课程论文学 院 化 学 化 工 学 院专 业 应 用 化 学年 级 2013 级姓 名 张 忆 恒课 程 化学电源论文题目 微型燃料电池简介指导教师 卢 先 春成 绩2016年5月20日目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Keywords: (1)引言 (1)1 微型H2-O2（空气）燃料电池 (2)2 微型直接甲醇燃料电池 (3)2.1 μDMFC结构和工作原理 (4)3 微型甲酸燃料电池 (6)4 微型固体氧化物燃料电池 (6)5 结论 (7)信阳师范学院化学化工学院课程论文微型燃料电池的研究进展学生姓名：张忆恒学号：20135052012化学化工学院2013级应用化学课程名称化学电源摘要：燃料电池因其清洁无污染，比功率密度高，无需充电，补给燃料快速方便等优点越来越受重视。

且微型燃料电池因其尺寸微小倍受青睐。

本文讨论了分别以纯氢、甲醇和甲酸为燃料的微型燃料电池和微型固体氧化物燃料电池；对微型直接甲醇燃料电池的结构和原理做了简单的介绍。

关键词：微型燃料电池;氢;甲醇;甲酸Research progress in micro-fuel cellsAbstract: Many pay more and more attentions to the fuel cells because of its clean andnon-polluting, high specific power density, without charge, fast and easy refueling.Meanwhile micro-fuel cells is acclaimed for its small size.The micro-fuel cells using hydrogen frompure hydrogen, methanol and formic acid as fuels and micro solid oxide fuel cell were discussed. The materials used in micro-fuel cells for the portable electronics were outlined. The preparation technologies of micro-fuel cell such as micro lectomechanical system technology were analyzed.Meanwhile it made a brief introduction of the structure and principles of Micro Direct Methanol Fuel Cell(MDFC).Keywords:micro-fuel cell; hydrogen; methanol; formic acid引言近年来，随着移动电话、个人数字助手、笔记本电脑等便携式电子产品的迅猛发展，对微型能源提出了越来越高的要求。

燃料电池是不经过燃料的燃烧而将化学能直接转换为电能的一种能量转换装置。

微型燃料电池作为一种新型的便携能源，具有高效、高能量密度、体积小、成本低、环境好等优点。

因此近年来，用于便携式电子设备的微型燃料电池的研究引起了人们极大兴趣。

微型燃料电池简介1 微型H2-O2（空气）燃料电池微型H2-O2（空气）燃料电池的结构与储氢材料的性能紧密相关。

由于MEMS技术的发展，微型H2-O2（空气）燃料电池的研究有许多报道[1-6]，电池性能列于表1。

表1MEMS技术多选择硅基材料，使燃料电池的成本很高。

硅基材料的替代物可以是PDMS或其他聚合物材料。

湿法化学刻蚀技术也是制备微通道的方法之一。

N.F.Wan等[7]采用HF和HNO3为刻蚀溶液，在100μm厚的钛材料上制备微通道，再在钛材料上涂覆Vulcan XC-72炭黑和40%的PTFE构成的多孔层。

将Nafion112膜-催化剂集合体夹在两片带有涂层的钛材信阳师范学院化学化工学院课程论文料中间，在9 MPa、140℃下热压2 min，即制成单体电池。

在完全自呼吸的条件下，22℃、H2-空气运行，电池的最大功率密度为120 mW/cm2。

双极板材料的选择是制备微型H2-O2空气）燃料电池的重要因素。

选择的材料要降低双极板与MEA之间的接触电阻，并解决双极板与流场之间压力均匀分配的问题。

影响微型H2-O2（空气）燃料电池的另外一个因素是流场。

微型H2-O2（空气）燃料电池中，微通道的雷诺系数非常低（0.001～0.1）。

A.S.Rawool等[8]计算发现，在蛇形流场中流量随多孔扩散层渗透量的增大而增加。

S.S.Hsieh等[9]比较了采用蛇形、网格状和交指状等3种流场的电池的性能，发现采用交指状流场的电池的性能最好。

这归结于反应气体在微通道内的对流传递机理和合理分配的综合效果。

R.S.Jayashree等[10]研究的液流燃料电池（LFFC）不采用Nafion膜作为隔膜，而是利用微通道内液体流动的特点，即液体呈层流流动，与其他流体不混流，将酸性流体（如H2SO4）或碱性流体（如KOH溶液）作为流动的电解质膜，将阴阳极的气体分开。

他们研究了电阻、流速（H2、O2和电解质）等对电池性能的影响，得到的最大功率密度为191 mW/cm2。

LFFC具有潜在的发展前景，但存在一些问题。

自呼吸式微型质子交换膜燃料电池（PEMFC）的氧气来自空气，除去了空气循环系统和加热系统。

李巨峰等[11]发现采用阴极无流场结构，在室温、常压下，自呼吸式微型PEMFC的峰值功率密度约有115 mW/cm2，最大放电电流密度可达0.51 A/cm2。

氢气流量和电池放置的方向性，对电池性能的影响较小；降低质子交换膜的厚度，电池的性能提高。

反应气体通过薄膜渗透的现象轻微。

自呼吸式微型PEMFC无水热管理系统，在0.2 A电流下放电，运行341 h，性能稳定，电压波动约为0.02 V，运行过程中实现了水的自平衡。

2 微型直接甲醇燃料电池微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）是微型化的DMFC，整体尺寸一般在厘米级，具有能量密度高（是同体积锂离子电池的5倍）、室温快速启动、燃料便于存储和运输、充电迅速等突出优点，尤其适用于各类便携式电子产品如笔记本电脑、手机、PDA、MP3、单兵电源等，因而目前世界各国对这方面的技术及应用研究方兴未艾，μDMFC开始在不同领域得到初步应用（如图2.1所示）微型燃料电池简介图2.1 部分微型直接甲醇燃料电池样机2.1 μDMFC结构和工作原理图2.2和图2.3分别为μDMFC结构和工作原理示意图，它主要由膜电极“三合一”（Membrane Electrode Assembly，MEA）、阴、阳极集流板和端板组成，MEA由质子交换膜及两侧的燃料电极和氧化剂电极组成，每侧电极又由催化层和多孔的气体扩散层（gas diffusion layer，GDL）组成。

质子交换膜起传导质子和阻隔电子的作用，一般采用全氟磺酸膜制成，目前商业化的产品是杜邦公司的Nafion TM系列。

阳极和阴极催化剂成份分别为纳米级的Pt-Ru/C和Pt，其中阳极加入Ru是为了防止甲醇中间氧化产物（如CO）引起的Pt催化剂中毒。

催化剂可转压到质子交换膜上（涂敷有催化剂的质子交换膜称为Catalyst一Coated Membrane，CCM），也可喷涂到扩散层上的毗邻质子交换膜的一侧。

催化层的外侧为气体扩散层，一般为碳纤维编织的碳纸或碳布，可根据需要在扩散层中添加适当比例的疏水材料（如聚四氟乙烯），典型的商业化产品为Toray公司的TGP一H系列碳纸。

扩散层起传导电子的作用并可使电池工作过程中阴、阳两极的气体和液体分别通过各自通道向催化层活性位扩散（燃料和氧化剂）或离开活性位（反应产物），有助于在燃料一催化剂一电解质之间形成稳定的三相反应界面。

在质子交换信阳师范学院化学化工学院课程论文膜燃料电池中，质子交换膜、催化层和多孔电极常被热压为一体，即膜电极组件（MEA）。

阴、阳极集流板分别位于MEA的两侧，在电池中起到收集电流和分配反应物的作用，集流板上有流场，因此也称之为流场板。

μDMFC工作时，需要事先将各部件组装为一体，即将MEA置于两片带有流场的集流板之间，再用两块刚性较好的端板将其夹紧就形成一个单电池。

夹紧力（封装压力）的大小要适当，既要减小扩散层和集流板间的接触电阻以尽量降低电池内电阻导致的功率损失，又要避免扩散层的孔隙率太低而影响传质导致的电池性能下降。

图2.2 微型直接甲醇燃料电池结构图[11]图2.3 微型直接甲醇燃料电池原理图微型燃料电池简介μDMFC工作原理如图2.3所示，在阳极一侧，甲醇水溶液通过集流板和扩散层到达催化层，在催化剂的作用下反应生成H+、e- 和CO2，其中CO2通过扩散层返回到阳极流场，H+以水合质子的形式在电场作用下透过质子交换膜迁移到阴极，由于质子交换膜的选择透过性（传导H+并阻隔e-），阳极生成的e- 通过外电路到达阴极，e- 流经外部电路形成电流并驱动负载。

在阴极侧，从阳极迁移到阴极的H+和e- 在催化剂作用下与O2结合生成水，生成的水通过阴极扩散层返回到阴极流场。

因此电池内的总反应为，甲醇和氧气反应生成二氧化碳和水。

具体反应过程如式所示：阳极甲醇氧化半反应：阴极氧气还原半反应：电池总反应：3 微型甲酸燃料电池甲酸是DMFC中甲醇在阳极氧化的中间产物之一。

甲酸-氧燃料电池的开路电压为1.45 V，甲酸由阳极到阴极的渗透很小。

K.L.Chu等[12]采用纳米多孔硅膜，阳极进料为5 mol/L HCOOH和0.5 mol/L H2SO4，空气自呼吸式阴极，电池的最大功率密度为30 mW/cm2。

S.Ha等[13]采用Nafion112膜，阳极为Pt-Ru催化剂，阴极为Pt催化剂，电池在30℃时的最大功率密度为110 mW/cm2；采用Pd催化剂，电池的功率密度可达到250 mW/cm2。

4 微型固体氧化物燃料电池正固体氧化物燃料电池（SOFC）建立在氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（YSZ）电解质上。

目前工艺水平下的氧化锆基SOFC，为了得到合理的能量密度，一般都在800～1 000℃左右工作。

高温给SOFC带来了材料、密封和结构上的问题，如电极的烧结、电解质与电极之间的界面化学扩散及热膨胀系数、不同材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等。

发展中、低温微型SOFC，可以在更宽广的范围内寻找合适的电极材料，减少高温使用对材料的苛刻要求，还可提高电极稳定性，延长电池寿命，更重要的是有利于SOFC的规模化和民用化。