微型直接甲醇燃料电池结构设计与分析
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。
直接甲醇燃料电池工作原理及特点
直接甲醇燃料电池工作原理及特点
1. 简介
甲醇燃料电池是一种化学电源，将甲醇及氧气作为燃料，通过化学反应产生电能。
甲醇燃料电池具有高效、环保、可再生等特点，被广泛应用于电动汽车、移动电源以及微型电力设备等领域。
2. 工作原理
甲醇燃料电池的工作原理是将甲醇、水和氧气作为燃料在阳极和阴极间进行氧化还原反应，从而产生电流。
具体反应式为：2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O
反应中，甲醇在阳极被氧化成二氧化碳和水，同时产生电子，电子经过外部的电路流转到阴极，从而产生电能。
3. 特点
甲醇燃料电池相比于传统电池具有以下特点：
3.1. 高效
甲醇燃料电池的能量转换效率高达50%以上，同时具备高功率密度和高热效率，因此具有极高的能量利用效率。
3.2. 环保
甲醇燃料电池在工作过程中只产生二氧化碳和水，不含有废气、废水等有害物质，是一种非常环保的能源。
3.3. 可再生
甲醇燃料电池的原料——甲醇可以从木材、植物油、废物等中提取，具有可再生性。
同时通过使用废弃物产生的甲醇，可以有效地降低生态环境的污染程度。
3.4. 适用范围广
甲醇燃料电池具有很强的适应性，可以用于移动电源、家庭备用电源、新能源汽车等领域中，因此是未来能源领域的主要发展方向之一。
4. 结论
甲醇燃料电池作为一种高效环保可再生的能源，具有非常广阔的应用前景和发展空间。
随着技术的不断发展和创新，它将成为未来能源领域的主流能源之一。
直接甲醇燃料电池实验报告
研究生专业实验报告实验项目名称：被动式直接甲醇燃料电池学号：姓名：张薇指导教师：陈蓉动力工程学院被动式直接甲醇燃料电池一、实验目的1、了解和掌握被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池（DMFC）的基本工作原理；2、了解和掌握对燃料电池进行性能测试的基本方法；3、了解和掌握燃料电池性能评价方法；4、观察和认识影响燃料电池性能的主要因素。
二、实验意义燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置，具有环境友好、效率高、工作安静可靠等显着优点，被誉为继核能之后新一代的能源装置。
在众多燃料电池种类中，空气自呼吸式直接甲醇燃料电池（DMFC）因具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点，成为便携式设备最有前景的可替代电源，是电化学和能源科学领域的研究热点。
本实验旨在对被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池进行实验研究，使同学们了解和掌握燃料电池测试的基本方法，加深对燃料电池基本工作原理的认识和理解。
三、实验原理燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置。
一个典型的直接甲醇燃料电池的示意图如图1所示。
图1: 直接甲醇燃料电池的典型结构从图1中可以看出，典型的直接甲醇燃料电池包括阳极扩散层、阴极扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层、质子交换膜、集流体等部件。
在被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池中，电池阳极发生的是甲醇的氧化反应：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-，E0=0.046 V （1）电池阴极发生的是氧气的还原反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O，E0=1.229 V （2）总反应式为：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O，△ E=1.183 V （3）在被动式直接甲醇燃料电池阳极，甲醇水溶液扩散通过阳极扩散层到达阳极催化层，甲醇在阳极催化层被氧化，生成二氧化碳、氢离子和电子，如式（1）所示。
氢离子通过质子交换膜迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极；在阴极侧，氧气通过暴露在空气中的阴极扩散层传输至阴极催化层，在电催化剂的作用下，氧气与从阳极迁移过来的质子以及从外电路到达的电子发生还原反应生成水，如式（2）所示。
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
微型直接甲醇燃料电池阴极集流板多孔结构设计
行 了实 验 验 证 。提 出 了 一 种具 有 平 行 沟 道 的 阴 极 集 流 板 多孔 结 构 ， 过 对 阴 极 氧 气 浓 度 、 度 和 电 流 密 度 的模 拟 仿 真 ， 通 速
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｏ ｓ ｌ ｅ ｔ ｏ ｅ ｆｃ ｅ ｙ ｏ ｘｙ ｅ ａ ｓｔ ａ ｐ ｔａ ａ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ｆｓ ｌ— ｒ ａ ｈｉ ｏ ｖ ｈｅ ｌ ｗ ｆｉ ｉｎｃ ｆｏ ｇ ｎ ｍ ｓ ｒ ｎｓ ｏｒ ｎｄ ｗｅ ｋ ｐ ｒ ｏ ｍａ ｅ ｏ ｅｆ ｂ ｅ ｔ ｎｇ ｍｉｒ — ｉｅ ｔｍ ｅ ｈａ ｏ ｕ １ｃ ｌｓ （ ｃ ｏ ｄ ｒ ｃ ｔ ｎ １ｆ ｅ ｅｌ ｕＤＭ ＦＣｓ ），ｔ ｆｅ ｅ ａ ｈ ｄｅ ｃ ｒ ｎ ｏｌｅ ｔ ｒ ｔ ｅ ｆ ａ ｅ ｈｅｄｉｆ ｒ ｎｔｃ ｔ ｏ ｕｒ ｅ ｔｃ ｌ ｃ ｏ ｓ ｗｉｈ ａ ｐ ｒｏｒ ｔ ｄ
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说 明 了提 出 的结 构 可 以有 效 改 善 氧气 传 质 和 提 高 电池 性 能 。 利用 微 精 密 加 工 技 术 实 现 了 有效 面积 为 ８ｍｍ×８ｍｍ 的 自 呼 吸微 型 直 接 甲 醇燃 料 电池 ， 温 下测 试 显 示 ， 甲 醇 溶 液 浓 度 为 １ ｍｏ Ｉ， 速 为 １ ｍｌ ｎ时 ， 大 输 出功 率 达 到 １ 室 当 ｌ 流 ／ ／ ｍｉ 最 １ ｍＷ／ ｍ 为便 携 式 微 能 源 系 统 的 应 用 开 发 奠定 了基 础 。 ｃ ， 关 键 词 ： 型直接甲醇燃料电池； 微 阴极 集 流板 ； 自呼 吸 ； 行 沟 道 平 文献标识码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ０Ｐ ． ０ １ ９ ４ ０ ２ ｏ ：０ ３ ８ ／ Ｅ ２ １ １ ０ ． ８ ０
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。
(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。
甲醇燃料电池的制备以及应用
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AbstractThe direct methanol fuel cell (DMFC) with solid elect relate membrane become the international research focus in recent years due to it s advantages, such as simple sty rupture, anhydrous elect relate and high energy density. The principle of DMFC and the state of art s of it s development are introduced. The percolation of methanol from anode to cathode and the low activity of anode catalyst is the two main problems to be solved. The utilization of novel no fluorinated proton exchange membrane and composite membrane are expected to be the solutions for solving the methanol percolation problem, while the research on anode catalyst is extended to platinum based multi component system for improvement . DMFC are promising in the applications range from portable power sources, such as mobile phone power and kilo watt level in dust rail power source, to elect riveting.Keywords: Preparation of direct methanol fuel cell applications前言燃料电池的特点是能量转化率高，运行噪声小，无污染等。
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。
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（DMFC）是一种将甲醇作为燃料直接转化为电能的设备。
相较于传统的燃料电池，它具有体积小、重量轻、启动快、运行稳定等优点，因此在便携式电子设备、微型动力供应和紧急能源等领域具有广阔的应用前景。
DMFC的基本原理是将甲醇和氧气在催化剂的作用下发生反应，产生水和二氧化碳，同时释放出电子。
这些电子从电极中流出，通过外部电路提供电能。
受到水和二氧化碳的离子化过程影响，离子流动进入负极，与氢气反应，形成液态水，再通过离子交换膜回到正极。
这样，DMFC就能够实现将化学能转化为电能的功能。
与传统的燃料电池相比，DMFC具有以下优点：1.尺寸小巧：DMFC由于使用微型电解槽和催化剂，因此设备体积小巧，适合用于便携式电子设备和微型动力供应。
2.重量轻：DMFC采用了轻量化的结构设计，加上甲醇燃料具有较高的能量密度，因此整体重量相对较轻。
3.启动快速：DMFC不需要繁琐的预热操作，只需加入甲醇燃料即可启动。
相比之下，传统燃料电池需要经过一段时间的预热操作才能正常运行。
4.运行稳定：DMFC在运行过程中，由于甲醇直接转化为电能，不存在氢气泄漏等安全隐患，因此具有较高的运行稳定性。
5.燃料便捷：DMFC使用的燃料为甲醇，这在很多领域都很常见，且易于储存和通过配送供应。
然而，DMFC也存在一些挑战和限制：1.甲醇负载问题：DMFC使用液态甲醇作为燃料，因此需要在设备中存储大量的甲醇。
这对于体积小巧的设备来说是一个挑战，同时也增加了设备的重量。
2.催化剂选择：DMFC的催化剂是关键的组成部分，直接影响燃料电池的性能和稳定性。
选择合适的催化剂对于提高DMFC的效率至关重要。
3.甲醇氧化反应效率：甲醇氧化反应在DMFC中是一个复杂的过程，其反应速率和效率都会受到一系列因素的影响，如催化剂活性、温度、甲醇浓度等。
总的来说，微型直接甲醇燃料电池具有广阔的应用前景，特别是在便携式电子设备和微型动力供应领域。
微型直接甲醇燃料电池知识讲解
4. μDMFC的发展现状
目前μDMFC研究工作正处于从基础研究向产业化过渡的阶段，一些 高科技公司已经推出了代表当今世界最高技术水平的μDMFC样机或产品。 最具有代表性的公司是MTI、索尼和东芝三家公司的产品。
a MTI样机
b 索尼样机
c 东芝样机
图7 μDMFC样机 株式会社エムティーアイ ，英文名简称同样为MTI，在日本有移动梦工厂的美誉。
3、 微型直接甲醇燃料电池的应用前景
随着电子与信息技术飞速发展，各种微小型便携式电子产品如智能 手机、MP3、笔记本电脑、数码影像设备等不断更新新换代，功能日趋 多样化，功耗不断增加，然而目前常用的锂离子电池能量密度已接近理 论极限 ，已经无法满足人们对便携式电源的进一步需要。
微型直接甲醇直接燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell， μDMFC）具有能量密度高，环境友好，室温启动，结构简单，便于携 带以及燃料来源丰富、价格便宜、携带补充便捷等优点，可广泛应用于 微机电系统、微机器人、微电子设备、微型医疗器械、个人移动通讯设 备等，是一种具有广阔市场应用前景的高新技术。
组极板结构．流场结构中沟道宽度、深度以及梁宽 度是设计中最重要的几个参数。
图9μ结构示意图
(1）双极板
双极板（即流场流场板）的主要作用是支撑扩散层、引导 流体和传导电流。它是DMFC关键组件之一，而流场则是流场 板的核心部分。流场的作用有以下几点： 一、保证电极各部分可以获得充足均匀的燃料与氧化剂，保证 电流密度分布均匀，避免局部过热，提高燃料电池的寿命和性 能； 二、保证一定的流场线速度和压降，并利用尾气将生成物排出, 保证燃料电池正常运行； 三、可以提高燃料和氧化剂的利用率； 四、保证流场板的有效利用面积。
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。
微型直接甲醇燃料电池阴极集流板多孔结构设计
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第１ ９卷 第４期 ２ ０ １ １年４月
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光学 精密工程
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） 文章编号 １ ０ ０ ４ ９ ２ ４ Ｘ（ ２ ０ １ １ ０ ４ ０ ８ ２ ０ ０ ８ － － －
微 型 直 接 甲醇燃料 电 池阴极集流板 多 孔 结构 设 计
２ ２ ， 张 鹏１， 张 宇 峰１， 张 博１， 刘 晓 为１，
（ 黑龙 江 哈尔滨 １ １．哈尔滨 工 业 大学 ＭＥＭＳ 中 心 ， ５ ０ ０ ０ １； 黑龙 江 哈尔滨 １ ２．哈尔滨 工 业 大学 微 系统与 微 结构 制造 教育部 重点实验室 ， ５ ０ ０ ０ １）
１ １２ １ １２ ， Ｚ ＨＡＮＧ Ｐ ｅ ｎ Ｚ ＨＡＮＧ Ｙ ｕ ｆ ｅ ｎ Ｚ ＨＡＮＧ Ｂ ｏ Ｌ Ｉ Ｕ Ｘ ｉ ａ ｏ ｅ ｉ － －ｗ ｇ， ｇ ， ， ，
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直接甲醇燃料电池的制备及性能研究
直接甲醇燃料电池的制备及性能研究直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种利用甲醇直接进行电化学反应产生电能的装置。
它具有高能量密度、低温操作和零排放的优势，被广泛应用于移动电源和便携式设备。
本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的制备方法以及对其性能的研究。
一、DMFC的制备方法1. 膜电极组装直接甲醇燃料电池的关键组成部分是膜电极组件（membrane electrode assembly，MEA），它由阳极、阴极和质子交换膜组成。
首先，通过喷涂法或浸渍法在阴极和阳极上分别涂覆铂催化剂，然后将质子交换膜放置在两个电极之间，形成MEA。
2. 电池板组装电池板由多个MEA叠加而成，每个MEA之间夹有集流板，并通过导电材料连接起来。
电池板的制备过程需要考虑MEA的紧密贴合以及电池板的导电性，常用的组装方法包括热压法和喷墨印刷法。
3. 氧化剂供应系统直接甲醇燃料电池需要供应氧化剂作为电极的还原剂。
传统的方法是通过外部供氧，但这种方式会限制DMFC的便携性。
因此，研究人员提出了自供氧系统，如氧气还原剂的制备和固态氧化剂的使用。
二、DMFC的性能研究1. 催化剂的选择和改性催化剂对DMFC的性能至关重要。
铂是常用的催化剂，但其昂贵和稳定性不足成为了限制因素。
因此，研究人员致力于寻找替代催化剂或改性铂催化剂，如镍、钼等过渡金属，以提高催化效率和降低成本。
2. 质子交换膜的改性质子交换膜对DMFC的质子传输和物质穿透起着重要作用。
传统的质子交换膜如聚氟乙烯（PEM）存在着溶剂渗透和耐久性不足的问题。
因此，改性质子交换膜的研究成为了重要的方向，如聚苯醚、聚苯硫醚等材料的引入。
3. 浓度极化与动力学特性DMFC中的某些因素，如甲醇浓度、温度、电流密度等，都会对电池的性能产生影响。
浓度极化是DMFC中的主要性能损失机制之一，其产生原因包括甲醇溶液的扩散限制和甲醇的氧化反应动力学等。
直接甲醇燃料电池实验报告
研究生专业实验报告实验项目名称：被动式直接甲醇燃料电池学号：姓名：张薇指导教师：陈蓉动力工程学院被动式直接甲醇燃料电池一、实验目的1、了解和掌握被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池（DMFC）的基本工作原理；2、了解和掌握对燃料电池进行性能测试的基本方法；3、了解和掌握燃料电池性能评价方法；4、观察和认识影响燃料电池性能的主要因素。
二、实验意义燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置，具有环境友好、效率高、工作安静可靠等显着优点，被誉为继核能之后新一代的能源装置。
在众多燃料电池种类中，空气自呼吸式直接甲醇燃料电池（DMFC）因具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点，成为便携式设备最有前景的可替代电源，是电化学和能源科学领域的研究热点。
本实验旨在对被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池进行实验研究，使同学们了解和掌握燃料电池测试的基本方法，加深对燃料电池基本工作原理的认识和理解。
三、实验原理燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置。
一个典型的直接甲醇燃料电池的示意图如图1所示。
图1: 直接甲醇燃料电池的典型结构从图1中可以看出，典型的直接甲醇燃料电池包括阳极扩散层、阴极扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层、质子交换膜、集流体等部件。
在被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池中，电池阳极发生的是甲醇的氧化反应：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-，E0=0.046 V （1）电池阴极发生的是氧气的还原反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O，E0=1.229 V （2）总反应式为：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O，△ E=1.183 V （3）在被动式直接甲醇燃料电池阳极，甲醇水溶液扩散通过阳极扩散层到达阳极催化层，甲醇在阳极催化层被氧化，生成二氧化碳、氢离子和电子，如式（1）所示。
氢离子通过质子交换膜迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极；在阴极侧，氧气通过暴露在空气中的阴极扩散层传输至阴极催化层，在电催化剂的作用下，氧气与从阳极迁移过来的质子以及从外电路到达的电子发生还原反应生成水，如式（2）所示。
微型直接甲醇燃料电池
保证燃料电池正常运行；
三、可以提高燃料和氧化剂的利用率； 四、保证流场板的有效利用面积。
(2） 质子交换膜
质子交换膜是由多孔性的固态高分子构成的，是一种选择透 过性膜，具有很好的热稳定性、化学稳定性、高机械强度、高质 子传导率。目前质子交换膜多采用全氟磺酸高分子膜，主要功能 传导离子和分隔两侧电极分开，防止燃料和氧化剂直接发生反应。 当孔内含有水分子时，具有离子传导性，因此膜中必须保持适当 的含水量，以避免膜产生局部脱水，从而降低离子传导性。 （3）催化层 催化层介于质子交换膜和扩散层之间，是电化学反应发生的 场所。阳极通常采用铂（Pt）作为催化剂，用来增加甲醇反应的 活性，加入钌（Ru）是为了防止一氧化碳中毒，便于将铂催化 剂氧化甲醇所产生的一氧化碳，再进行氧化成二氧化碳。在阴极 通常只用铂作为催化剂。因为Pt和Ru属于贵重金属，为了减少催 化剂的使用量同时增加反应面积，采用贵金属粉末与碳粉混合， 将其涂布于碳布或质子交换膜上。 （4）扩散层 扩散层为多孔性结构，通常以碳布（carbon cloth）或碳纸 （carbon paper）构成。在该层提供反应物并且以扩散的方式传 质到催化层，其主要功能是提供阳极侧反应时的电子的输出通道。
4. μDMFC的发展现状
目前μDMFC研究工作正处于从基础研究向产业化过渡的阶段，一些 高科技公司已经推出了代表当今世界最高技术水平的μDMFC样机或产品。 最具有代表性的公司是MTI、索尼和东芝三家公司的产品。
a MTI样机
b 索尼样机 图7 μDMFC样机
c 东芝样机
株式会社エムティーアイ ，英文名简称同样为MTI，在日本有移动梦工厂的美誉。
μDMFC的原理及结构
1.原理 直接甲醇燃料电池——简称DMFC（Direct Methanol Fuel Cell）。它 是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省 去了氢的生产与存储。原理如下图所示，电极反应方程式如下：
直接甲醇燃料电池的结构
直接甲醇燃料电池的结构1. 引言直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种能够将甲醇直接转化为电能的化学能转换装置。
相比传统的燃料电池，DMFC具有更高的效率和更低的排放。
本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的结构和工作原理。
2. DMFC的主要组成部分直接甲醇燃料电池主要由以下几个组成部分构成：2.1 阳极（Anode）阳极是DMFC中起到催化剂作用的关键部分，通常采用铂基催化剂。
阳极上的催化剂能够促使甲醇在氧气存在下发生氧化反应，产生二氧化碳和质子。
2.2 阴极（Cathode）阴极是DMFC中起到还原剂作用的部分，通常采用铂基催化剂。
阴极上的催化剂能够促使氧气与质子发生还原反应，产生水。
2.3 质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）质子交换膜是DMFC中起到隔离阳极和阴极的关键部分，它具有良好的质子传导性能。
常用的质子交换膜材料包括聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）和聚苯乙烯磺酸盐（Polystyrene Sulfonic Acid，PSSA）等。
2.4 甲醇供应系统甲醇供应系统主要由甲醇储存罐、甲醇泵和甲醇喷射器组成。
甲醇从储存罐中被泵送至阳极的催化剂层，在催化剂的作用下发生氧化反应。
2.5 冷却系统直接甲醇燃料电池在工作过程中会产生一定的热量，为了保持电池温度稳定，需要通过冷却系统将余热排出。
3. DMFC的工作原理直接甲醇燃料电池的工作原理如下：1.在阳极上，甲醇被催化剂氧化为二氧化碳、质子和电子：CH3OH + H2O →CO2 + 6H+ + 6e-2.质子可以通过质子交换膜传导到阴极，而电子则通过外部电路流动到阴极。
3.在阴极上，氧气和质子发生还原反应生成水：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O4.外部电路中的电子流动产生电能，供应给外部设备使用。
5.DMFC的副产物为二氧化碳和水，无污染物排放。
直接甲醇燃料电池研究与应用
直接甲醇燃料电池研究与应用直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种以甲醇为燃料的燃料电池，其燃烧产生电能。
DMFC与传统的燃料电池相比，具有更为简便的燃料和更低的操作温度等优点，因此备受研究和应用领域的青睐。
一、直接甲醇燃料电池的原理及构造1、原理DMFC是一种基于甲醇氧化还原反应的燃料电池，可以将甲醇中的化学能转化为电能。
其原理与其他燃料电池类似，即燃料在阳极上进行氧化反应，产生电子和正离子，电子通过外部电路到达阴极，正离子经过电解质膜向阴极迁移，与电子在阴极上复合，释放出能量。
甲醇氧化反应的化学方程式为：CH3OH + 3/2O2→ CO2+2H2O2、构造DMFC由阴极、阳极、电解质和催化剂等部分组成。
其中催化剂被用来加速反应，电解质用来分离阳极和阴极，避免直接接触。
DMFC的构造相对简单，结构紧凑，具有体积小、重量轻等优点。
与传统的燃料电池相比，DMFC采用了更为便捷的燃料，节省了储存系统和输送系统的费用和空间。
二、直接甲醇燃料电池的优点1、方便和简单DMFC的燃料甲醇相对于氢气更为便捷和易于存储。
在氦气储氢要求极高的情况下，储存和输送氢气需要耗费更多的费用和能源。
而燃料为甲醇的DMFC，可以直接使用市场上的甲醇作为燃料，无需储藏和输送氢气。
2、低温操作DMFC的操作温度相比传统的燃料电池较低，只需要在常温下进行。
在操作温度低于100℃的条件下，DMFC具有更加高效和经济的能源转化方式。
3、高效转化由于DMFC能直接利用甲醇进行电能转化，其能源转化效率相对传统的燃料电池更高。
燃料的化学能转化为电能的效率达到了40%～50%，是其他能源转化系统所不能比拟的。
三、直接甲醇燃料电池的应用DMFC的应用领域广泛。
在现代化的能源体系建设中，DMFC被广泛运用于便携式电子设备、家庭燃料电池电源等领域。
1、便携电子设备DMFC可以作为一种高效的电源技术运用于便携式电子设备的电源。
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3.1µDMFC的二维、两相、稳态、全电池传质模型 ：
• 扩散层（多孔介质）内两相物质传输 • 流道内两相物质传输 • 质子交换膜内的液相物质传输 • 电子和质子传输 • 电化学反应动力学 • 热量传输
式微通道与圆孔相通并构成“轮辐单元”，之间通过延长通道连接形成双路气流。
正面
背面
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模型建立
模型计算区域
µDMFC的三维、两相、自呼吸式阴极传质模型（针对一个典型单元）
模型控制方程
• 多孔介质层的动量传输（达西定律） • 电子和质子传输
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MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
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百叶窗结构
多孔结构
电流密度增大，性能提高
提高催化层的传质速度
催化层氧化剂质量分数提高，从而 增强氧化剂传质。分布更均匀
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3.2.2新型空气自呼吸阴极流场结构
空气自呼吸式µDMFC是目前研究的热点，但存在传质效率低、阴极“水淹”等问 题。针对上节中传统直孔式阴极由于阴极“水淹”而产生的性能衰减问题，提出一 种改进的新型“轮辐”式空气自呼吸阴极流场结构
结构设计
背面（空气接触面）与直孔式结构相同，正面（电极接触面）具有一定数量的辐条
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模型建立
质子交换膜液相物质传输（甲醇渗透和水渗透）
（单相物质，无需修正 ）
ip eff m i • 甲醇传质方程（扩散和电渗）—— N MeOH ,cross DMeOH C n , mem MeOH , mem d F 6F
• 液相水传质方程（PEM完全浸润，无浓度变化，忽略扩散项）—— N H O ,cross nd i 2
t
（N-S方程修正 ）
• 气相物质和液相水连续性方程
(1 g ug ) 0
H 2O t
H 2O l
u 0
1.5 eff eff • 氧气物料守恒方程—— DO C C u 0 （液体体积分数 Ф修正） D D 1 O O g O O 2 2 2 2 2
H+ e- CO2
H2O
Methanol
（1）极板材料的选择 （2）阴阳极结构的设计 （3）膜电极(MEA)的传质 （4）气液两相流,甲醇渗透等理论研究
Anode
MEA
Cathode
前期分析 后期验证
COMSOL Multiphysics
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主要内容
微型DMFC研究背景及应用
不同电流密度
不同工作温度 不同阳极流速
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模型结果分析
µDMFC单体结构优化
• 极板材料
热导率高的极板材料，可以保证电池获得 更均匀的内部温度分布
内部温度分布
• 金属网
甲醇渗透现象减轻，电池 效率提高
thvolt fuel
G Vcell ia 100% H Ecell ic
0.5
1.5 1.5 Dieff ,l Di ,l s
1.5 Dieff 1 s , g Di , g 1.5
• 饱和气相压强—— pc pg pl cos c / K J s
（有效扩散系数）
2 3 （亲水性） 0 c 90o 1.417 1 s 2.120 1 s 1.263 1 s J s o o 2 3 90 180 1.417 s 2.120 s 1.263 s c （憎水性）
电子和质子传输（扩散层---电子传导，PEM---质子传导）
• 电子守恒方程—— s ,eff s 0 • 质子守恒方程—— m,eff m 0
F
电化学动力学模型
ref 0 Cm,acl Cm F ref Cm , acl a • 阳极反应模型—— i im s ref exp( a ) ref C RT 1 Cm,acl Cm acl m CO2 ,ccl c F ref • 阴极反应模型（一级反应）—— ic iO 1 s exp( c ) ref 2 CO RT ccl 2 • 渗透电流密度—— i p ic i
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模型建立
多孔介质（阴、阳极扩散层）的两相物质传输
• 液相物质和气相物质连续性方程
( l ul ) Sl
( g ug ) S g
• 液相物质和气相物质动量守恒方程
（Darcy 定律， 液相饱和度s修正）
ul
ug
Kkrl
Kkrg
l
pl
pg
ref Cm 0.1mol / L
（Tafel经验公式）
热量传输
• 阳极催化层产生热量—— qacl ia (a
• 阴极催化层产生热量—— qccl
H a Ga ) 6F H c Gc H a Ga ic (c ) (ic ia ) 4F 6F
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2010年中国区用户年会
微型直接甲醇燃料电池结构设计 与分析
苑振宇
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2010.10
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主要内容
微型DMFC研究背景及应用
微型DMFC工作原理
COMSOL在微型DMFC分析设计中应用 结语
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一.微型DMFC研究背景及应用
随着集成电子技术、MEMS技术的高速发展，高度集成的微型 武器系统与便携式电子产品对高能量密度微能源需求愈来愈迫切。
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建立了µDMFC二维两相传质模型：
• 模型的计算结果与实验结果基本吻合
• 甲醇浓度、工作温度对电池极化过程和阳极甲醇传质影响明显，其中权重
因素甲醇渗透和浓差极化存在相互制约关系 • 电流密度、阳极流速和工作温度对阳极流道内CO2气体含量有一定影响
• 极板材料需要具有良好的热导率 • 采用金属网可以提高电池性能和效率 •存在的问题： CO2气体含量的分析
（Leverette函数）
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模型建立
阳极流道两相物质传输（提出漂移流模型）
• 液相物质动量守恒方程——
l ul l ul ul pl l ul l g （N-S方程修正 ） t 3 Cd 16 CO2气体速度—— ug ul uslip l uslip uslip pl Cd 4 db Reb
• 液相物质和CO2气体连续性方程
(l ul ) 0
1 CO2 t
1
（直径小于1mm的小尺寸气泡 ）
CO2
ug 0
eff eff • 甲醇物料守恒方程—— DMeOH CMeOH CMeOH ul 0 DMeOH DMeOH 1.5 （液体体积分数Ф修正）
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实验验证
在2M和0.5ml/min的条件下,百叶窗的最大功率密度为19.7 mW/cm2 传统结构最大功率密度为16.8 mW/cm2.与仿真结果基本吻合.
文章发表于international journal of hydrogen energy 35 ( 2010 ) 56385646(IF=3.945)
krl s3
krg 1 s
3
（相对渗透率）
g
• 液相物质和气相物质物料守恒方程
（Bruggemann模型修正）
Dieff ,l Ci ,l Ci ,l ul Si ,l Dieff , g Ci , g Ci , g ug Si , g
微型DMFC工作原理
COMSOL在微型DMFC分析设计中的应用 结语
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二.微型DMFC工作原理
阳极: 阴极:
O2
CH3OH H 2O CO2 6H 6e
3 O2 6 H 6e 3H 2O 2
总反应:
3 CH 3OH O2 CO2 2H 2O 2
工作温度的影响
• 温度升高，甲醇渗透加剧
• 温度升高，电池性能提升
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模型结果分析
阳极流道内CO2气体含量
• 电流密度与工作温2气体排放速度加快
• 以上结论与Yang[1]和Liao[2]等人可视化观测结论相符
[1] H. Yang, T. S. Zhao, Q. Ye. J. Power Sources, 2005, 139: 79-90 [2] Q. Liao, X. Zhu, X. Y. Zheng, et al. J. Power Sources, 2007, 171: 644-651
韩国成均馆大学实现以 SU-8 感光胶为极板材料的微型直 接甲醇燃料电池，最大功率 密度达到8mW/cm2
西班牙国家微电子中心完 成了硅基被动式微型直接 甲醇燃料电池，最大功率 密度达到12mW/cm2
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哈尔滨工业大学MEMS中心研究成果
有效面积0.64cm2，室温下开路电压达到 520mV，最大输出功率密度为5.9mW/cm2
微型DMFC工作原理
COMSOL在微型DMFC分析设计中的应用 结语
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三.COMSOL在微型DMFC分析设计中的应用
针对目前传质理论与阴阳极结构技术上的关键问题 ，开展以下工作 3.1建立µDMFC二维两相传质模型——分析内部传质特性，优化电池结构