什么是直接甲醇燃料电池？工作原理及基本结构介绍

1 直接甲醇燃料电池是什么

直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是指以甲醇溶液为燃料,以空气或氧气为氧化剂，将化学能直接转化为电能的一种发电装置，产物为CO₂和水，它是便携式能源的一种选择，甲醇为液态，操作方便，能量密度高，环境友好，并且甲醇也易于储存，易于补充燃料，在标准温度和压力下操作安全。DMFC是一个简单的系统，适合作为便携式和低功率电子设备的电源

2 直接甲醇燃料电池工作原理

DMFC单电池依次由阴极端板、阴极极板、膜电极(MEA)、阳极极板和阳极端板组合，MEA由扩散层、催化层以及质子交换膜热压而成，以氧气或空气为氧化剂，甲醇为燃料。当DMFC处于工作状态时，从阳极一端将甲醇水溶液引入，在阳极与催化剂接触，先进行吸附，再进行氧化反应，产生质子与电子。其中的质子通过质子交换膜达到阴极一端，再与氧气发生还原反应，最后阴阳极产生二氧化碳和水，电子再从外电路由阳到阴极完成传输，导致闭合回路电流的产生，至此，化学能成功实现了到电能的有效转化，该过程中的电极反应式如下所示：

3 直接甲醇燃料电池的基本结构

(1)质子交换膜

目前常用的质子交换膜的主要材料为全氟化碳-磺酸离聚物，由四氟乙烯与全氟磺单体的组合而成。质子交换膜的功能是将阳极发生氧化反应时产生的质子传输至阴极与隔离两侧电极，所以质子交换膜材料需要良好的电化学稳定性、质子传导性、绝缘性和机械性能。商业上常见的质子交换膜为Nafion膜，目前主流的膜有Nafion112、115、117等系列

(2)催化层

催化层介于质子交换膜和扩散层中间，最主要的成为是催化剂。催化剂可在常温下增加DMFC的阳极和阴极反应的电化学反应速率，增加每份催化剂在单位时间内能释放的电荷数。意味着越强的甲醇氧化催化能力和氧气还原催化能力，电池性能也会相应提高，因而催化层是影响电池性能主要决定因素之一。在催化剂的选择中，由于贵金属催化剂比金属催化剂更具有催化活性，因此铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)等贵金属逐渐被用来替代传统催化工业中的一些金属催化剂。一般情况下，阳极与阴极分别使用Pt-Ru金属和Pt金属催化剂，催化剂以喷涂或涂刷的方式固定在扩散层。

(3)扩散层

气体扩散层是碳材料和碳基材料的混合物，主要是起均匀分散燃料和收集电子的作用，将反应物均匀扩散地传输至催化层以及将催化层中的产物均匀扩散地向外排出，因此需要具备良好的导电率和一定的孔隙率。扩散层通常分为背衬层与微孔层。背衬层一般采用碳纸或碳布材料，具有一定的机械强度，与极板接触。一方面用于电极的支撑，有利于膜电极的制备;另一方面，有良好的导电性，收集并传导电子。

(4)极板

极板起传输电子的作用，还有支撑膜结构的作用。因此极板需要特定设计的通道用于燃料与氧气的传输以及产物的排除，覆盖有效区域，在材料的选择方面应具有高电导率和导热率，高机械强度和耐腐蚀性，低接触电阻，易于制造等特点。故极板常用的材料分为金属和非金属材料，在非金属材料中，石墨材料具有高电导率和高导热率、耐腐蚀性以及低的接触电阻等优点，因此石墨材料适合作为极板材料。但是，石墨也存在一些不足，其机械强度低，脆性将厚度限制在几毫米的数量级，加工难度大等。

(5)端板

端板用于电池整体的封装，起固定与支撑电池的作用，保护电池内部结构，因而端板材料需要一定的韧性与硬度，同时还应具有甲醇耐腐蚀性能，一般采用树脂或有机玻璃等材料。端板可以分为阳极端板和阴极端板，两者在其结构上略有不同。阳极需要注入甲醇溶液，因此阳极端板需设有甲醇溶液的存储腔与微通道，用于外界供液。在甲醇溶液流道方面，阴极端板则存在透孔结构，用于外界氧气的进入。传统电池中还有其他辅助配件，比如螺丝、螺母，固定于端板两端，其目的是为了对电池夹紧，增强电池的牢固。同时螺丝、螺母的夹紧可以使极板与电极紧密接触，减少电池的内部电阻，有利于电池性能的提升。

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