什么是直接甲醇燃料電池？工作原理及基本結構介紹

1 直接甲醇燃料電池是什么

直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是指以甲醇溶液為燃料,以空氣或氧氣為氧化劑，將化學能直接轉化為電能的一種發電裝置，產物為CO₂和水，它是便攜式能源的一種選擇，甲醇為液態，操作方便，能量密度高，環境友好，并且甲醇也易于儲存，易于補充燃料，在標準溫度和壓力下操作安全。DMFC是一個簡單的系統，適合作為便攜式和低功率電子設備的電源

2 直接甲醇燃料電池工作原理

DMFC單電池依次由陰極端板、陰極極板、膜電極(MEA)、陽極極板和陽極端板組合，MEA由擴散層、催化層以及質子交換膜熱壓而成，以氧氣或空氣為氧化劑，甲醇為燃料。當DMFC處于工作狀態時，從陽極一端將甲醇水溶液引入，在陽極與催化劑接觸，先進行吸附，再進行氧化反應，產生質子與電子。其中的質子通過質子交換膜達到陰極一端，再與氧氣發生還原反應，最后陰陽極產生二氧化碳和水，電子再從外電路由陽到陰極完成傳輸，導致閉合回路電流的產生，至此，化學能成功實現了到電能的有效轉化，該過程中的電極反應式如下所示：

3 直接甲醇燃料電池的基本結構

(1)質子交換膜

目前常用的質子交換膜的主要材料為全氟化碳-磺酸離聚物，由四氟乙烯與全氟磺單體的組合而成。質子交換膜的功能是將陽極發生氧化反應時產生的質子傳輸至陰極與隔離兩側電極，所以質子交換膜材料需要良好的電化學穩定性、質子傳導性、絕緣性和機械性能。商業上常見的質子交換膜為Nafion膜，目前主流的膜有Nafion112、115、117等系列

(2)催化層

催化層介于質子交換膜和擴散層中間，最主要的成為是催化劑。催化劑可在常溫下增加DMFC的陽極和陰極反應的電化學反應速率，增加每份催化劑在單位時間內能釋放的電荷數。意味著越強的甲醇氧化催化能力和氧氣還原催化能力，電池性能也會相應提高，因而催化層是影響電池性能主要決定因素之一。在催化劑的選擇中，由于貴金屬催化劑比金屬催化劑更具有催化活性，因此鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、釕(Ru)等貴金屬逐漸被用來替代傳統催化工業中的一些金屬催化劑。一般情況下，陽極與陰極分別使用Pt-Ru金屬和Pt金屬催化劑，催化劑以噴涂或涂刷的方式固定在擴散層。

(3)擴散層

氣體擴散層是碳材料和碳基材料的混合物，主要是起均勻分散燃料和收集電子的作用，將反應物均勻擴散地傳輸至催化層以及將催化層中的產物均勻擴散地向外排出，因此需要具備良好的導電率和一定的孔隙率。擴散層通常分為背襯層與微孔層。背襯層一般采用碳紙或碳布材料，具有一定的機械強度，與極板接觸。一方面用于電極的支撐，有利于膜電極的制備;另一方面，有良好的導電性，收集并傳導電子。

(4)極板

極板起傳輸電子的作用，還有支撐膜結構的作用。因此極板需要特定設計的通道用于燃料與氧氣的傳輸以及產物的排除，覆蓋有效區域，在材料的選擇方面應具有高電導率和導熱率，高機械強度和耐腐蝕性，低接觸電阻，易于制造等特點。故極板常用的材料分為金屬和非金屬材料，在非金屬材料中，石墨材料具有高電導率和高導熱率、耐腐蝕性以及低的接觸電阻等優點，因此石墨材料適合作為極板材料。但是，石墨也存在一些不足，其機械強度低，脆性將厚度限制在幾毫米的數量級，加工難度大等。

(5)端板

端板用于電池整體的封裝，起固定與支撐電池的作用，保護電池內部結構，因而端板材料需要一定的韌性與硬度，同時還應具有甲醇耐腐蝕性能，一般采用樹脂或有機玻璃等材料。端板可以分為陽極端板和陰極端板，兩者在其結構上略有不同。陽極需要注入甲醇溶液，因此陽極端板需設有甲醇溶液的存儲腔與微通道，用于外界供液。在甲醇溶液流道方面，陰極端板則存在透孔結構，用于外界氧氣的進入。傳統電池中還有其他輔助配件，比如螺絲、螺母，固定于端板兩端，其目的是為了對電池夾緊，增強電池的牢固。同時螺絲、螺母的夾緊可以使極板與電極緊密接觸，減少電池的內部電阻，有利于電池性能的提升。

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