氫能技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)教學(xué)資源庫(kù)直接甲醇燃料電池（便攜式電源）12目錄直接甲醇燃料電池的工作原理與結(jié)構(gòu)直接甲醇燃料電池的應(yīng)用01直接甲醇燃料電池的工作原理與結(jié)構(gòu)直接甲醇燃料電池的工作原理直接甲醇燃料電池（DMFC）是一種以甲醇為燃料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，屬于低溫燃料電池。DMFC的結(jié)構(gòu)主要由陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極和外部電路組成。陽(yáng)極是甲醇的供應(yīng)端，需要具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性；電解質(zhì)是甲醇和氫離子的傳輸通道，需要具有高離子導(dǎo)電性；陰極是氧的供應(yīng)端，需要具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性；外部電路是電子的傳輸通道，需要具有高電子導(dǎo)電性。直接甲醇燃料電池的工作原理根據(jù)電解質(zhì)溶液的酸堿性不同，其工作原理有所不同。在酸性介質(zhì)中，甲醇輸送到陽(yáng)極，在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳、氫離子和電子，電子通過(guò)外電路傳輸?shù)疥帢O，氫離子通過(guò)電解質(zhì)傳輸?shù)疥帢O，在陰極上與氧發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生水。直接甲醇燃料電池的工作原理直接甲醇燃料電池的工作原理具體如下：（1）陽(yáng)極側(cè)，甲醇溶液作為燃料通過(guò)管道進(jìn)入陽(yáng)極側(cè)，甲醇在催化劑的作用下，與H2O反應(yīng)生成CO2、H+、e-。產(chǎn)生的CO2從陽(yáng)極室出口排出，H+通過(guò)質(zhì)子交換膜傳輸至陰極，電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，形成傳輸電流并帶動(dòng)負(fù)載。CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-.（2）陰極側(cè)，H+與外電路轉(zhuǎn)移的電子，將O2還原反應(yīng)生成水。產(chǎn)生的H2O從陰極室出口排出。3/2O2+6H++6e-→3H2O.（3）總反應(yīng)。CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O.直接甲醇燃料電池的工作原理直接甲醇燃料電池的工作原理（酸性環(huán)境）直接甲醇燃料電池的工作原理在堿性介質(zhì)中，甲醇燃料電池的工作過(guò)程如下：（1）陽(yáng)極側(cè)，到達(dá)陽(yáng)極的甲醇在催化劑的作用下，與OH-反應(yīng)生成CO2、H2O、e-。電子通過(guò)外電路達(dá)到陰極。CH3OH+6OH-→CO2+5H2O+6e-.（2）陰極側(cè)，進(jìn)入陰極的O2、與H2O和外電路的e-反應(yīng)生成OH-。OH-通過(guò)質(zhì)子交換膜傳輸至陽(yáng)極，繼續(xù)參與反應(yīng)。3H2O+1.5O2+6e-→6OH-.（3）總反應(yīng)：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O.直接甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)直接甲醇燃料電池在酸性和堿性環(huán)境的結(jié)構(gòu)圖比較。02直接甲醇燃料電池的應(yīng)用直接甲醇燃料電池的應(yīng)用

直接甲醇燃料電池具有高能量密度、低排放、可再生能源等特點(diǎn)，因此在便攜式電源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，DMFC已經(jīng)應(yīng)用于移動(dòng)通信、筆記本電腦、無(wú)人機(jī)等便攜式電子設(shè)備中。同時(shí)，DMFC也在軍用、應(yīng)急救援等領(lǐng)域得到應(yīng)用。東芝微型燃料電池具有加油盒的東芝燃料電池。

直接甲醇燃料電池的應(yīng)用典型的DMFC系統(tǒng)額定輸出功率50W，采用單電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工作電流密度為120mA/cm2，主要由電堆、物料供給泵、檢測(cè)控制模塊、水熱管理模塊等組成。DNFC使用的燃料為純度高于99.9%的甲醇，在燃料電池電堆陽(yáng)極流場(chǎng)中使用的是稀釋后的甲醇溶液，DMFC運(yùn)行時(shí)必須進(jìn)行水的回收，用以稀釋甲醇燃料，維持陽(yáng)極供料。直接甲醇燃料電池的應(yīng)用典型的DMFC系統(tǒng)的部件及模塊的功能如表。部件功能電堆甲醇與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的位置，直接產(chǎn)生電能，是DMFC的發(fā)電場(chǎng)所。物料供給泵高濃度甲醇供給泵甲醇燃料供給。低濃度甲醇溶液供給泵電堆陽(yáng)極溶液供給。空氣泵電堆陰極空氣供給。檢測(cè)控制模塊傳感器用于DMFC的電能管理、運(yùn)行控制等。運(yùn)行控制包括燃料供給控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。DC/DC電路板鋰離子電池控制軟件水熱管理模塊包括氣液分離器、冷凝器、風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)低濃度甲醇溶液的儲(chǔ)存、氣液分離、水的回收、尾氣排放等。直接甲醇燃料電池的應(yīng)用系統(tǒng)工作流程主要為：（1）低濃度甲醇溶液儲(chǔ)存在氣液分離器中，通過(guò)低濃度供給泵輸送到電堆陽(yáng)極流場(chǎng)，在電堆內(nèi)反應(yīng)后再返回到氣液分離器。（2）空氣泵將空氣輸送到電堆陰極流場(chǎng)，在電堆內(nèi)反應(yīng)后進(jìn)入冷凝器，通過(guò)風(fēng)扇對(duì)冷凝器制冷，實(shí)現(xiàn)陰極水的回收，將回收的水返回到氣液分離器中，對(duì)甲