直接甲醇燃料电池

直接甲醇燃料电池或DMFC是质子交换燃料电池的一个子类别，其中甲醇用作燃料。它们的主要优点是易于运输甲醇，这是一种能量密集但在所有环境条件下都相当稳定的液体。而DMFC的热力学理论能量转换效率为97%；目前可实现的可操作电池的能量转换效率达到30%–40%。对提高运营效率的有希望的方法进行了深入研究。在假设的甲醇经济性中，更高效的直接燃料电池将在甲醇作为一般能源传输介质的理论使用中发挥关键作用。

与甲醇通过蒸汽重整反应生成氢气的间接甲醇燃料电池相比，DMFC使用甲醇溶液（通常约为1M，即质量约3%）将反应物带入电池。常见的工作温度范围为50至120°C（122至248°F），其中高温通常是加压的。DMFC本身在高温和高压下更有效，但这些条件最终会在整个系统中造成如此多的损失，从而失去优势；因此，目前优选大气压配置。由于甲醇交叉，甲醇通过膜扩散而不发生反应的现象，甲醇作为弱溶液进料：这会显着降低效率，因为交叉的甲醇在到达空气侧（阴极）后，立即与空气发生反应；尽管确切的动力学存在争议，但结果是电池电压降低。交叉仍然是效率低下的主要因素，并且经常有一半的甲醇因交叉而损失。通过(a)开发替代膜(例如),(b)改进催化剂层中的电氧化过程和改进催化剂和气体扩散层的结构(例如),可以减轻甲醇交叉和/或其影响，和(c)优化流场和膜电极组件(MEA)的设计，这可以通过研究电流密度分布(例如)来实现。其他问题包括阳极产生的二氧化碳的管理、缓慢的动态行为以及维持溶液水的能力。这些类型的燃料电池产生的xxx废物是二氧化碳和水。

当前的DMFC可产生的功率有限，但仍可在小空间内存储高能量含量。这意味着它们可以在很长一段时间内产生少量电力。这使得它们不适合为大型车辆（至少直接）提供动力，但非常适合叉车和拖车等小型车辆以及手机、数码相机或笔记本电脑等消费品。DMFC的军事应用是一种新兴应用，因为它们具有低噪音和热特征并且没有有毒流出物。这些应用包括用于便携式战术设备的电源、电池充电器以及用于测试和训练仪器的自主电源。装置的功率输出介于25瓦和5千瓦之间，两次加油之间的持续时间长达100小时。特别是对于高达0的功率输出。3kWDMFC是合适的。对于超过0.3kW的功率输出，间接甲醇燃料电池具有更高的效率并且更具成本效益。对于DMFC的膜（与间接甲醇燃料电池相比），在低环境温度下冻结堆中的液态甲醇-水混合物可能是个问题。

甲醇在大气压下为-97.6至64.7°C（-143.7至148.5°F）的液体。甲醇的体积能量密度甚至比高度压缩的氢气还要大一个数量级，大约是液态氢的两倍，是锂离子电池的2.6倍。单位质量的能量密度是氢气的十分之一，但比锂离子电池的能量密度高10倍。甲醇是微毒且高度易燃的。然而，国际民用航空组织(ICAO)的危险品专家组(DGP)于2005年11月投票允许乘客在飞机上携带和使用微型燃料电池和甲醇燃料盒为笔记本电脑和其他消费电子设备供电。2007年9月24日，美国交通部发布了一项建议，允许航空公司乘客携带燃料电池盒登机。交通部于2008年4月30日发布最终裁决，允许乘客和机组人员携带经批准的燃料电池，该燃料电池安装有甲醇盒和最多两个额外的备用盒。值得注意的是，最终裁决中允许的xxx甲醇盒容量为200毫升，是美国运输安全管理局允许随身携带的100毫升液体限制的两倍。

DMFC依赖于甲醇在催化剂层上的氧化形成二氧化碳。水在阳极被消耗，在阴极产生。质子(H+)穿过质子交换膜（通常由Nafion制成）传输到阴极，在那里它们与氧气反应生成水。电子通过外部电路从阳极传输到阴极，为连接的设备供电。半反应是：甲醇和水被吸附在通常由铂和钌颗粒制成的催化剂上，并失去质子直到形成二氧化碳。由于水在反应中在阳极被消耗，如果不通过诸如反扩散（渗透）的被动传输或诸如泵送的主动传输提供水，则不能使用纯甲醇。对水的需求限制了燃料的能量密度。铂用作这两个半反应的催化剂。这会导致电池电压电位的损失，因为阴极室中存在的任何甲醇都会氧化。如果可以找到另一种用于还原氧气的催化剂，甲醇交叉的问题可能会xxx减少。此外，铂非常昂贵，导致这些电池的每千瓦成本很高。在甲醇氧化反应过程中，会形成一氧化碳(CO)，它会强烈吸附在铂催化剂上，从而减少可用反应位点的数量，从而降低电池的性能。在铂催化剂中添加其他金属，例如钌或金，往往会改善这个问题。在铂-钌催化剂的情况下，钌的亲氧性被认为会促进其表面上羟基自由基的形成，然后羟基自由基可以与吸附在铂原子上的一氧化碳反应。燃料电池中的水通过以下反应被氧化成羟基自由基：H2O→OH•+H++e-。然后羟基自由基氧化一氧化碳产生二氧化碳，二氧化碳以气体形式从表面释放出来：CO+OH•→CO2+H++e-。在半反应中使用这些OH基团，它们也表示为：

阳极侧的甲醇通常处于弱溶液中（从1M到3M），因为高浓度的甲醇有通过膜扩散到阴极的趋势，在阴极，它的浓度大约为零，因为它会被氧气迅速消耗。低浓度有助于减少交叉，但也限制了xxx可达到的电流。实际实现通常是溶液回路进入阳极，退出，重新填充甲醇，然后再次返回阳极。或者，具有优化结构的燃料电池可以直接加入高浓度甲醇溶液甚至纯甲醇。

阳极回路中的水由于阳极反应而损失，但主要是由于相关的水阻力：在阳极形成的每个质子都会将许多水分子拖到阴极。根据温度和膜类型，这个数字可以在2到6之间。

直接甲醇燃料电池通常是较大系统的一部分，包括允许其运行的所有辅助单元。与大多数其他类型的燃料电池相比，DMFC的辅助系统相对复杂。其复杂性的主要原因是：

• 与甲醇一起提供水会使燃料供应更加麻烦，因此水必须在循环中循环使用；
• 必须从离开燃料电池的溶液流中去除CO2；
• 阳极回路中的水因反应和阻力而缓慢消耗；需要从阴极侧回收水以保持稳定运行。