1、微型直接甲醇燃料电池的研究现状及进展.txt 珍惜生活上帝还让你活着，就肯定有他的安排。雷锋做了好事不留名，但是每一件事情都记到日记里面。 本文由最爱奶茶 123贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第 26 卷第 1 期 ( 总第 101 期) 2007 年 3 月湿法冶金Hydro metallurgy of ChinaVol . 26 No . 1 ( Sum. 101) Mar. 2007微型直接甲醇燃料电池的研究现状及进展林才顺 ,王新东 ,王淑燕 , 马立军( 北京科技大学 冶金与生态工程学院 ,北京 100083)摘要 :
2、 详细地介绍了国内外微型直接甲醇燃料电池的研究动态及最新进展 ,重点阐述了微型直接甲醇燃料电 池的工作原理 、 设计结构 、 制备过程及性能 ,并简要分析了这种电池在发展过程中存在的问题和工业化前景 。 关键词 : 微型燃料电池 ; 微型直接甲醇燃料电池 ; 工业化 ; 现状 中图分类号 : TM911. 4 文献标识码 :A 文章编号 :100922617 (2007) 0120022203 528 随着电子工业的快速发展 , 无线通讯设备和各类便 携式消费类电子产品不断涌现并迅猛增长 , 对电池的需 求量也在不断增加 , 同时对所配置的电池性能提出了更 高要求 。而目前普遍采用的镍镉 、
3、镍氢和锂离子电池等 由于其制造技术基本成熟 、 性能发展空间越来越小 , 已经 难以胜任电子产品发展的要求 。因此 , 电子产品市场亟 需一种容量更高 、 环境友好的新型电池来取代目前广泛 使用的电池 。微型直接甲醇燃料电池 ( DMFC) 是直接利 用甲醇水溶液作为燃料的一种质子交换膜燃料电池 , 体 积小 、 重量轻 、 系统结构简单 、 能密度高 富、 价格低廉 ,储存携带方便 , 安全性高 , 而且还能够长时 间连续提供电能 、 更换燃料方便 , 因而在手机 、 笔记本电 脑、 摄像机 、 个人数字助手以及医疗装置系统等小型民用 电源和军事上的单兵携带电源 、 航天器电源 、 微电子机
4、械 系统电源等方面可以满足便携式电子设备日益提高的高 能耗的需求 ,最有可能补充和替代目前广泛使用的蓄电 池而成为理想的动力电源 。因此 , 微型直接甲醇燃料电 池的研究和开发正成为电化学和能源科学研究领域的一 个主要方向和热点 324 。收稿日期 :2006209229 122 阴极 ,二氧化碳在酸性电解质帮助下从阳极出口排出 ; 在 阴极区 ,正极活性物质氧气或空气经阴极流场板均匀分 配后 ,通过阴极扩散层扩散并进入阴极催化层中 ( 即阴极 电化学活性反应区域 ) , 在碳载铂钌电催化剂的作用下 , 与从阳极迁移过来的质子发生电化学还原反应生成水 , 随反应尾气从阴极出口排出 。其电极反应
5、如下 : 阳极反应 :CH3 OH + H2 O 2 + 6H + + 6e ; CO 阴极反应 :3/ 2O2 + 6 H + + 6e H2 O ; 3 总反应 :CH3 O H + 3/ 2O2 CO2 + 3 H2 O 。 与二次电池不同 , 微型直接甲醇燃料电池只要保持, 燃料来源丰连续的甲醇燃料和氧化剂供给 , 就会有源源不断的电子 通过外部电路从阳极流向阴极产生电能 ,并对外供电 。 微型直接甲醇燃料电池的特点是 :1 ) 能量转化效率 高 ,达 60 % 80 % , 不受 “卡诺循环 ” 限制 ;2 ) 环保 。燃料 电池的产物主要是水及少量二氧化碳 ,且噪音小 ;3 ) 比
6、能 量高 。DMFC 质量比能量和体积比能量分别达到 6 000Wh/ kg 和 4 800 Wh/ L ,远高于蓄电池的比能量 。2 DMFC 的国内外研究现状2. 1 国外研究现状1 DMFC 的工作原理和特点微型 DMFC 的工作原理在美国 ,微型直接甲醇燃料电池的相关研究在某些是 : 在阳极区 ,负极活性物质甲醇水溶液经阳极流场板均匀分配后 , 通过阳极扩 散层扩散并进入阳极催化层中 ( 即阳极电化学活性反应 区域) ,在碳载铂钌电催化剂的作用下发生电化学氧化反 应 ,生成质子 、 电子和二氧化碳 。产生的质子通过全氟磺 酸膜聚合物电解质迁移到阴极 , 电子通过外电路传递到作者简介 :
7、 林才顺 (1973 - ) ,男 ,湖南郴州人 ,博士研究生 ,主要从事电化学和燃料电池研究 。关键技术的研发中获得了大量专利 9214 , 并都向外界展 公司最早提出手机电源用微型直接甲醇燃料电池 , 其核 心技术在于电堆的非压滤式结构 。采用一种类似印刷电 路板的技术 ,在一块绝缘板上镶嵌膜电极 , 然后将各个膜 电极在同一平面结构内进行串联构成电池组 。该微型示了所研制的微型燃料电池原型 。Manhattan Scientifics第 26 卷第 1 期 林才顺 ,等 : 微型直接甲醇燃料电池的研究现状及进展 ?23 ?DMFC 电池面积为 5 cm 13 cm , 当使用甲醇溶液作燃
8、料、 空气作氧化剂时 , 可以使手机连续通话 20 h , 是目前 锂离子电池通话时间的 10 倍 。美 国 M TI Micro Fuel Cells 公司在微型质子交换膜燃料电池研究中取得了引人 注目的成绩 ,分别在 2001 年 、 年 、 年发布了 3 代 2002 2003 微型 DMFC 样机 ,而且在 2003 年 2 月 14 日 ,美国总统布 什还使用 M TI 公司的第三代燃料电池手机进行通话 。其 核心技术则是基于 DMFC 原理的 Mobion TM 技术 , 采用 该技术可有效克服甲醇渗透 , 使电池可输入高浓度甲醇 , 从而提高系统的比能量 。目前 , 该公司获得了
9、美国政府 部门的资助 ,主要为军队士兵系统和军事通信设备提供 5 W 左右的微型 DMFC 移动电源 。2004 年下半年 ,该公司 还展示了一款微型 DMFC ,它能提供 5 W 的常规功率 ,峰 值功率可达 35 W ,总能量输出超过 50 W ?h , 体积比能 量为 900 W ?h/ L , 相当于美军大量使用的军用电池 (BA5590 电池) 能量的 2 倍多 。美国 Case Western Re2serve University 利用其微机电系统技术的微型传感器研小型燃料电池 。这款新型燃料电池采用甲醇作为燃料 , 与采用锂电池的笔记本电脑相比 ,50 mL 的甲醇可以连 续使
10、用 5 h , 超过锂电池 2 倍以上 。东芝的燃料电池长 27. 5 cm ,宽 7. 5 cm ,高 4 cm ,电池发电平均 12 W ,最大可 达 20 W 。2004 年 6 月 24 日 , 东芝展示了迄今为止世界 上最小的一款 DMFC , 其尺寸为 22 mm 56 mm 4. 5 mm ,重约 8. 5 g ,输出功率 100 mW 。使用 2 mL 高浓度 甲醇可以使 MP3 连续播放 20 h 。N EC 公司最新试制的 燃料电池平均输出功率为 14 W ,最大输出功率为 24 W , 电压为 12 V ,电池总质量 900 g ,其中燃料质量 300 g , 外 形尺寸
11、为 270 mm 270 mm 40 mm 。当使用 300 cm3 浓度约 10 %的甲醇时 , 可以使笔记本电脑连续运行约 5 h 21 。2004 年 2 月 ,著名的富士通研究所公布了他们研 发的用于笔记本电脑的燃料电池 。输出最大功率 15 W , 用 300 mL 甲醇溶液作燃料 ,可以驱动该公司笔记本电脑 持续运行 8 10 h 。这次推出的燃料电池使用的甲醇溶 液浓度提高到 30 % , 而且没有发生因渗透而导致输出功 率下降的问题 。由于可以利用高浓度甲醇 , 这样就大大 提高了单位质量或单位体积下的能量密度 。日本 Toshi2 ba 公司已经开发出一种应用于个人数字助手的
12、微型 DM2FC : 厚 25 mm ,质量 500 g ,输出功率 8 W ,可以连续工作 40 h 。2003 年 3 月 ,该公司推出了世界上第 1 个直接连接究方面的优势 ,获得了美国军方的资助 , 集中研究和开发 用于精确制导导弹上驱动 M EMS 传感 器 和 执 行 器的 M EMS 微型燃料电池 , 这种电池的功率范围在 10 100mW 。其核心技术是在单晶硅基片表面上制作燃料电池 ,则用 “平板包装 flat2pack” 取代传统的双极 板设计 ,其中每个电池通过穿过膜平面的电子导电体组 成燃料电池组 ,每 2 节电池通过背靠背式结构又组成 3 对 “孪生 twin2pac
13、k” 。甲醇燃料从公用的阳极板进入 , 空气Laboratory 18 BA5590 型 锂 离 子 电 池 15217 。 Jet阳极以硅片表面溅射金属金为集流体 , 利用硅片流场使 甲醇溶液分配均匀并传输 。阴极以多孔金结构为集流 体 ,有利于导电和空气中氧气的传质 。 在民用通讯领域 ,美国 Los Alamos National Labora2tory 开发出了一种可以将较低电压转换成较高工作电压到笔记本电脑上的微型 DMFC 系统 ,该系统尺寸 275 mm mm ,质量 900 g ,平均输出功率 12 W 。10 月份 , 该 75 公司开发出了面向 PDA 和手机等便携式消费类
14、电子产的微型 DMFC 电池 。该电池的结构为压滤式 , 电极面积 为 45 cm2 ,单池厚度仅 2 mm 。在 14 V 工作电压下 ,其峰 值功率为 80 W , 体积比功率为 300 W/ L , 质量比能量为 200 W ?h/ kg , 有望取代应用于美国军方通 讯 系 统的品的高度集成化微型燃料电池 : 质量 130 g , 体积 140 mL ,平均输出功率 1 W ,甲醇容量 25 mL ,工作时间 20 h 。 韩国三星综合技术研究院于 2002 年 6 月研发出一种 面向手机的内置式微型 DMFC ,尺寸 60 mm mm 80 10 mm ,输出功率 2 W 。 德国
15、Smart Fuel Cell 公司成立于 2000 年 ,集中于输 出功率为 10 1 000 W DMFC 系统的研发工作 。该公司 的第 1 个产品是偏远动力系统 , 为交通系统 、 遥控传感 器、 照明以及户外装备的独立电源而设计 ,峰值功率为 80 W 。该系统能提供比传统电池高 3 5 倍的能量 。2003 年 8 月 ,Smart Fuel Cell 公司推出了世界上第一个面向终 端用户的商业化 DMFC 系统 SFCA25 。SFC A25 的平均 输出功率为 25 W , 最大输出功率可达 80 W , 尺寸为 150 mm mm mm ,质量 1. 1 kg 。它携带的 2
16、. 5 L 甲 112 65 醇燃料罐可以满足系统在全功率下工作 7080 h 。2. 2 国内的研究现状Propulsion从外侧阴极板进入 。这样 6 节电池串联在一起 , 每节电 池连续供电 150 mW 就可以保证正常供电了 。 日本东芝公司 19220 2001 年 1 月 30 日现场演示了其 第 1 款 PDA 用的微型 DMFC ,其峰值功率 8 W ,平均功率 35 W ,由 5 个单体电池组成 ,尺寸 105 mm 127 mm 25 mm ,质量 500 g , 其中 , 燃料罐体积 10 mL 。采用高 浓度 ( 90 %) 甲醇 ,可以使 PDA 连续工作 40 h
17、。2003 年 3 月 5 日 ,该公司已经成功地开发出了支持笔记本电脑的我国在微型直接甲醇燃料电池研究方面起步较晚 。 中国科学院大连化学物理研究所 22223 推出了应用于小型湿法冶金 2007 年 3 月 ?24 ? 风扇 、 、 PDA 玩具车以及手机用微型 DMFC 实验演示原 型 。该所还采用物理气相沉积法在硅片表面沉积金属复 合层作为集流体 ,有效降低了 M EMS 微型燃料电池的内 阻 。清华大学微电子研究所对以多孔硅为基础的 M EMS 微型燃料电池进行了深入研究 。中国科学院上海微系统 与信息技术研究所对微型燃料电池的电池结构 、 、 封装 系 统集成等方面的研究也取得了较
18、好的进展 。feed Direct Met hanol Fuel Cell SystemJ . J Power Source , 5 Scott K, T aama W , Cruickshank J . Performance of a Direct Methanol Fuel Cell J . J Appl Electrochem ,1998 ,28 (2) : 2892 Unsupported Pt , Ru Anodes for Liquid Feed Direct Met hanol Fuel CellsJ . Electrochem Acta ,1998 ,43 (24) :365
19、723662. tionsJ .J Power Source ,2004 ,127(1) :1122126. ccw. com. cn. news. sina. co m. cn/ c. 2004 ,133 (2) : 1752180. Power Sources , 2003 , 124 (1) : 40246. 6326097 P ,2001212204. 100 (1) : 67279. US :6194095 P ,2001202227. http :/ / china. nikkeibp . co . jp/ china/ news/ news. P ,1997205220. Ele
20、ctrochemical Society ,2001203225 2001203229. 5482568 P ,1996201209. Fuel Cell Operated at At mo sp heric Pressure J . Journal of Power Sources ,2003 ,118 (2) :2482255. in Direct Met hanol Fuel Cells at Lo s Alamo s National LaboratoryJ . J Power Source , 2000 ,86 (1) : 1112116. in DMFC R 2 ) 制造上 , 微
21、型直接甲醇燃料电池的发展趋势是微型化 、 集成化和 高能化 , 但是 , 由于目前燃料电池还未产业化 , 各种电池 零部件的加工有时还达不到设计精度的要求 , 甚至无法 规模加工 。同时 , 电池的微型化 、 集成化势必引起比能量 的下降 ,这与提高电池比功率密度相矛盾 。3 ) 成本上 , 微 型直接甲醇燃料电池所需的催化剂、 电解质膜 、 极板等材 料价格昂贵 ,制备和加工成本高 。因此 , 要使微型直接甲 醇燃料电池商业化并具有竞争力 , 就必须把电池生产成 本降低到目前使用的蓄电池价格上甚至更低 。8 Nobuyoshi N , Yikun X. Performance of a Di
22、rect Met hanol4 结束语微型直接甲醇燃料电池是一种新型的燃料电池 , 由 于具有体积小 、 结构简单 、 能密度高 、 储存携带方便 、 安全 性高等特点 ,因而在庞大的电子消费市场拥有广泛的应 用前景 ,最有可能补充和替代目前广泛使用的蓄电池而 成为理想的动力电源 。所以针对目前微型直接甲醇燃料 电池发展所面临的许多技术 、 制造和成本方面的问题 , 应 集中力量加强开发研究 ,使之早日实现商业化和市场化 。 参考文献 : 1 Kim D , Cho E A , Hong S A , et al . Recent Progress in Passive Direct Met h
23、anol Fuel Cell at KIS T J . J Power 2 Ye Q , Zhao T S , Yang H , et al. Electrochemical Reactions in a DMFC Under Open2circuit ConditionsJ . Electrochem. flash dryer ; steam dryer ; co mpariso n( 上接第 24 页)Research Status and Progress of Micro Direct Methanol Fuel CellL IN Cai2shun , WAN G Xin2do ng
24、,WAN G Shu2yan , MA Li2jun( Department of Physical Chemistry , University of Science and Technology Beij ing , Bei j ing 100083 , China) Abstract : The recent p rogress and research stat us of micro direct met hanol f uel cell ( DM FC) in manyco unt ries was f ully int roduced. The working p rincipl
25、e , st ruct ure design , manufact ure p rocess and performance of DM FC were described , and t he challenges in developing and indust rial p ro spect forDM FC were analyzed briefly. Key words : micro f uel cell ; DM FC ; indust rializatio n ; stat us用树脂矿浆法从低品位铀矿石浸出矿浆中回收铀Kazem Mirjalili 和 Mahshid Ro
26、shani 介绍了用改进的树脂矿浆法从低品位铀矿石浸出矿浆中分离 铀 。试验中 ,设计并较准了 4 个小型空气搅拌槽 。分批进行了一系列试验 ,以确定了强碱性阴离子交换 树脂吸附铀的最佳条件 。树脂粒度 0. 61. 6 mm ,矿浆粒度低于 0. 1 mm 。树脂和矿浆流速分别为 10 mL/ h 和 1 mL/ h 。矿浆的氧化还原电位为 500 mV ,p H 为 1. 8 。绘制的 McCabe Thiele 图表明 ,试验结 果与理论预测相一致 。结果表明 ,最佳条件下的 4 段逆流树脂矿浆过程足以回收矿石中 99 %的铀 。 张丽霞 译自 Hydro metallurgy 2007 ,85 ( 224) :1032109 1
