直接甲醇燃料电池

直接甲醇燃料电池（Direct methanol fuel cell，DMFC）属于低温燃料电池，釆用质子交换膜做固体电解质，甲醇作为燃料。是质子交换膜燃料电池的一种，只是燃料不是氢而是甲醇而已。DMFC是世界上研究和开发的热点。

直接甲醇燃料电池

• 甲醇
  • 天然气和水煤气合成，技术成熟
  • 优点
    • 只含一个碳原子，不含C-C键，易被氧化，加上能量密度高，价格便宜和来源丰富，被认为是最好的燃料
  • 缺点
    • 甲醇有毒11，易燃，且氧化的中间物种会使Pt催化剂中毒，易透过Nafion膜
  • 替代
    • 乙醇12
      • 基本上没有毒性，来源丰富，价格可与甲醇竞争，对质子交换膜的透过率 远低于甲醇
    • 其他小分子醇
    • 甲酸
• 原理
  • 阳极
  • 阴极
  • 总反应
  • 六电子转移过程，中间产物多，可能导致催化剂中毒
• DMFC与PEMFC的差别
  • 不同点
    • 来源丰富，燃料储存和供应系统简单，可采用类似加油站的系统
    • 甲醇渗透（浓差扩散和电迁移），与氧的电化学还原构成短路电池，在阴极产生混合电位，降低DMFC的开路电压，而且增加氧阴极极化和降低电池的电流效率。
    • 甲醇水溶液作燃料，DMFC质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的水饱和状态下，水均由阳极迁移至阴极。阴极侧排水负荷增大，阴极被水淹的情况更严重，阴极水管理难度增加。
      • 阴极氧化剂(如空气中氧)的利用率均很低，其目的是增加阴极流场内氧化剂的流动线速度，以利于向催化层的传质和水的排出，但这势必增加DMFC电池系统的内耗
    • 阳极氧化时，产生H+与电子和气体，所有要求电极具有憎水孔。电极构成材料(Pt/C电催化剂）极易在析出的反应气作用下导致脱落、损失。
      • DMFC工艺，增加MEA的电极与膜之间的结合力，防止MEA在电池长时间工作时膜与电极分离、增加欧姆极化，大幅度降低电池性能，严重时导致电池失效。
  • 性能差别
    • DMFC单位面积的输出功率仅为PEMFC的1/10~1/5
      • CO的中间物导致Pt电催化剂中毒，严重降低了甲醇的电化学氧化速度(比氢气氧化的速度要低得多)，增加阳极极化达百毫伏数量级
      • 甲醇渗透不但导致氧电极产生混合电位，降低DMFC的开路电压，而且增加氧阴极极化和降低电池的电流效率。
• DMFC存在的问题
  • 电催化活性低和甲醇渗透两大技术难题
  • 电极催化剂的用量高，导致电池成本高，抗CO毒化能力有待提高。
  • 电池组长时间运行的稳定性和效率有待提高。（甲醇阳极电化学氧化催化活性不高和甲醇渗透引发的混合电位）
• DMFC的优点
  • 燃料来源非常丰富;
  • 室温下为液体，与水互溶，燃料贮存和供应系统简单;
  • 可以采用类似目前加油站的系统
  • 热管理要求低
• 催化剂
  • 阳极催化剂
    • CO中毒导致活性下降
    • 种类
      • 铂基合金催化剂
        • 二元复合催化剂
        • 三元复合催化剂
      • 复合催化剂
        • 目前大多以碳为载体，容易出现“反极”现象，导致Pt/C中碳被氧化生成CO，进而使Pt催化剂中毒。用导电聚合物作为Pt的载体，可以避免碳载体的弊端并且可以降低Pt的用量。
          • 聚苯胺
          • 聚吡咯
      • 金属氧化物催化剂
        • 对甲醇氧化具有较高的电催化活性，而且不会发生中毒现象
  • 阴极催化剂
    • 铂基催化剂
      • 对氧还原活性不高，且甲醇燃料的渗透导致中毒，性能降低并产生混合电位
    • 稳定性、催化活性、抗甲醇
• DMFC质子交换膜
  • 甲醇渗透率达百分之40
  • 作用
    • 电解质、隔绝阴阳极
  • 要求
    • 热稳定性
    • 高质子导通率
    • 甲醇渗透率低
    • 低成本
    • 高机械强度
    • 化学稳定性
• 分类
  • 气态甲醇和水蒸汽
    • 100摄氏度以上工作
      • 交换膜的质子传导性与液态水含量有关，100摄氏度以上反应气的压力大于大气压
      • 至今尚没有开发出能够在150~200°C下稳定工作，且不需液态水存在的交换膜。
  • 甲醇水溶液
    • 目前研究重点
    • 在室温与100摄氏度之间可以正常使用，100摄氏度以上为防止水汽化，膜失水需要加压