摘 要：直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell ，DMFC）是直接以甲醇作为阳极燃料的质子交换膜燃料电池。本文介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理，重点分析了目前DMFC技术的核心问题，并指出了相应的解决方案，展望了发展前景。
关键词：甲醇；燃料；电池技术
直接甲醇燃料电池（DMFC）由于使用液体甲醇作燃料，电池安全，系统简单，运行方便，具有很广阔的商业化前景。
1 工作原理
甲醇水溶液被输送到阳极，发生电催化氧化反应，生成CO2，同时释放出电子和质子，电子经过外电路到达阴极，而质子则通过电解质传导至阴极，和电子及氧气发生反应，生成水。
2 DMFC技术分析
目前，在DMFC技术中，甲醇氧化动力学慢过程和甲醇渗透是制约其发展的主要问题，很多研究围绕着如何解决着两个问题展开。
2.1 甲醇氧化动力学慢过程
在DMFC 中，甲醇的阳极氧化涉及六个电子的传递过程，比氢气的氧化更为困难。很多学者就其氧化机理做了研究，并且致力于开发高效的阳极电催化剂。
2.1.1 阳极电催化剂
最常用的是Pt或Pt合金催化剂。在基础研究方面，Wieckowski等研究发现，Pt （1 1 1）晶面抗中毒能力最强；通常添加Ru做为助剂，Dinh等提出，低电位下Ru+H2O→RuOH，RuOH的存在有助于CO的脱除；Ru含量在50%时，活性最好；J.W.Long等认为，Ru以RuOxHy形式存在时，催化活性高，因此制备时应尽量扩大纳米级Pt与RuOxHy的接触界面。另外，活性与分散度有关，Watanabe等发现，当催化剂的粒径大于20?时，活性不再提高；Kaurenan等发现，金属相在炭黑（acetylene black）分散度低，在炭黑（Vulcan XC-72）分散度高，因为上面有大量微孔结构。因此在制备过程中，都要尽量提高活性组分的分散度，分散度越高，活性越好。
Pt系催化剂最突出的优点是活性好，但是价格昂贵、催化剂利用率低、质困难、催化层电阻增大。对于Pt系催化剂，致力于降低Pt 的用量，提高活性。同时，逐渐转向替代Pt或Pt合金催化剂的研究，主要包括：过渡金属合金、过渡金属氧化物/过渡金属化合物。
2.1.3 优化操作条件
提高电池操作温度能加速氧化速率，提高电流密度有利于保持电池性能，采用甲醇周期进料，可以使电压的衰减得以恢复。
2.2 甲醇渗透的危害及解决
甲醇渗透现象，即甲醇通过浓度扩散和电迁移，从阳极渗透到阴极，在阴极电位和Pt催化剂作用下发生氧化，并与氧的电化学还原构成短路电池，在阴极产生混合电位，降低开路电压，影响电池效率。这是DMFC目前存在的最大问题，研究者从阴极催化剂、完善系统、优化膜等方面开展了研究工作。
2.2.1 阴极阻醇电催化剂
通常用的贵金属催化剂存在一些问题：氧还原活性低，中间产物H2O2；从阳极渗透至阴极的甲醇在贵金属电极上氧化形成混合电位，降低电池的开
2.2.2 水管理和甲醇燃烧自热系统
由于甲醇渗透由浓度差引起，在DMFC中一般都使用稀释的甲醇溶液（1M或2M），但是向系统引入大量的水又会产生新问题，一方面使阴极有被水淹的危险，加重了水处理的负担；同时过分的稀释甲醇，会使燃料的利用率下降，由于一部分甲醇渗透到阴极，被空气吹扫走，又造成了甲醇的浪费。
2.2.3 阻醇、耐高温膜
DMFC中所用的质子交换膜主要是全氟磺酸膜如Nafion系列膜，该膜一个主要缺点是不能有效阻止醇类渗透。为提高DMFC的性能，国内外科学家开发各种低透醇膜和可在高于100℃条件下稳定工作的质子交换膜。当采用这种高温膜组装DMFC时，不但可提高醇类如甲醇在阳极的电化氧化速度，提高DMFC性能，而且由于醇在阳极电化氧化速度的提高，降低了在阳极与膜界面处的醇浓度，从而减小了醇类由膜阳极侧向膜阴极侧的迁移量。
目前，已开发出几类阻醇效果较好的膜。如复合膜Nafion-silica，将SiO2嵌入到聚合体结构中，能有效阻止甲醇；聚丙烯腈-磷酸膜（PAN-xH3PO4），将磷酸溶入到膜的多孔结构中，阻醇效果较好，但存在欧姆电阻增大的缺点；磷酸掺杂的聚苯并咪唑（PBI）膜，甲醇渗透率仅为5%-10%，可承受温度150-200℃；还有Nafion与无机物共混膜。
3 DMFC技术展望
综上所述，作为便携式电子产品的应用电源，DMFC拥有广阔的市场前景。今后这一领域的研究主要集中在，提高阳极催化剂活性、降低Pt的用量、开发非Pt系催化剂；对于具有一定耐醇能力的阴极非Pt系催化剂，提高其活性和稳定性；同时，研制阻醇、耐高温膜；并且，进一步完善系统。