直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）屬於質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）中的一類，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發電。相較於質子交換膜燃料電池(PEMFC)，直接甲醇燃料電池(DMFC)具備低溫快速啟動、燃料潔淨環保以及電池結構簡單等特性。這使得直接甲醇燃料電池(DMFC)成為未來攜帶型電子產品套用的主流。

基本信息

• 中文名：直接甲醇燃料電池
• 英文名：Direct Methanol Fuel Cell
• 其他外文名：DMFC

• 分類歸屬：質子交換膜燃料電池
• 燃料供給來源：甲醇水溶液或蒸汽甲醇
• 特性：低溫快速啟動、燃料潔淨環保等
• 套用：燃料電池汽車、移動電源等

作用

直接甲醇燃料電池

該電池構成包括純甲醇貯存腔、甲醇緩衝區和電池工作單元。在純甲醇貯存腔和甲醇緩衝區之間採用滲透膜來控制甲醇的傳遞，實現純甲醇進料，以滿足甲醇燃料電池的長效工作能力。同時，該電池不需要外加蠕動泵和甲醇感測器來控制燃料的補充。此外，在該電池的甲醇緩衝腔，甲醇燃料以蒸氣形式或液膜形式吸附在電極表面進行反應，由於其量較少，電池可以短時間內朝多個方向放置，而傳統被動式燃料電池只能朝一個方向放置，否則會導致液體燃料直接泄漏。

該電池組裝簡單、性能可靠，極大地提高了電池的工作時間。與傳統被動式電池在相同條件下的放電能力對比(100mA)，工作時間約為45小時，遠遠超過傳統被動式電池的放電時間。在相同的電池體積和工作條件下，該電池能提供更長的工作時間，即更高的能量密度。

原理

直接甲醇燃料電池是質子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉換成二氧化碳，質子和電子，如同標準的質子交換膜燃料電池一樣，質子透過質子交換膜在陰極與氧反應，電子通過外電路到達陰極，並做功。

鹼性條件

總反應式：2CH4O+3O2=2CO2+4H2O

正極：3O2+12e–+6H20→12OH–

負極：2CH4O-12e–+12OH~→2CO2+10H2O

酸性條件　

正極：3O2+12e–+12H+→6H2O

負極：2CH4O-12e–+2H2O→12H++2CO2

這種電池的期望工作溫度為120℃以下，比標準的質子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。

直接甲醇燃料電池是質子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉換成二氧化碳和氫，如同標準的質子交換膜燃料電池一樣，氫然後再與氧反應。

研究

中科院長春應化所承擔的國家863計畫課題——直接甲醇燃料電池技術，通過科技部組織的專家驗收。

中科院長春應化所早在20世紀90年代初就在國內率先開展了直接醇類燃料電池的研究，在電催化劑、電極反應過程、質子交換膜材料基礎及改性、催化電極和催化電極/質子交換膜複合體、整機集成等方面進行了系統探索，並在“十五”初期研製出國內首台百瓦級DMFC電池堆，研製成功中國首台DMFC電動腳踏車。

2007年5月，長春應化所與中科院大連化物所、南京師範大學獲得國家863計畫課題“直接甲醇燃料電池技術”的支持。經過3年的攻關，研究改進了催化劑的製備方法，最佳化了電極和製備工藝，研究了不同流場及電池結構對電池性能的影響，突破了催化劑製備及性能、電極及膜電極集合體製備工藝、電池結構改進等技術關鍵，組裝了小型自呼吸式和中型主動式DMFC樣機，進行了電動腳踏車、手機及筆記本電腦電源的演示套用；與“十五”期間相比，有如下主要突破：採用空氣替代純氧氣做氧化劑，實現純甲醇進料，大幅提高系統比能量，電堆體積比功率增大5倍，尾氣得到有效處理。

課題實施期間共申報國家發明專利11項，發表SCI論文41篇。該成果為直接甲醇燃料電池套用和產業化奠定了重要基礎。

特點

優勢

體積小巧燃料使用便利潔淨環保理論能量比高

缺陷

能量轉化率低性能衰減快成本高

技術困難

直接甲醇燃料電池

1.催化劑

採用貴金屬納米催化劑，成本高。活性及穩定性達不到理想要求

2.質子交換膜

杜邦公司Nafion膜甲醇透過很嚴重，造成燃料浪費，陰極混合電位，性能下降

3.電池集成

針對DMFC的集成技術還不完善。這種電池的期望工作溫度為120℃，比標準的質子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點是當甲醇低溫轉換為氫和二氧化碳時要比常規的質子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。不過，這種增加的成本可以因方便地使用液體燃料和勿需進行重整便能工作而相形見絀。直接甲醇燃料電池使用的技術仍處於其發展的早期，但已成功地顯示出可以用作行動電話和膝上型電腦的電源，將來還具有為指定的終端用戶使用的潛力。