 也可以是其它平衡离子 等 • 最常用的 最常用的Nafion112、Nafion115和Nafion117等 、 和 等 外观为无色透明薄膜， 外观为无色透明薄膜，平均分子量大概为 105~106[3,4]。由分子结构可看出，Nafion膜是一 由分子结构可看出， 膜是一 种不交联的高分子聚合物， 种不交联的高分子聚合物，在微观上可分成两部 一部分是离子基团群，含有大量的磺酸基团， 分：一部分是离子基团群，含有大量的磺酸基团， 它既能提供游离的质子，又能吸引水分子； 它既能提供游离的质子，又能吸引水分子；另一 部分是憎水骨架，与聚四氟乙烯类似。 部分是憎水骨架，与聚四氟乙烯类似。这种结构 对于它的物理和化学性能有决定性影响[5]。
• 虽然甲醇电化学活性与氢 氧燃料电池比起 虽然甲醇电化学活性与氢/氧燃料电池比起 来相对较低，但它具有结构简单、 来相对较低，但它具有结构简单、燃料补 充方便、体积和质量比能量密度高、 充方便、体积和质量比能量密度高、红外 信号弱等特点。因此， 信号弱等特点。因此，直接甲醇燃料电池 特别适宜于作为各种用途的可移动动力源， 特别适宜于作为各种用途的可移动动力源， 成为20 世纪90 年代以来研究与开发的热点。 成为 世纪 年代以来研究与开发的热点。 是目前各国政府优先发展的高新技术之一。 是目前各国政府优先发展的高新技术之一。 本文对目前已商品化（ 本文对目前已商品化（Nafion）和处于研 ） 究中的新型质子导电膜材料进行评述
直接醇类燃料电池
三种办法
车载的甲醇、汽油或天然气高 温裂解制氢装置来作为氢源
解决 办法
使用储氢材料来储存氢气
用醇类或有机化合物直接作PEMFC 的燃料的DAFC来代替PEMFC
发展概况
DMFC的研究始于20世纪50年代，在1961年美国的爱里 斯· 伽尔穆公司就研制成输出功率为600W的DMFC堆，用 H2O2作氧化剂，电解液为碱性。1965年，荷兰ESSO公司 研制成功132W的DMFC， 空气为氧化剂，硫酸为电解液。 此时，这方面的研究没有受到重视，进展比较缓慢。 直到20世纪90年代，由于PEMFC商业化进程中遇到氢源 的问题，而且DAFC具有结构简单、体积小、比能量高、 维修方便、燃料的储运和使用安全方便等优点，人们才开 始关注它，DAFC可作为便携式电源和电动车电源，预计 将在汽车、小型家用电器、传感器、摄像机、笔记本电脑、 手机以及军事移动性仪器等领域有着巨大应用潜力。
非金属催化剂
在研究过的众多的Pt基复合催化剂中， Pt-Ru/C催化剂是目前研究最为成熟、应用 最为广泛的DMFC的阳极催化剂。 Pt-Ru/C 催化剂对甲醇氧化有很好的电催化活性和 抗毒化的作用。Ru的加入有两个方面的作 用。一方面，Ru的加入会影响着Pt的d电子 状态，从而减弱了Pt和CO之间的相互作用。 另一方面，Ru易与水形成活性含氧物种， 它会促进甲醇解离吸附的中间物种在Pt表 面的氧化，从而提高了Pt对甲醇氧化的电 催化活性和抗中毒性能。
石墨
碳黑
活性炭
分子筛
载体
Nafion膜
纳米碳管
碳纤维
导电高分子
Pt/C催化剂对甲醇氧化的电催化活性
和稳定性都比纯Pt黑好。
首先，这是由于活性炭的加入，增加
直接甲醇燃料电池中甲醇穿透对电池性能的影响
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
【相关文献】
1.甲醇浓度对被动式直接甲醇燃料电池性能的影响 [J], 曾毓群;陈杰;许瑞;赵丰刚;邱祎翎;杜鸿达;李宝华;康飞宇;陈立泉
2.Nafion含量对直接甲醇燃料电池阴极催化剂性能表达的影响 [J], 龙志;邓光荣;刘长鹏;葛君杰;邢巍;马树华
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直接甲醇燃料电池性能衰减分析
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。
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。
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。
燃料电池阴离子膜
燃料电池阴离子交换膜的制备摘要直接甲醇燃料电池( DMFC ) 具有高效、高能量密度、环境友好、燃料储运及补充方便等优点，在手机、笔记本电脑等小型民用电源等方面具有极大的竞争优势，是各国政府优先发展的高新技术之一。
但在目前，DMFC 广泛使用的质子交换膜大多为Nafion 膜，不仅阻醇性能差，而且Pt 催化剂价格昂贵、易中毒，阻碍了DMFC 进一步的应用和发展。
碱性直接醇类阴离子交换膜燃料电池具有诸多优点，如在碱性介质中，醇类燃料的氧化速率和氧还原速率比在酸性介质中大幅提高；有望使用非贵金属催化剂等。
然而，目前为止，碱性阴离子交换膜的研发还处于起步阶段，存在离子电导率低、稳定性差等问题。
本文针对碱性阴离子交换膜在天然产物改性、交联剂的使用、改变官能团结构、引入咪唑环、引入氟原子、有机—无机混合膜等方面做了初步探讨，希望对以后的的研发有所帮助。
关键词：碱性直接甲醇燃料电池；阴离子交换膜目录摘要 (1)引言 (2)1燃料电池简介 ........................................................................................ 错误！未定义书签。
1.1直接甲醇燃料电池.................................................................. 错误！未定义书签。
1.1.1质子交换膜直接甲醇燃料电池 (4)1.1.2阴离子交换膜直接甲醇燃料电池 (5)1.2阴离子交换膜概述 (6)1.2.1阴离子交换膜的导电机理 (6)1.2.2阴离子交换膜的制备 (6)1.2.3 阴离子交换膜在DMFC 应用中所面临的问题 (7)1.2.4 课题研究的意义 (8)2 文献综述 (9)2.1天然产物改性 (9)2.2交联剂的使用 (9)2.3改变官能团结构 (11)2.4引入咪唑环 (12)2.5引入氟原子 (12)2.6有机—无机混合膜 (13)3 结论和展望 (15)4 致谢 (16)参考文献 (17)引言燃料电池(FC)是一种电化学装置，它能够将燃料与氧化剂反应产生的化学能连续不断地转化为电能。
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