直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cells 簡寫DMFC)是直接利用甲醇水溶液為燃料,氧或空氣作為氧化劑的一種新�燃料電池。由于甲醇在室溫下為液態(tài),具有很高的能量密度,并且價格便�,可以直接從石油、天然氣、煤等原料中獲得,而不需要像間接甲醇燃料電池那樣進行燃料重整,簡化了重整�(shè)�;此�,在燃料獲取中能量損耗少,系�(tǒng)效率高�
直接甲醇燃料電池是一種聚合物電池,它的工作原理是:在陽極區(qū),負極活性物�(zhì)甲醇水溶液經(jīng)陽極流場板均勻分配后,通過陽極擴散層擴散并進入陽極催化層中(即陽極電化�(xué)活性反�(yīng)區(qū)域),在碳載鉑釕電催化劑的作用下�(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng),生成質(zhì)�、電子和二氧化碳。產(chǎn)生的�(zhì)子通過全氟磺酸膜聚合物電解�(zhì)遷移到陰極,電子通過外電路傳遞到陰極,二氧化碳在酸性電解質(zhì)幫助下從陽極出口排出;陰極區(qū),正極活性物�(zhì)氧氣或空氣經(jīng)陰極流場板均勻配后,通過陰極擴散層擴散并進入陰極催化層中(即陰電化學(xué)活性反�(yīng)區(qū)域),在碳載鉑釕電催化劑的作用下與從陽極遷移過來的質(zhì)子發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)生成水隨反應(yīng)尾氣從陰極出口排�。其電極反應(yīng)如下�
陽極反應(yīng):C�3OH+�2O→CO2+6�++6e;
陰極反應(yīng)�3/2�2+6�++6e→3�2��
總反�(yīng):C�3OH+3/2�2→C�2+3�2��
與二次電池不同,微型直接甲醇燃料電池只要保持連續(xù)的甲醇燃料和氧化劑供�,就會有源源不斷的電子通過外部電路從陽極流向陰極產(chǎn)生電�,并對外供電�
直接甲醇燃料電池的特點是�
1)能量轉(zhuǎn)化效率高,達60%�80%,不受“卡諾循�(huán)”限��
2)環(huán)保。燃料電池的�(chǎn)物主要是水及少量二氧化碳,且噪音小;
3)比能量�。直接甲醇燃料電池質(zhì)量比能量和體積比能量分別達到6000Wh/kg�4800Wh/L,遠高于蓄電池的比能量�
直接甲醇燃料電池具有能量�(zhuǎn)化效率高,可靠性強,質(zhì)能比�,清�,易啟動,無噪音,低輻射,隱蔽性強,模塊化�(jié)�(gòu),靈活方便,可水、電、熱�(lián)供等�(yōu)��
1、陽極催化甲醇的電催化劑,一般來說陽極催化起始在0.4V左右,商�(yè)化使用的是PtRu/C催化�,約存在0.2~0.4V的過電位,特別是在高電流情況�,過電位更高�
2、陰極氧還原催化�,使用的Pt/C催化劑,起始電位約在0.9V左右,存�0.3~0.6V過電�。催化活性還有很大程度的提高�
3、膜是質(zhì)子交換膜,其�(zhì)子交換能力也會影響效�,此外,甲醇的透過性也會影響催�,(甲醇透過膜到陰極�,會�(chǎn)生混合電勢影響效率)�
我國在直接甲醇燃料電池研究方面起步較�。中國科�(xué)院大連化�(xué)物理研究所推出了應(yīng)用于小型�(fēng)�、PDA、玩具車以及手機用直接甲醇燃料電池實驗演示原�。該所還采用物理氣相沉積法在硅片表面沉積金屬復(fù)合層作為集流�,有效降低了MEMS微型燃料電池的內(nèi)阻。清華大�(xué)微電子研究所對以多孔硅為基礎(chǔ)的MEMS微型燃料電池進行了深入研�。中國科�(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技�(shù)研究所對微型燃料電池的電池�(jié)�(gòu)、封�、系�(tǒng)集成等方面的研究也取得了較好的進展�
直接甲醇燃料電池雖然最有可能補充和替代目前廣泛使用的蓄電池,但是也存在著許多問題:
1)技�(shù)上,催化劑的低活性和甲醇的滲�2個關(guān)鍵技�(shù)問題阻礙著微型直接甲醇燃料電池的�(fā)展和�(yīng)�,特別是低溫條件下的甲醇陽極催化劑性能亟待提高�
2)制造上,直接甲醇燃料電池的�(fā)展趨勢是微型�、集成化和高能化,但是,由于目前燃料電池還未�(chǎn)�(yè)�,各種電池零部件的加工有時還達不到設(shè)計精度的要求,甚至無法規(guī)模加�。同時,電池的微型化、集成化勢必引起比能量的下降,這與提高電池比功率密度相矛盾�
3)成本上,直接甲醇燃料電池所需的催化劑、電解質(zhì)膜、極板等材料價格昂貴,制備和加工成本高。因�,要使直接甲醇燃料電池商�(yè)化并具有競爭�,就必須把電池生�(chǎn)成本降低到目前使用的蓄電池價格上甚至更低�
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