直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用

新能源汽车A 版

收稿日期:2010-07-27

直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用

王瑞敏 (上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海 200438)张颖颖 (山东省科学院海洋仪器仪表研究所,青岛 266001)

摘要 针对直接甲醇燃料电池(D M FC )的发展状态进行调查。分析了各国政府和企业致力于DM FC

的开发与应用研究。

Abstract For the i n vesti g ati o n of direct m ethano l fue l ce ll (D M FC )deve l o pm ent cond ition,th is paper presen ted the situati o n of deve l o p m ent and applicati o n on research DMFCS what governm ents and enterprises dedicated to .

主题词 燃料电池 汽车 发展 甲醇

燃料电池是一种将化学能连续不断地转化为电能的可再生清洁能源。自20世纪60年代初问世以来,就迅速发展成为国际高新技术竞争中的热点之一。我国政府对燃料电池的研发高度重视,将其列为国家科技中长期发展规划中能源、交通、电子等领域的重要研究方向和急需开拓的尖端高技术。本文针对直接甲醇燃料电池(D M FC )的发展状态进行了调查和分析。分别从D M FC 的关键技术发展状态、主要生产商发展状态、在便携式电源中的应用、DMFC 在汽车领域的应用等几个方面进行了分析。

1 D M FC 的工作原理及关键技术发

展状况

目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PE MFC)、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 )等。其中,PE MFC 因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能

直接转换成电能,具有能量转换效率高(一般都在40%~50%,而内燃机仅为18%~24%)、无污染、启动快、电池寿命长、比功率及比能量高等优点,成为应用最广的一类燃料电池,尤其是在汽车用燃料方面,PE MFC 的应用接近该市场的100%。各种燃料电池应用情况如图1

所示。

图1 各种燃料电池的应用情况

1.1 D M FC 的工作原理

在阳极区,负极活性物质甲醇水溶液经阳极流场板均匀分配后,通过阳极扩散层扩散并进入阳极催化层中(即阳极电化学活性反应区域),在碳载铂钌电催化剂的作用下发生电化学氧化反应,生成质子、电子和CO 2。产生的质子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极,电子通过外电

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路传递到阴极,CO2在酸性电解质帮助下从阳极出口排出[1]。

在阴极区,正极活性物质氧气或空气经阴极流场板均匀配后,通过阴极扩散层扩散并进入阴极催化层中(即阴电化学活性反应区域),在碳载铂钌电催化剂的作用下与从阳极迁移过来的质子发生电化学还原反应生成水随反应尾气从阴极出口排出。其电极反应如下:

阳极反应:C H3OH+H2O CO2+6H++6e

阴极反应:3

2

O2+6H++6e 3H2O

总反应:C H3OH+3

2

O2 C O2+3H2O

1.2 DMFC在催化剂方面的研究进展

D M FC电极的电催化剂采用Pt/C、Pt Ru/C或Pt黑、纯Pt-Ru黑。至今为止,在DMFC中广泛应用的阳极电催化剂是Pt Ru/C或Pt Ru黑,Pt与Ru原子比一般为1 1,阴极催化剂采用纳米级纯Pt黑河Pt/C。

美国某大学教授2008年在 自然-材料学 网络版上发表的论文中描述了一种新型催化剂。它由被一层或两层铂原子包围的钌纳米颗粒组成,是一种高效的室温催化剂,可显著改善关键的氢纯化反应,从而获取更多的氢用于燃料电池的供能。

2007年中科院长春应化所与中科院大连化物所、南京师范大学和南通海阳新材料科技有限公司获得国家 863计划 项目 直接甲醇燃料电池技术 的支持。经过2年多的联合攻关,突破了催化剂制备及性能、电极及膜电极集合体制备工艺、电池结构改进等技术关键,批量制备出性能优良的多种催化剂,部分催化剂性能优于商品催化剂;批量制备出高性能膜电极集合体,组装出自呼吸电池及主动式电堆,实现了自呼吸电池甲醇燃料电池组与笔记本电能连用。目前,长春应化所等单位正在为进一步提高电池性能和整体水平而组织联合攻关,力争通过二三年的时间,研究并掌握批量合成与制备甲醇燃料电池的关键材料、电池堆制作和整体发电系统集成的核心技术,为甲醇燃料电池的产业化奠定重要的技术和材料基础。1.3 D M FC在质子交换膜方面的研究进展

DM FC采用的质子交换膜为全氟磺酸膜,该膜用于DMFC的主要缺点是醇类经电迁移和扩散由膜的阳极侧迁移至阴极侧,导致在阴极产生混合电位,降低DMFC开路电压,增加阴极极化和燃料的消耗,降低DMFC的能力转化效率。为了克服上述缺点,国内外科学家一直在探索开发各种低透醇膜。

日本东亚合成在2006年1月发布了改进型DM FC电解质膜,通过在聚烯烃类多孔质底材中填充电解质聚合物,控制了 甲醇渗透(甲醇通过电解质膜导致DM FC性能下降的现象) 。通过对材料的改进,将质子导电度提高到约1.5倍,连续运行时间由5000h提高到了7000h。该公司将这种采用多孔质膜的电解质膜称为 细孔填充电解质膜 。

除美国杜邦(DuPont)外,美国W.L.Gore& A ssociate公司及德国Fu MA Tec h Gm b H公司也在开发用于直接甲醇方式的电解质膜,并都已经开始了工业样品供货。Fu-MA设计了两种电解质膜,一种是使用温度范围为0~60 的全氟磺酸膜;另外一种是使用温度范围为0~110 的非全氟磺酸膜。但是,该公司并未公布电解质膜的输出密度等数据。Fu MA公司开发出的普通电解质膜如图2

所示。

图2 Fu M A公司的普通电解质膜

1.4 D M FC水管理系统方面的研究进展

MT I微燃料电池公司是获奖的M ob ion微型燃料电池技术的开发者,并且是机械科技公司的一家子公司,该公司在日本东京的第四届国际氢和