微型直接甲醇燃料电池的发展

导读：随着电子工业的快速发展,无线通讯设备和各类便携式消费类电子产品不断涌现并迅猛增长,对电池的需求量也在不断增加,同时对所配置的电池性能提出了更高

随着电子工业的快速发展,无线通讯设备和各类便携式消费类电子产品不断涌现并迅猛增长,对电池的需求量也在不断增加,同时对所配置的电池性能提出了更高要求。而目前普遍采用的镍镉、镍氢和锂离子电池等由于其制造技术基本成熟、性能发展空间越来越小,已经难以胜任电子产品发展的要求。因此,电子产品市场亟需一种容量更高、环境友好的新型电池来取代目前广泛使用的电池。微型直接甲醇燃料电池(ＤＭＦＣ)是直接利用甲醇水溶液作为燃料的一种质子交换膜燃料电池,体积小、重量轻、系统结构简单、能密度高,燃料来源丰富、价格低廉,储存携带方便,安全性高,而且还能够长时间连续提供电能、更换燃料方便,因而在手机、笔记本电脑、摄像机、个人数字助手以及医疗装置系统等小型民用电源和军事上的单兵携带电源、航天器电源、微电子机械系统电源等方面可以满足便携式电子设备日益提高的高能耗的需求,最有可能补充和替代目前广泛使用的蓄电池而成为理想的动力电源。因此,微型直接甲醇燃料电池的研究和开发正成为电化学和能源科学研究领域的一个主要方向和热点。

    1、ＤＭＦＣ的工作原理和特点

    微型ＤＭＦＣ的工作原理是:在阳极区,负极活性物质甲醇水溶液经阳极流场板均匀分配后,通过阳极扩散层扩散并进入阳极催化层中(即阳极电化学活性反应区域),在碳载铂钌电催化剂的作用下发生电化学氧化反应,生成质子、电子和二氧化碳。产生的质子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极,电子通过外电路传递到阴极,二氧化碳在酸性电解质帮助下从阳极出口排出;阴极区,正极活性物质氧气或空气经阴极流场板均匀配后,通过阴极扩散层扩散并进入阴极催化层中(即阴电化学活性反应区域),在碳载铂钌电催化剂的作用下与从阳极迁移过来的质子发生电化学还原反应生成水随反应尾气从阴极出口排出。其电极反应如下:

2010-2014年中国燃料电池产业运行走势及投资前景咨询报告

    阳极反应:ＣＨ3ＯＨ+Ｈ2Ｏ→ＣＯ2+6Ｈ++6ｅ;

    阴极反应:3/2Ｏ2+6Ｈ++6ｅ→3Ｈ2Ｏ;

    总反应:ＣＨ3ＯＨ+3/2Ｏ2→ＣＯ2+3Ｈ2Ｏ。

    与二次电池不同,微型直接甲醇燃料电池只要保持连续的甲醇燃料和氧化剂供给,就会有源源不断的电子通过外部电路从阳极流向阴极产生电能,并对外供电。

    微型直接甲醇燃料电池的特点是:1)能量转化效率高,达60%～80%,不受“卡诺循环”限制;2)环保。燃料电池的产物主要是水及少量二氧化碳,且噪音小;3)比能量高。ＤＭＦＣ质量比能量和体积比能量分别达到6000Ｗｈ/ｋｇ和4800Ｗｈ/Ｌ,远高于蓄电池的比能量。

    2、ＤＭＦＣ的国内外研究现状

    2.1国外研究现状

    在美国,微型直接甲醇燃料电池的相关研究在某些关键技术的研发中获得了大量专利,并都向外界展示了所研制的微型燃料电池原型。ＭａｎｈａｔｔａｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃｓ公司最早提出手机电源用微型直接甲醇燃料电池,其核心技术在于电堆的非压滤式结构。采用一种类似印刷电路板的技术,在一块绝缘板上镶嵌膜电极,然后将各个膜电极在同一平面结构内进行串联构成电池组。