甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，下面我们一起来看看甲醇燃料电池原理及介绍。

甲醇燃料电池的原理及介绍

一、DMFC

就技术原理而言，DMFC是成熟的。它可以立即产生稳定的能量，而无需在反应过程中冷却电池体。所用的甲醇燃料易于储存，因为它是液体形式，在寒冷的环境中不会冷凝。在体积、重量减轻和安全性方面，DMFC也很容易做到。所有这些优势使得DMFC在某些应用领域比其他类型的燃料电池更具优势。例如，我们可以在割草机和电锯等家用电器中看到DMFC，我们也可以看到客船和商店使用DMFC作为备用能源，而微型DMFC已经成为便携式设备的替代能源。图1显示了东芝推出的基于DMFC的音乐播放器。

DMFC通常包括一个可渗透的电解质膜，甲醇通过DMFC的阳极，空气通过DMFC的阴极。甲醇和空气用于化学反应发电。这个过程不需要燃烧，只产生CO2和水。甲醇分解成氢原子和CO2，质子与空气中的O2形成H2O，电子通过外部电路到达薄膜的阴极。化学反应方程式如下:

总反应方程式:

CH3OH+3/2O2=CO2+2H2O

阳极:

CH3OH+H2O=CO2+6H++6e-

阴极:

3/2oo 2+6H++ 6e-= 3H2O

2.DMFC的缺陷

甲醇水溶液燃料电池(DMFC)的电解质膜大多采用全氟砜酸系列材料，因为这种材料内部会形成团簇，而被水分子包围的质子可以形成质子水合物通道，所以质子电导率很高。但与质子水合物成分相同的甲醇会穿越膜，降低甲醇的利用率，俗称甲醇穿越现象。甲醇一旦渗透，就会在阴极催化剂处与氧气发生反应。使用高浓度甲醇水溶液增加电池容量是非常有效的，但也容易造成甲醇渗透，所以电解质膜对质子传导率要求很高，也需要控制甲醇渗透。这其实是DMFC的一个致命缺陷。氢离子需要通过水携带通过聚合物膜。为了避免这种情况，研究人员采取了各种其他措施来防止甲醇渗透，如添加隔离层将甲醇与聚合物膜隔离，使用疏水梯度等。

DMFC面临的另一个问题是二氧化碳排放。虽然甲醇可以被动供应(即不使用泵)，但催化剂上CO2的积累会导致催化剂利用率的降低。带泵的系统会增加系统的复杂性和体积。最后，在碳原子和氧原子产生CO2的同时，也产生了CO。在使用铂催化剂的系统中，一氧化碳会暂时使铂催化剂中毒。虽然可以在电极中加入钌原子，使中毒催化剂上的一氧化碳发生反应并从催化剂上脱离，但当一氧化碳浓度过高时，燃料电池不得不增加电极的钌含量，这也是DMFC的电极活性面积是PEMFC的10倍的原因。

开发了摩托车DMFC系统。图4显示了该系统的结构及其设备各部分的名称。在图5中，我们还可以看到发电原理和电池主题的结构。该系统声称额定输出功率为500瓦，额定电压为24V，重量为20千克。该系统包括燃料箱和水箱，其中储存有浓度为50%的甲醇溶液。水箱的功能是确保供应给电池主体的甲醇水溶液的浓度保持在恒定的1m/L (3.2%质量)。在电池主体中，水溶液中含有化学反应产生的CO2气泡，这些水溶液通过管道回路输送回水箱，气泡被隔离。雅马哈开发了一种特殊的浓度传感器和控制电路来监控甲醇的浓度。该系统的工作原理如下。当送到电池本体的溶液中甲醇浓度低到一定程度时，系统会产生控制信号，将高浓度的甲醇溶液从甲醇罐送到待反应的溶液中，增加其浓度。此外，雅马哈还开发了一种高效的气泵，将空气泵送到电池体的阴极，这种气泵还包括一个筛选程序。最后，空气通过蒸汽装置和热交换器装置，在那里热量被用来加速溶液的浓缩，最后，它们被输送出系统。在低浓度的溶液罐中，控制使用溶液的含水量，多余的水将排放到系统外部。为了将该系统集成到摩托车中，应根据摩托车的形状调整电池结构，以实现重量平衡。

DMFC是为军事用途而开发的。图为2006年11月燃料电池展上展示的燃料电池，展示的是MTI开发的军用“MOBION1M”便携式燃料电池，采用100%甲醇作为燃料，额定功率0.7W，外形尺寸34mm×95mm×153mm。燃料盒内置，每次加注能量密度为150Wh。浓度为100%的甲醇可以通过麻省理工学院的mobion技术直接注入DMFC的阳极，从而避免了其他类型的DMFC需要用水将甲醇注入电池体内的问题，并省略了向系统中添加微型泵和微型导管的子系统。其原理可以参考。在MTI技术中，浓度为100%的甲醇通过控制不断供应，并且它们不使用泵就均匀地分布在电池体中。

第二，RMFC

RMFC实际上是重组甲醇的PEMFC，而且只有甲醇被用作主要原料。不同的是使用了外置的重整器，通常是微型的甲醇重整器。在RMFC，甲醇不直接进入电池本体进行化学反应，避免了上述DMFC的缺陷，同时可以弥补DMFC输出功率的不足。根据卡西欧和日立去年的研究结果，甲醇燃料电池的输出能量密度可以提高到200mW/cm2或更高，这意味着它的输出功率可以超过10W来驱动便携式设备。