干货|直接甲醇燃料电池优缺点

本文主要讲了有关直接甲醇燃料电池的内容，包括：直接甲醇燃料电池的工作原理，直接甲醇燃料电池的优缺点，直接甲醇燃料电池影响性能的因素，直接甲醇燃料电池的国内研究现状，直接甲醇燃料电池面临的问题。

直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）属于质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）中的类，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。这使得直接甲醇燃料电池 （DMFC）可能成为未来便携式电子产品应用的主流。

一·、直接甲醇燃料电池的工作原理

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（氢核或氢离子）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迁移往并在阴极与氧反应，而电子则通过外电路的负载到达阳极，并做功。

碱性条件

在负极： 2 CH3OH + 16 （OH-） - 12 （e–） → 2（CO32-）+ 12 （H2O）

在正极： 3 O2+ 12 （e–） + 6 （H2O） → 12 （OH- ）

总反应式：2 CH3OH + 3O2+ 4（OH-）= 2 （CO32-）+ 6 H2O

酸性条件

在负极：2 （CH3OH） - 12 （e–） + 2 H2O → 12 H+ + 2 CO2

在正极：3 O2 + 12 （e-） + 12 H+ → 6 H2O

总反应式： 2 CH3OH + 3 O2 = 4 H2O + 2 CO2

这种电池的期望工作温度为120摄氏度以下，比标准的质子交换膜燃料电池的运行操作温度略高，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离子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢然后再与氧反应。

二、直接甲醇燃料电池的优缺点

优点

直接甲醇燃料电池具有能量转化效率高，可靠性强，质能比高，清洁，易启动，无噪音，低辐射，隐蔽性强，模块化结构，灵活方便，可水、电、热联供等优点。

缺点

缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过，这种增加的成本可以方便地使用液体燃料，无需进行重整便能工作而相形见绌。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期，但已成功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电源，将来还具有为指定的终端用户使用的潜力。

三、直接甲醇燃料电池影响性能的因素

1、阳极催化甲醇的电催化剂，一般来说阳极催化起始在0.4V左右，商业化使用的是PtRu/C催化剂，约存在0.2~0.4V的过电位，特别是在高电流情况下，过电位更高。

2、阴极氧还原催化剂，使用的Pt/C催化剂，起始电位约在0.9V左右，存在0.3~0.6V过电位。催化活性还有很大程度的提高。

3、膜是质子交换膜，其质子交换能力也会影响效率，此外，甲醇的透过性也会影响催化，（甲醇透过膜到阴极后，会产生混合电势影响效率）。

四、直接甲醇燃料电池的国内研究现状

我国在直接甲醇燃料电池研究方面起步较晚。中国科学院大连化学物理研究所推出了应用于小型风扇、ＰＤＡ、玩具车以及手机用直接甲醇燃料电池实验演示原型。该所还采用物理气相沉积法在硅片表面沉积金属复合层作为集流体，有效降低了ＭＥＭＳ微型燃料电池的内阻。清华大学微电子研究所对以多孔硅为基础的ＭＥＭＳ微型燃料电池进行了深入研究。中国科学院上海微系统与信息技术研究所对微型燃料电池的电池结构、封装、系统集成等方面的研究也取得了较好的进展。

五、直接甲醇燃料电池面临的问题

直接甲醇燃料电池虽然最有可能补充和替代目前广泛使用的蓄电池，但是也存在着许多问题：

1）技术上，催化剂的低活性和甲醇的渗透2个关键技术问题阻碍着微型直接甲醇燃料电池的发展和应用，特别是低温条件下的甲醇阳极催化剂性能亟待提高；

2）制造上，直接甲醇燃料电池的发展趋势是微型化、集成化和高能化，但是，由于目前燃料电池还未产业化，各种电池零部件的加工有时还达不到设计精度的要求，甚至无法规模加工。同时，电池的微型化、集成化势必引起比能量的下降，这与提高电池比功率密度相矛盾。

3）成本上，直接甲醇燃料电池所需的催化剂、电解质膜、极板等材料价格昂贵，制备和加工成本高。因此，要使直接甲醇燃料电池商业化并具有竞争力，就必须把电池生产成本降低到目前使用的蓄电池价格上甚至更低。