摘要：甲醇氧化电催化剂是决定直接甲醇燃料电池(DMFCs)性能、寿命与成本的关键。为获得高功率密度和低生产成本的DMFCs,设计合成组成、结构、形貌可控的阳极催化剂备受关注。阳极催化剂的颗粒尺寸、粒径分布、形貌结构、稳定性、分散性以及催化活性都与载体息息相关,而碳基载体材料由于其优异的性能已广泛应用于DMFCs中。首先,介绍了酸性环境和碱性环境中甲醇氧化反应的机理;然后,对不同形式的碳基载体材料,如炭黑、介孔碳、碳纳米材料、氧功能化碳、杂原子掺杂碳以及金属氧化物改性碳作为催化剂载体在DMFCs中的应用进行了综述;最后,对DMFCs的发展趋势进行了展望。

摘要：甲醇氧化电催化剂是决定直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells,DMFC)性能与成本的关键。目前,铂基催化剂是最有前途的高效甲醇氧化电催化剂,但在反应过程中存在活性位的迁移、团聚与浸出、中毒以及载体的腐蚀与坍塌等原因引起的失活问题,阻碍了其进一步商业化发展。如何提高直接甲醇燃料电池阳极催化剂的稳定性是一个亟待解决的难题。本文首先总结了甲醇的电氧化原理和催化反应机理,详细综述了阳极催化剂的失活机制以及抑制改善其失活方面所取得的研究进展。最后对该领域未来的发展方向进行了展望,并指出利用限域作用限制活性金属的迁移和聚集,构建多元合金,设计增强复合型载体,将理论研究和原位表征技术相结合,是今后开发更高效、稳定阳极催化剂的重点研究方向。

摘要：发展可替代能源对缓解全球能源问题具有重要意义.直接甲醇燃料电池(DMFC)因其工作温度低、能量密度高以及低污染物排放特性正逐渐成为最有发展前景的便携式能源技术之一.目前,其商业化进程主要取决于阳极甲醇氧化反应(MOR)的动力学快慢.贵金属作为最常用的阳极催化剂得到了广泛的研究,但是其稀缺性以及易受COads中间产物中毒影响限制了其应用.考虑到以上问题,具有优异抗中毒能力的低Pt或者非Pt纳米催化剂的设计和研发变得十分重要.本文从DMFC阳极电催化原理出发,总结了过渡金属基催化剂(过渡金属−贵金属催化剂、过渡金属催化剂以及自支撑催化剂)在MOR中的研究进展.重点强调了纳米催化剂的组成成分、多孔结构、高指数面、晶体缺陷以及顶点增强效应等对其电化学性能的影响.最后,展望了过渡金属基电催化剂在DMFC中所面临的机遇和挑战.

摘要：设计并制造了直接甲醇燃料电池(DMFC),额定输出功率为50 W,常压下比能量可达510 Wh/kg(连续72 h额定功率输出时)。DMFC分别在上海和拉萨进行了测试,相应地对比了常规气压和高海拔低气压环境中的运行性能。实验结果表明:在海拔3685 m环境中,电堆工作电流密度120 mA/cm^(2),DMFC可以实现稳定运行;高海拔下电堆电压约为常压环境下的95.3%;高海拔下平均燃料消耗速率相比常压环境会有增加;高海拔下DMFC起动时间与常压环境下无明显差异;高海拔时水的回收速度比常压下缓慢;电堆在高海拔环境下工作2000 h后,性能仍可保持初始状态的87.8%,平均单电池电压衰减速度约30μV/h。

摘要：直接甲醇燃料电池(DMFC)的开发设计日渐成为燃料电池领域的研究热点。利用数学模型对内部传递现象进行数值模拟,不仅具有重要的理论意义,而且对结构设计和操作条件优化有很强的指导意义。本文基于两相流模型和CFD技术的应用,综述了电池内部主要的传递过程,特别是近些年开发的电池内部与水相关的传递过程的物理和数学模型,并以两者的相互联系加以组织。这些模型思想综合考虑了微观传递机理,描述了电池内复杂的传递现象并提供了相应的数值模拟和模型验证方法。这些方法能够加深人们对电池内部传质现象的理解,而其实用意义在于能够指导设计和优化电池结构、提高电池的体积和重量比能量密度、缩短开发周期和大幅度降低开发成本。

摘要：为了精确控制燃料电池阳极燃料的温度,搭建了直接甲醇燃料电池(DMFC)测试用温度控制系统。针对温度控制对象为定速流动的特点,设计了用于加热流动液体的特殊结构,即将不锈钢软管以双层跑道的布局紧密贴合于三层黄铜板之间,以延长液体在加热块中的流动时间,保证出口流动液体温度的精确控制。计算了不同内径的不锈钢软管最小管长和控制系统的最小加热功率。采用半导体制冷片为流体加热/制冷元件,设计制作了其功率驱动和换向电路。采用基于PID闭环控制的VC++程序设计方法实现了温度自动控制。实验结果表明:温度控制系统的平均升/降温速度为14℃/min,稳态温度控制示值误差<±2℃,能够满足DMFC恒定温度条件下实时测试的要求。

摘要：将单个直接甲醇燃料电池的固体骨架看成开口系统 ,燃料电池稳定运行时的热负荷由阳极反应、阴极反应和甲醇直接氧化反应产生的 3部分热量组成 ,利用热力学原理将其计算 .在双极板上设置平行的冷却通道 ,将电池电化学反应产生的热量及时排出 ,有利于燃料电池的稳定运行 .根据燃料电池中燃料、氧化剂的流向和冷却通道内冷却水流向的不同 ,冷却水和壁面的换热分别在恒热流密度和恒壁温热边界条件下进行 .计算了 2种情况下冷却通道壁面的温度和换热系数 .结果表明 ,前者的换热效果要比后者好 ,但是 ,后者保证了工作层面具有恒定的温度 。

摘要：本文针对配备三通道蛇形阳极流场的液态进料直接甲醇燃料电池阳极两相流及电池性能开展了实验研究。液态进料的直接甲醇燃料电池阳极流床内会形成二氧化碳气泡与甲醇溶液构成的两相流系统,其两相流特性受到电池流道设计、运行工况和工作角度的影响,并同时影响燃料电池的性能。本文设计了三通道蛇形流场,通过可视化实验得到直接甲醇燃料电池三通道蛇形阳极流场内的两相流特性随电流密度变化的规律,并研究了燃料电池在不同旋转角度下的两相流特性和电池性能。实验结果表明:在不同的旋转角度下,电池都体现出较好的工作性能。

摘要：直接甲醇燃料电池(DMFC)因其燃料能量密度高,工作温度低,低污染排放等优点被认为是用作移动设备电源的最佳选择之一,至今已有美国的Oorja Protonics公司和丹麦的IRD公司等新能源相关企业相继发布了多款用于手机、电脑、通信基站、叉式装卸机或房车的商业产品.然而,DMFC内部的复杂情况造成的多种不同的电压损失仍旧使得其实际电压效率远低于理论值.其中从阳极渗透到阴极的甲醇造成的混合电位导致的电压损失尤为明显.目前,众多研究人员都致力于开发高稳定性、高耐久性、高性能且低成本的催化材料体系,以克服传统Pt催化剂存在的各种问题.除了催化剂本身之外,DMFC的问题还与其中膜电极的微结构和电化学特性息息相关.膜电极是化学能通过电催化氧化还原反应转化为电能的反应场所,通常由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层依序组合而成.通过对MEA中的各层进行优化,如传质管理和甲醇渗透等问题都能得到有效解决.近年来,纳米技术常被用于改进DMFC性能的研究.具备纳米结构的金属-碳/金属氧化物载体类催化材料得到了广泛研究.这些电催化材料在制备方法、结构和组分上都有较大区别.结构方面,许多研究都证明制备纳米级多孔网络结构或者有序阵列结构的催化层有助于提高催化性能和Pt的利用率.组分方面,许多研究人员都开展了引入Pt以外金属成分或金属氧化物来改变Pt催化剂的表面电子状态的研究.引入这些组分导致的配位体效应可以通过弱化Pt与H+,OH-或COads等的相互作用来起到抗催化毒化和提高催化效率的作用.尽管对于DMFC领域的认知逐渐完善,但是仍有许多问题有待解决.因此,本文介绍了目前用于DMFC的纳米结构电催化材料和多孔电极的研究进展.重点介绍了纳米结构催化剂和载体材料的合成及表征.通过对比不同催化材料的特性可以发现,在本文涉及到的催化材料中,In0.1SnO_2-Pt和(MoO_3)0.2Sn O2-Pt/C表现出了最高的催化活性,但是它们高效催化甲醇电氧化所需的碱性环境与现在占绝对主流地位的Nafion质子交换膜所必须的酸性环境相冲突,所以其实际应用价值在碱性阴离子交换膜研究取得突破前都难以有效发挥.而另一类表现较好的采用溶致液晶模板法合成的纳米树枝状和纳米星形Pt催化剂则存在制备工艺难以商业规模化的问题.总的来说,采用溶剂热合成法制备的Pt-NRCeO_2/GNs和Pt/Ti0.9Sn0.1O_2-C等纳米结构金属氧化物、碳材料复合载体和Pt基贵金属催化剂组成的催化材料体系不仅催化性能相对于商业化Pt纳米颗粒有很大提高,而且制备方法易于商业规模化,值得进一步关注.此外,本文还介绍了如内部传质过程的理论建模计算和膜电极中功能结构的制备等优化DMFC中多孔电极内传质过程的方法.通过计算机模拟得到优化DMFC内部传质过程所需的扩散层、催化层的传质特性相关参数,再通过改进MEA制备工艺,有效控制各层的结构参数向模拟的优化值靠拢,能够实现DMFC性能的有效提升.综合模拟、实验研究及工艺研究结果,根据实际需要,设计和制备包含新功能层的MEA的相关研究也更进一步提高了DMFC的性能和实用性.就目前的研究情况而言,如果在性能提升的基础上,使用寿命再取得突破,DMFC一定会有很好的商业应用前景.

摘要：直接甲醇燃料电池用作移动电源时,电池的动态响应特性特别重要。该文作者利用自行设计的直接甲醇燃料电池测试系统对一有效面积为 50cm2 的直接甲醇单体燃料电池的动态性能进行了实验研究。通过计算机控制电池负载的动态变化。实验研究了电流变化不同波形及各种波形下加载电流大小、斜率变化对电压信号动态响应的影响。结果表明电池电压对各种电流变化的响应很快。动态负载时电池的开路电压要比稳态运行时的高,主要原因是因甲醇窜流造成的过电势的减少。电池内部电化学反应与传质瞬态变化的综合作用对电池动态运行有着关键的影响。