直接甲醇燃料電池

與其他燃料電池相比，盡管DMFC的優(yōu)勢明顯，但其發(fā)展卻比其他燃料電池緩慢，主要原因有如下四個方面：

一是尋求高效的催化劑，提高DMFC的效率。由于甲醇的電化學(xué)活性比氫至少低3個數(shù)量級，因而直接甲醇燃料電池需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一是尋求高效的甲醇陽極電催化氧化的電催化劑，提高甲醇陽極氧化的速度，減少陽極的極化損失，使交換電流密度至少應(yīng)大于10^-5A·cm^-2。

二是阻止甲醇及中間產(chǎn)物(如CO等)使催化劑中毒。由于甲醇在陽極氧化過程中所生成的中間產(chǎn)物(類似CO的中間產(chǎn)物)會使鉑中毒，故直接甲醇燃料電池大都使用具有一定抗CO中毒性能的鉑-釕催化劑。為了提高甲醇陽極氧化的速度，開發(fā)中的有鉑-釘或其他貴金屬與過渡金屬等所構(gòu)成的多元電催化劑，新的催化劑應(yīng)使電池運(yùn)行千小時的電壓降少于10mV。

三是防止甲醇從陽極向陰極轉(zhuǎn)移。直接甲醇燃料電池陽極的甲醇可通過離子交換膜向陰極滲透，在氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池中廣泛采用的Nation膜具有較高的甲醇滲透率。甲醇通過離子交換膜向陰極的滲透，不但會降低甲醇的利用率，還會造成氧電極極化的大幅度增加，降低直接甲醇燃料電池的性能。因此，開發(fā)能夠大幅度降低甲醇滲透率的質(zhì)子交換膜是十分迫切。

四是尋找對甲醇呈惰性的陰極氧還原催化劑，減少滲透到陰極的甲醇造成氧電機(jī)的極化。

直接甲醇燃料電池的工作原理與質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理基本相同。不同之處在于直接甲醇燃料電池的燃料為甲醇(氣態(tài)或液態(tài))，氧化劑仍為空氣和純氧。直接甲醇燃料電池的工作原理如圖1《DMFC原理圖》所示。其陽極和陰極催化劑分別為Pt-Ru/C(或Pt-Ru黑)和Pt-C。其電極反應(yīng)為

陽極：CH₃OH H₂O→CO₂ 6H 6e^-

陰極：1.5O₂ 6e^- 6H →3H₂O

電池的總反應(yīng)為CH₃OH 1.5O₂→2H₂O CO₂

通過熱力學(xué)關(guān)系和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，可得到DMFC在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論開路電壓(可逆電動勢)為：

E₀=-△G₀/nF=-(-702450)/(6×96500)=1.213V

對于DMFC理論轉(zhuǎn)換效率，由熱力學(xué)數(shù)據(jù)可得η=△G÷△H=-702450÷(-26550)=96.68%

實(shí)際上由于電池內(nèi)阻的存在和電極工作時極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，特別是甲醇有較高的氧化過電位，使得電池實(shí)際效率和比能量大大降低。

直接甲醇燃料電池以其潛在的高效率、設(shè)計簡單、內(nèi)部燃料直接轉(zhuǎn)換、加燃料方便等諸多優(yōu)點(diǎn)吸引了各國燃料電池研究人員對其進(jìn)行多方面的研究。對DMFC的研究重點(diǎn)集中在以下幾個方面：

(1)DMFC性能研究

研究的內(nèi)容主要有運(yùn)行參數(shù)對DMFC的影響。這些參數(shù)包括如溫度、壓力、Nation類型、甲醇濃度等的影響。

(2)新型質(zhì)子交換膜研究

質(zhì)子交換膜是DMFC的核心部分。已經(jīng)開發(fā)的質(zhì)子交換膜有一二十種，如高氟磺酸膜、輻射接枝膜、非高氟化物(如BAM3G)、氟離子交聯(lián)聚合物(GoRE)及磷酸基聚合物等，但PEMFC中所使用的基本上都是全氟磺酸型質(zhì)子交換膜。該膜適用于以氫為燃料的PEMFC，但在DMFC中會引起甲醇從陽極到陰極的滲透，這一現(xiàn)象是由于甲醇的擴(kuò)散和電滲共同引起的。由于甲醇的滲透導(dǎo)致陰極性能衰退，電池輸出功率顯著降低，DMFC系統(tǒng)使用壽命縮短，因此要使DMFC進(jìn)入商業(yè)化，必須開發(fā)性能良好、防止甲醇滲透的質(zhì)子交換膜。

(3)甲醇膜滲透研究

DMFC研究中尚未解決的一個主要問題是甲醇從陽極到陰極的滲透問題，這在典型應(yīng)用的全氟磺酸質(zhì)子交換膜中尤為嚴(yán)重。

(4)電催化研究

迄今為止，在所有催化劑中，Pt-Ru二元和金催化劑被認(rèn)為是甲醇氧化最具活性的電催化劑。以Pt和Pt-Ru為基礎(chǔ)，研究人員也對其他二元、三元或四元合金進(jìn)行了廣泛的研究。Pt-Sn是僅次于Pt-Ru的另一種類型催化劑，但人們對Sn的沉積方式、作用機(jī)理等仍有爭議，存在許多不一致的看法。

DMFC以其特有的優(yōu)點(diǎn)引起全世界各國燃料電池研究人員的注意，是各國政府優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之一。經(jīng)過努力，在這方面的研究取得了較大的進(jìn)展，展現(xiàn)了廣闊的前景。

美國Energy Ventures公司宣布已解決了DMFC甲醇滲透問題，使電池功率輸出增加30%～40%。美國Los Alamos國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已研制成功用甲醇燃料電池的蜂窩電話，其能量密度是傳統(tǒng)可充電電池的10倍。Motorola實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們已經(jīng)展示了用于微型DMFC的陶瓷燃料傳輸系統(tǒng)原型。他們的目的是要創(chuàng)建一種5倍于傳統(tǒng)的鋰離子可充電電池能量密度的電源。Manhattan Scientifics公司的Robert Hockaday正致力于可為各種可移動電子器件供電的微型醇類燃料電池的研究，他們宣布研制成功蜂窩電話用燃料電池，比能量是鋰離子電池的3倍，將來可達(dá)到30倍。該項(xiàng)研究已引起世界各國科學(xué)家和有關(guān)公司的關(guān)注。Siemens公司在DMFC研究方面處于世界領(lǐng)先地位，其陰極用純O₂(0.4～0.5 MPa)，電池溫度為140℃的條件下獲得的功率密度約200 mW·cm^-2。戴姆勒·克萊斯勒公司與巴拉德公司合作，成功開發(fā)出世界上首輛安裝了甲醇式燃料電池的汽車“戈卡特”。該燃料電池輸出功率為6kW，發(fā)電效率高達(dá)40%，工作溫度110℃。對致力于開發(fā)使用甲醇燃料電池車的該公司來說，新一代DMFC的研制成功將成為其爭奪汽車市場極為有利的武器。直接甲醇燃料電池汽車的試驗(yàn)成功使制造和儲存氫這一阻礙燃料電池在汽車上推廣使用的重大問題的解決，向前跨了一大步。直接甲醇燃料電池車樂觀估計很可能在10年內(nèi)上路行駛。盡管DMFC的研究已經(jīng)成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)，其研究與開發(fā)仍處于初級階段，但是可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，DMFC首先會用于小型便攜式電子設(shè)備中。

研究內(nèi)容：以直接甲醇燃料電池陰極水淹誘導(dǎo)的局部寄生析氫反應(yīng)為研究對象，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)診斷和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究如下內(nèi)容：（1）陰極水淹誘導(dǎo)寄生析氫反應(yīng)的閾值條件及相應(yīng)的電壓突降機(jī)理;（2）發(fā)生局部析氫現(xiàn)象時，原電池區(qū)與電解區(qū)兩對半反應(yīng)的三維空間分布；（3）寄生析氫反應(yīng)對甲醇穿透和陰極水淹的反作用。..研究意義：直接甲醇燃料電池內(nèi)的自發(fā)寄生析氫反應(yīng)是三年前才被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識的新現(xiàn)象，與之相關(guān)的研究目前還處于探索階段。寄生析氫現(xiàn)象不僅涉及電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜變化，同時也與甲醇穿透、陰極水淹、電子傳導(dǎo)和質(zhì)子傳導(dǎo)等重要的傳輸過程密切相關(guān)、互為因果。因此，系統(tǒng)地研究陰極水淹誘導(dǎo)的析氫反應(yīng)，不僅對于深入理解多組分傳輸與電化學(xué)反應(yīng)的耦合關(guān)系具有重要的學(xué)術(shù)意義，也有助于提高模型預(yù)測的適用范圍和準(zhǔn)確性，為電池的優(yōu)化設(shè)計和可靠運(yùn)行提供依據(jù)。 2100433B

甲醇在送入燃料電池前，會先經(jīng)過重組器進(jìn)行甲醇重組反應(yīng)。且甲醇在-97.0 °C至64.7 °C間皆為液態(tài)，使此種燃料電池可在較低溫度運(yùn)作，發(fā)電后產(chǎn)生純水和二氧化碳。