毕业设计（论文）我国甲醇燃料应用现状及其前景.doc

目  录摘 要 3关键词 3Abstract 4Key word 4前 言 50.1 甲醇燃料简介 50.2 甲醇燃料国外应用进展50.3 甲醇燃料国内应用进展60.4 甲醇燃料的应用前景7第一章：几种汽车代用燃料的发展现状及趋势1.1  液化石油气 81.2  甲醇燃料 91.3 乙醇燃料 91.4 结 论 9第二章 ：直接甲醇燃料电池的研究进展2 阳极电催化剂2.1 金属催化剂102.12铂基二元或多元电催化剂112.13 其它催化剂112.2 铂催化剂122.21 铂合金催化剂12第三章 ：汽车上的应用前景分析3 DMFC 的工作原理和特性 133.1 DMFC 的工作原理 133.12 DMFC 的重要特性 143.2 DMFC 的燃料转换效率和功率密度 143.21 燃料转换效率143.22 结 论143.3 功率密度153.31 甲醇渗透153.32 结 论16第四章：结 论17致 谢18参考文献19我国甲醇燃料应用现状及其前景 摘 要：甲醇汽油替代传统汽油作汽车燃料，不但燃烧干净，而且丰富，是理想的石油替代品，甲醇燃料的大力推广和应用是加快能源开发，克服能源消费制约，促进经济协调发展的必由之路。 关键词:我国,石油,能源,甲醇燃料,汽车,随着,消费,发展,甲醇。Our country methyl alcohol fuel application present situation and itsprospect Abstract: Methanol gasoline substitution tradition steam painter'sshop automobile fuel, not only burns cleanly, moreover is rich, is theideal petroleum substitute, the methyl alcohol fuel vigorouslypromotion and the application speeds up the energy development,overcomes the energy expense restriction, the promotion economycoordinated development way that must be taken. Key word: Our country, petroleum, energy, methyl alcohol fuel,automobile, while, expends, development, methyl alcohol.前言 - 汽车时_AutoAge.Com.Cn中文汽车专业技术资讯网站第一门户1 gp    23 随着全球人口的增加和人民生活水平的不断提高，对能源的需求日趋强劲。并且随着工业的发展，能源结构也在不断发生着变化，从工业大革命初期到工业快速发展的20世纪，尤其随着20世纪中期石油化工的迅速发展，更是加快了能源工业发展的步伐。但是传统的石油、天然气资源日渐匮乏，特别是世界剩余可采储量的石油仅可使用40年左右，所以寻求替代能源将成为未来世界经济发展的关键。 汽车论坛,汽车技456 术,汽车专业,汽车大学,汽车电子,汽车?TGn*G#_'B)mN%qh 近年来，随着我国对能源投入力度的强化，能源供求矛盾得到有效缓解，但是能源结构性矛盾却日益突出，特别是我国石油供不应求的问题更为突出。尽管在“九五”期间的石油消费增长速度有所减缓，但是石油消费的平均增加量和石油消费弹性系数均比“八五”期间有所增加。然而“九五”期间在石油生产方面，尽管原油产量的年均增长率、年均增长量和生产弹性系数，均比“八五”期间略有增长，但是生产量与消费量之差更大。在整个20世纪90年代中，我国石油消费年均增长速度比石油生产年均增长速度高出4.63个百分点，在今后十多年内，这种差额状态还将继续下去。汽车专业技术论坛&h0t6m: v%0.1 甲醇燃料简介 dxS7d3|5RZA6vr*    甲醇是一种易燃易挥发的无色透明液体，具有与现实使用的液体燃料极为相近的燃烧性能，辛烷值高，抗爆性能好，其生产原料非常广泛，产品的运输、储存、分装加注和使用，与目前市场上所供应的内燃机用汽油和柴油燃料特点极为相似。同时，甲醇还可作为燃料电池的重要原料。在目前的开发应用中，甲醇燃料分为直接使用和间接使用两大类。直接使用又分为全额甲醇和部分掺混两种形式；间接使用可通过化学转化方法和电化学转化方法达到能量转化的目的。化学转化主要是将甲醇转化为甲基叔丁基醚和二甲醚等。电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。图为世界最小的甲醇燃料电池（见图一）。世界最小的甲醇燃料电池（图一）0.2甲醇燃料在外国的应用汽车论坛,汽车技术,汽车业,汽车大学,汽车电子,汽车 OEQG(By    作为甲醇燃料的主要形式，甲醇汽油开发及应用在国外开始于二十世纪70年代的第二次石油危机，从替代能源的角度考虑，德国、美国、日本等国先后投入了人力、物力进行甲醇燃料及甲醇汽车配套技术的研究开发。在70-80年代期间，德国就推出了甲醇汽车，德国大众汽车公司还在中国推出M100甲醇汽车示范车。美国重点开发M85、M100专用甲醇燃料汽车。美国福特公司还开发了可使用甲醇与汽油以任意比例混合的燃料的灵活燃料汽车（FFV），这种车由燃料传感器识别成分，通过电脑提供发动机最佳运行参数，这样就不会受到加油站限制。目前FFV汽车在美国已经能大规模商业生产。日本对甲醇燃料的研究始于二十世纪80年代后期，进入90年代初期已有300多辆甲醇燃料汽车投入运行，他们将高比例的甲醇燃料用于轻型货车（由柴油机改造）。 sV?B.mtT汽车论坛,汽车技术,汽车专业,汽车大学,汽车电子,汽车5QR6f5j.TN0.3甲醇燃料国内应用进展     我国对甲醇燃料的研究起步于二十世纪70年代初期，“六五”期间，国家科委与交通部、山西省共同组织，在山西省进行了M15-M25甲醇燃料的研究实验，共有480辆货车参与了试验及示范工作。在此期间建设了5个甲醇燃料加注站，并加入适量杂醇等助剂，在解决甲醇燃料的使用与汽油的相溶性方面积累了许多经验。“七五”期间，由国家科委组织，中国科学院牵头并由大专院校、汽车、环境、卫生等6部门参加组成了攻关组，重点对492发动机进行了扭距、热效率和尾气排放等技术进行了较为系统的研究，并且有3辆车参与了路试，各项试验指标均取得了较满意的效果。进入“八五”，由国家科委组织有关大专院校、石油、化工、煤炭、汽车、环境、卫生等8个单位，与德国大众汽车公司合作，共同进行高比例甲醇发动机和汽车的试验研究，先后共有14辆桑塔纳轿车参与了路试，其中有8辆车在北京累计行驶约150万km，并建成甲醇燃料加注站1个，目前仍有3辆甲醇汽车在运行，单车行驶最长里程超过了22万km，运行车辆性能良好。在此期间，还对德国大众公司的灵活燃料发动机进行了全面试验。对于低比例甲醇燃料的开发应用开展得也比较早，四川省从1980年起开始在汽油中加注低比例甲醇燃料，到目前有客车、卡车和小轿车近千辆在使用，实际运营情况良好，未发现重大技术问题。   经过多年的研究开发，我国在甲醇燃料的开发及应用方面已具有了一定基础，在汽油中掺入5、15、25和85的甲醇及用纯甲醇（100）作为汽车燃料的试验研究方面已进行大量实质性工作，特别是低比例掺烧甲醇，汽车无需做任何改动，可直接掺人汽油中使用。 0.4甲醇燃料的应用前景 kpLOu  y h0He?7CXX    甲醇燃料除了具有良好的燃烧性能和环保效果外，更重要的是产品价格以及储运等费用方面也具有竞争优势，因此市场前景看好。9?.b.p1dl!:j5k1y汽车专业技术论坛    随着我国甲醇燃料示范规划的成熟及推广工作的进行，未来甲醇燃料的消费量将显著增加。根据我国汽车工业发展趋势预测，到2008年我国的汽车保有量将突破3000万辆，对汽油的消费需求也将有较大增长，预计在今后5年内汽油消费递增保持在5左右，到 2008年我国汽油消费量将超过5000万t。如果全国40范围内推广M5甲醇汽油，其消费量将达到100万t左右。另外，M85100甲醇汽油发动机及汽车的开发工作也在推进，如果能在部分地区进行示范应用成功，5年后将推广达到2左右的应用范围，其年消费量也将超过100万t。近年来甲醇车用燃料己经引起了广泛的关注，预计到2008年甲醇燃料对甲醇的总消费需求将超过200万t，使甲醇燃料在甲醇总体消费中的比例将超过30%。 车技第一章 几种汽车代用燃料的发展现状及趋势石油资源匮乏和世界环境问题是汽车工业面临的两大难题。2000 年我国进口石油7 000 万t ,预计2005年后将超过一亿吨。而在发达国家中,汽车排放约占大气污染的30 %60 %,已成为城市大气环境恶化的主要污染源之一。因此,各国政府都在积极地进行车用新能源的开发和应用研究。目前,各国汽车代用燃料的技术虽有不同,但目标都是预防石油燃料的枯竭和减少汽车排放对环境的污染。下面介绍几种汽车代用燃料的发展现状及其发展趋势。1.1液化石油气 液化石油气(L PG) 是原油提炼过程中的副产品或天然气在炼制过程中所产生的气体,主要成份是丙烷和丁烷,以液态储存和运输。通过L PG 与90号汽油的性能比较 可以看出,L PG具有较高的辛烷值,抗爆性好,因而可使汽油机具有较高的压缩比;其爆炸极限浓度和低热值较高,使用安全性和经济性较好。如果L PG在汽车上合理应用,可使CO、NO 等有害气体的排放量低于发动机燃用汽油的排放,基本上消除黑烟和颗粒物。LPG 汽车从燃料供给上大致可以分为两类。 第一类是单一的L PG燃料汽车,第二类是L PG汽油双燃料汽车。我国研究较多的是L PG汽油两用燃料系统。目前,L PG作为内燃机燃料在技术上已经比较成熟,只要对原车上的燃料系统加以改装就可以实现。但是,L PG汽车的低污染排放不是无条件的,只有L PG供气装置与发动机进行了最佳匹配的车辆,才能达到较好的低污染排放效果,如果同时采用闭环电控燃料喷射装置和三效催化转化器技术,可实现较高的污染物降低率的目标。我国目前保有量较大的是20 世纪90 年代引进的由汽油化油器发动机改装的第一代两用燃料系统和在汽油电喷车上加装L PG系统,单点供气的第二代两用燃料系统,对电控多点气态喷射和电控多点液态喷射两用燃料系统的引进开发工作正在进行。 一汽大众在“2003 中国·东北国际燃气汽车博览会”上,已经推出了国内首款采用燃气顺序喷射技术的捷达车,其可达到欧洲II 号标准。112 压缩天然气压缩天然气(CN G) 是天然气经20 MPa 的压力压缩形成的,是车用天然气燃料的主要储存方式。CN G的特点是化学性质较稳定,辛烷值高,抗爆性能好;自燃温度为680750 ,远高于汽油的自燃温度(260370 ) ,因此其安全性较好。使用天然气燃料的汽车排气污染显著降低,尾气中HC 下降可达90 %左右,CO 下降可达80 %左右,NOx 下降约为40 %。由于CN G 的理化特性同汽油较为接近,因而在使用时不需要对原发动机做很大变动就可以改成CN G汽油双燃料汽车,但由于系统压力较高,对储气罐及管路阀门等的要求都很高。 我国天然气资源丰富,分布在全国15 个省区的18 个大型气田总蕴藏量在亿万立方米以上。因此我国已经开始了大规模天然气管网的建设,北方开发了陕京天然气管线,中部的“西气东输”工程将在2004 年建成送气。CN G在汽车上使用的主要缺点是储气瓶较重、占用体积大并且与液体燃料相比,天然气体积能量密度低,20 MPa 压力下的CN G燃料仅相当于汽油能量密度的30 % ,因此其充气频繁、续驶里程短。吸附天然气(AN G) 作为未来替代CN G的一项新技术将有广阔的发展前景,它是用多孔吸附剂填充在储存容器中,在中高压(315 MPa 左右) 条件下,利用吸附剂增加天然气的储存密度。但由于技术上的不少难点还有待解决,是目前尚处研究阶段的一种天然气储存方式。1.2甲醇燃料 甲醇的理化特性同汽油较为接近,并且由于甲醇与汽油的相容性好,所以容易实现各种比例的掺烧。一般以低比例5 % 30 %掺烧为多(M5 M30) ,高比例掺烧可达85 %(M85) 。使用甲醇汽油可使尾气中的CO 和HC 的排放量明显降低(根据美国APIRP 研究报告, M85 汽车可使CO 下降13 % ,HC 降低31 %) ,因此目前世界各大汽车厂都在积极研究开发不同方案的甲醇燃料汽车,低比例甲醇汽油已在美国、法国、意大利等国家商品化。M85 的高比例甲醇燃料作为汽车代用燃料被认为是最理想的,德国、美国、加拿大、瑞典、日本都掌握并推广了这种技术。由于甲醇与柴油的理化性质差别较大,与柴油的相容性也较差,因此柴油机掺烧甲醇的研究主要集中在掺烧方式上。目前概括来说有熏蒸法、双燃料系统法和乳化液法三种掺烧方法。采用熏蒸法和双燃料系统法时,汽车和发动机的结构变化较大,所以不易在现使用的柴油车上推广。采用乳化液法时,发动机结构可以不做变动而掺烧甲醇燃料,比较易于推广应用,但目前尚未研究出性能好、价格廉的助溶剂。 甲醇毒性问题一直很受人们的关注,在“七五”期间,我国对“甲醇对人体健康的影响”等课题作了研究。结论是,对接触甲醇燃料人群,只要遵守操作规程,没有发现人体健康有异常。目前关于甲醇毒性问题仍存在较多争论,因此对甲醇的毒性问题仍有必要进行深入研究。1.3 乙醇燃料 车用乙醇汽油是将燃料乙醇与普通汽油按一定比例调配而成的新型汽车燃料。乙醇的辛烷值比汽油高,并且着火燃烧浓度极限范围比汽油宽得多。乙醇分子中含氧,汽油中添加一定比例的乙醇后,不仅能部分替代汽油,还可以改善燃烧,降低有害排放。例如,在汽油中加入10 %的变性燃料乙醇,可使辛烷值提高3 % ,氧含量增加315 %能大大改善汽油的使用性能,使燃烧更彻底,并且不污染环境。 近年来,我国乙醇燃料的研究及应用工作有所加强,在2001 年制定了车用乙醇国家标准并且确立了三个生产燃料乙醇的建设项目,开始推广含10 %乙醇的车用乙醇汽油混合燃料。与甲醇燃料在柴油机上的应用相似,柴油机掺烧乙醇燃料的研究也主要集中在掺烧方式上。现阶段研究的热点是乳化液法,各国正在研究性能较好的助溶剂使乙醇与柴油形成稳定的混合燃料。目前存在的问题是乙醇制取能耗较大、成本较高,约为汽油的两倍,需要在生产技术上寻求突破,降低能耗和成本,这样乙醇燃料会有非常广泛的应用前景。1.4 结论 (1) L PG 和CN G 适用于具有能源资源的局部地区。根据L PG和CN G的特点,把双燃料汽车作为过渡,研究开发单一的燃气汽车是今后发展的方向;发展小型化、高效率的加气设备,并使其成本降低是需要解决的问题。 (2) 甲醇燃料能够真正在全国范围内推广,还要解决对现有汽车发动机不进行大的改动,就可以直接使用中高比例含量的甲醇燃料的问题。另外,甲醇汽油的毒性问题仍有必要进行深入的研究。 (3) 传统的乙醇生产工艺还需要加以改进,以减少能源消耗并对副产品加以综合利用,这样才具有经济上的可行性,使乙醇燃料真正投入使用并形成产业化。第二章 ：直接甲醇燃料电池的研究进展 直接甲醇燃料电池(DMFC) 以其燃料来源丰富、储存方便、结构简单、操作安全、持续供电时间长等优点而日益受到广泛关注,预计将在小型家用电器、笔记本电脑、手机以及军事移动性仪器等领域具有广泛的应用前景。在过去的二十多年里,人们对这种新型电源产生了巨大热情,许多国家均对发展DMFC进行了较大的科技投入。有关DMFC 研究的报道和文献很多,本文对DMFC 的电催化剂、质子交换膜、膜电极集合体、电池结构以及性能等方面的研究进展作如下评述。2 阳极电催化剂2.1金属催化剂 甲醇电催化氧化的研究在20 世纪60 年代就开始进行。铂是最先被用作甲醇等有机小分子电催化氧化反应的催化剂,也是目前最有效的单一金属催化剂 。研究表明,甲醇在Pt 上首先发生吸附,之后解离吸附,生成中间体并在电催化剂的表面吸附,同时给出电子。铂对甲醇的氧化具有较高的催化活性,但其缺点是价格昂贵,在铂电极表面上氧化甲醇所需的超电势(015016 V) 大大超过甲醇的热力学电势(01043V) ,易中毒等。铂系的其它金属,如Au、Ag、Os、Ir、Ru、Rh、Pd 等也表现出了一定的电催化活性。2. 12 铂基二元或多元电催化剂 为了解决单用铂作催化剂的活性仍不高和催化剂中毒等问题,人们对铂基二元或多元金属催化剂进行了广泛研究。经过30 多年大量工作,许多致力研究DMFC 阳极催化剂的学者一致认为合金催化剂中催化活性最高的是Pt2Ru 合金,这种合金催化剂既降低了毒化的程度,又使甲醇的氧化过电位降低约100 mV。 目前多数DMFC 采用PtRu/ C 作为阳极电催化剂,对催化氧化甲醇机理的研究也比较多 。二元合金催化剂对甲醇氧化的电催化活性好的原因还没有定论,但多数人倾向Watanabe 所提出的双功能机理 。辛勤等在单一或混合二元或三元醇的混合溶液为反应体系中制备PtRu 及其它铂基催化剂,既提高了甲醇电催化活性,又降低了成本。PtSn 催化剂是人们关注的另一类催化剂系统,Sn 的主要优点是可以在较低电位下活化水生成OH 物种,这对于需要OHads以氧化COads等毒化物种的甲醇氧化是有利的。通过化学还原方法制得的二元复合催化剂对甲醇的电催化氧化活性Pt2Ru > Pt2Os > Pt2Ag> Pt2Rh 。 在三组分合金催化剂中PtRuW/ C 对甲醇氧化表现出最高的活性 。Pt2Ru2Sn2W 四组分催化剂半电池实验证明,所制备的催化剂活性优于Pt 催化剂 。在Pt 催化剂的基础上研究了多种Pt 基催化剂,如Pt2Cr 、Pt2Sr 在Ti 基体电极上修饰Pt 、Ru ,以及碳载的Pt2TiO2等催化剂,对甲醇的电催化氧化都表现出了比Pt 催化剂高的活性。2.13 其它催化剂 用金属或金属氧化物修饰的铂催化剂存在的问题之一就是表面生成的氧化物导电性低,含稀土元素的钙钛矿型ABO3氧化物导电性能较好,表面富氧,对甲醇及其中间产物的氧化有一定活性。在ABO3氧化物中,A 为Sr 、Ce 、Sm、Pb、La 等,B 为Co 、Pi 、Pd、Ru 等 。过渡金属卟啉类化合物作为CO 电催化氧化的催化剂也有过一些研究,如负载在活性炭上的Rh 、Ir 卟啉化合物在酸性介质中对CO 电催化氧化有很好的活性。从过渡金属络合物作为氧还原催化剂中得到启发,认为金属大环络合物高温热解后,金属仍以较高价态稳定存在的性质会提高Pt 在甲醇氧化中的催化活性12 。实验证明,这类催化剂对于甲醇的催化活性都大于Pt 。 从目前的研究结果来看,由于催化剂的制备方法影响催化剂的表面积、结晶状态和分散度等,因而可以通过改进制备方法来优化催化剂。以PtRu 合金催化剂为例,制备方法可归为两大类,即胶体化学法13 和共沉淀法14 。此外,邢巍等15 已经申请化学还原和溶胶2凝胶法等制备催化剂方法的专利,均能够有效控制催化剂的粒径,获得性能较好的催化剂。2. 2 铂催化剂 对于氧阴极还原催化剂的研究远没有阳极的那样活跃。这主要是因为Pt/ C 是目前DMFC 主要使用的阴极电催化剂,尽管在动力学上氧的还原还是较慢的步骤,以及易于被甲醇所毒化,但因为其催化氧还原的活性和稳定性较高,所以在已有的关于DMFC 性能的报道中,绝大部分使用的阴极催化剂都是Pt/ C。与阳极催化剂的发展相似,最初所采用的阴极催化剂就是Pt 。Chu 等16 研究了CH3OH 对光滑Pt 电极催化O2还原性能的影响,结果表明,CH3OH 浓度越高,对O2还原的影响越大。当CH3OH 浓度为1 mol/ L 时,O2还原的起始电位负移约013 V。由此可见,Pt 是耐甲醇能力很差的DMFC 阴极电催化剂。因此,改善Pt/ C 催化剂的耐甲醇能力将是一个具有一定理论意义和较高实用价值的研究课题。2. 21铂合金催化剂 20 世纪70 年代末,United Technologies Fuel Cell Operation1719 首先研制了二元铂合金催化剂Pt2V、Pt2Cr ,三元铂合金催化剂Pt2Cr2Co 其比活性高于纯Pt 。此后,有关氧阴极铂合金催化剂的研究越来越多,二元合金有Pt2Ti 、Pt2Cr 、Pt2Ru 等。此外,还有Pt 和金属氧化物的复合催化剂(如Pt2WO3) ,三元合金有Pt2Fe2Co 、Pt2Co2Ga 、Pt2Cr2Cu 等。合金中的Pt 粒径一般都比单体Pt 的大,因而其比表面积也相应较低,而对氧还原的电催化活性都不同程度地高于单体Pt 。虽然有关Pt 合金催化剂的研究已有二十多年的历史,但对其催化O2还原活性提高的原因仍不十分清楚。Pt2Pt 原子间距与M OH2ads键(分子O2还原决速步中形成的中间体) 的强度相关,合金会导致晶格收缩,在保持最佳Pt 电子状态的同时,获得最佳的Pt2Pt 间距,实现O2的解离吸附。迄今为止,将Pt 合金用作DMFC 阴极催化剂或研究其耐甲醇性能的报道还很少。将Pt2Co/ C、Pt2Cr/ C、Pt2Ni/ C、Pt2Co2Cr/ C、Pt2Co2Ni/ C 应用于DMFC 的阴极,合金催化剂的活性都高于单独的Pt/ C ,其中Pt2Co/ C 活性最高。通过半电池研究了在H2SO4/ CH3OH 中Pt 和Pt70Ni30催化O2还原的性能,结果表明,Pt70Ni30催化O2还原的活性和耐甲醇能力都显著优于Pt 。汽车上的应用前景分析直接甲醇燃料电池( D i r e c tMethanol Fuel Cell，DMFC)是一种直接以甲醇为燃料，氧或空气为氧化剂，基于质子交换膜（PEM）的燃料电池。DMFC不像间接甲醇燃料电池那样需要进行燃料重整，简化了重整设备，使得其设计和运行简单，燃料转换效率高，可靠性好；此外在相同的功率密度下，DMFC 体积小，成本低；DMFC 还集中了PEM 燃料电池的优点，是燃料电池未来发展的方向。因此，DMFC是一种理想的车用动力电源，具有广阔的发展前景，并且对于燃料电池电动汽车的燃料选择具有重要意义。3 DMFC 的工作原理和特性3.1 DMFC 的工作原理DMFC的膜电极由甲醇阳极、氧阴极和PEM 构成。阳极和阴极分别由多孔结构的催化层和扩散层组成，如图1所示。其中催化层是电化学反应的场所，常用的阳极和阴极电极催化剂分别为Pt-Ru/C 和Pt/C；扩散层起到支撑催化层、收集电流及传导反应物的作用，由具有导电功能的碳纸或碳布组成。DMFC的发电原理可描述为：将甲醇送至阳极后，在催化层发生电氧化反应生成二氧化碳，并释放出氢质子和电子；阳极产生的氢质子穿过PEM迁移至阴极与氧气反应生成水，产生的电子从阳极经外电路经过负载流向阴极形成电流；与此同时，少量的甲醇在扩散和电渗作用下，从阳极渗透导了阴极，部分甲醇又在阴极催化剂层与氧气反应生产二氧化碳和水。甲醇在阳极的氧化反应如下：CH3OH H2O CO2 6H 6e ，V10 0.046V来自空气中的氧在阴极的还原反应为：O2 4H 4e 2H2O，V20 1.23V电池总反应是：CH3OH 3/2 H2 CO2 2H2O ，E V20 V10 1.18V3.12 DMFC 的重要特性与氢燃料电池相比，DMFC具有一个显著的特性，即未反应的甲醇从阳极经过PEM渗透到阴极，并且这种渗透量要比氢气渗过PEM大得多。这种由甲醇渗透导致的结果，就是由于未反应的甲醇直接消耗而导致燃料转换效率的极大损失（这部分甲醇没有产生任何电流密度或功率），同时还增加了电池阴极的极化。通常，我们是在经典电化学框架内的“燃料转换效率”参数下分析燃料的渗透。 这种分析方法普遍应用于氢燃料电池中。然而，将这种方法应用于DMFC时，就掩饰了DMFC 内部的电池电流密度和甲醇“渗透电流密度”（把甲醇渗透表示为等量的甲醇正常反应所产生的电流密度）之间的相互作用关系，同时也就模糊了使电池电流密度相对于甲醇渗透损失变得最优的可能性。一个更直观的方式，就是在一幅综合的极化曲线图中表示出“渗透电流密度”与电池电流密度、电池电压之间的相互关系，如图2所示。根据图中的曲线，我们可以很容易预知Ic变化时DMFC的工作情况。如当Ic减少时，对应的Ix增加，即意味着燃料转换效率下降。当电池电压为0.3V、Ic为0.31A cm-2时，其对应的燃料转换效率大约是90%左右；而在Ic曲线与Ix曲线的交点处（电池电压约为0.6V），其对应的燃料转换效率只有50%；当Ic处于最小（即电池电压最大）时，其对应的燃料转换效率仅有10%左右。显然，后两个燃料转换效率值是让人无法接受的。因此，很多设计者为了减少甲醇渗透损失对燃料转换效率的影响，选择让DMFC 最大可能地工作在最高的电池电流密度下（即“渗透电流密度”最小）。这也就导致了一个传统结论的得出，DMFC仅适合在混合动力汽车上使用，只能作为其中的一个能量源，需要采用另一个动力源来为汽车提供其所需的宽的功率动态变化范围。但现在来说，这种说法是不对的。接下来要讨论的就是，采用一种新的燃料控制策略后，DMFC可以在宽的动态功率范围内同时获得高的燃料转换效率，并且可以不求助于其他动力源。3.2 DMFC 的燃料转换效率和功率密度DMFC 能否成功应用在汽车上，受诸多因素的影响，如燃料转换效率、功率密度、成本、体积、可靠性、耐久性等等。但目前来说，最主要还是取决于燃料转换效率和功率密度2个因素。3.21 燃料转换效率图2所示的曲线是在特定的阳极条件下获得的。当设置不同的阳极条件，如不同的甲醇溶液浓度和流速，渗透电流密度、电池电流密度、电池电压和功率密度都将会随之改变。因此，在阳极每选择一组不同的甲醇溶液浓度和流速值，都将会有一对不同的Ic和Ix曲线与电池电压相对应。所以可以通过动态控制阳极甲醇的供应情况来获得每个功率密度下所对应的一组最优的电流值，从而有可能使甲醇渗透造成的损失减少到最低。更令人惊喜的是，我们还可能为每一个甲醇溶液的浓度值选择一个最优的流速值。这种优化过程的结果如图3所示，采用燃料转换效率与功率密度之间的关系来表示。在首先提出这种方法的文章中，对这种优化过程做了详尽的阐述。3.22 结论：根据这种优化过程，可以得到的关于DMFC 的燃料转换效率的主要结论有：（1）通过同时控制阳极的甲醇溶液浓度和流速，其燃料转换效率都能够在一个给定的功率密度下被最优化。并且这两个相应的浓度值和流速值，对于燃料转换效率以及电池的需求功率大小是特定的。（2）在一定的功率密度下得到的这条最大燃料转换效率曲线，规定了整个燃料消耗范围内的最优燃料转换效率，也规定了对于特定的DMFC 设计所需的甲醇浓度和流速条件。（3）这条最大燃料转换效率曲线也确定了DMFC系统控制策略的基本原理，即在一个宽的动态功率范围内同时使燃料转换效率和功率输出达到最佳。3.3 功率密度 目前DMFC 的技术水平。它表明，DMFC 的功率密度在70230mW/cm2 范围内变化时，其燃料转换效率可以超过30%。而对于作为汽车动力源来说，这样的燃料转换效率和功率密度形式是非常理想的。近来，有人把DMFC汽车与直接氢气燃料电池汽车（DHFC）在系统各方面特性上做了一个全面的比较。其研究结果表明， DMFC汽车能够满足作为一般用途汽车的要求，并能在商业化上成为DHFC汽车潜在的强烈竞争对手。例如，如果DMFC电堆的功率密度能够达到0.35W/cm2，并且其燃料转换效率能达到50%（约等于DHFC 电堆的工作效率），那么DMFC 汽车就能在行驶里程和性能水平上与DHFC 汽车相差无几。另一个促使DMFC更具有市场竞争优势的因素是，它能有效地组装成一个紧凑的且具有高体积功率密度的电堆系统。近来一些小型的电堆制作实验表明，DMFC的功率密度接近或甚至超过DHFC 的功率密度是完全可能的。特别是，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LosAlamos National Laboratory）制作的小型DMFC 电堆，采用的单片电池只有2mm 厚，比目前DHFC 的单片电池要薄得多，从而由这种单电池片构成的小型DMFC 电堆的功率密度比DHFC 更高。例如，在图3 中所示的DMFC 设计基础上，不对DMFC 做任何设计改进，仅采用这种小型单片电池，就可以使设计出来的小型DMFC 电堆的功率密度大约达到1.25kW/L。3.31 甲醇渗透由于PEM 的阻醇性能不好，甲醇能穿过PEM到达阴极，直接与氧发生反应而不产生电流，不但造成燃料浪费，同时也影响了阴极的正常反应，使电池效率下降。目前对甲醇的渗透主要从以下几个方面进行解决：（1）降低甲醇在PEM 中的扩散系数。例如采用薄的钯金属片和Nafion膜压合在一起。由于甲醇在钯膜中的渗透系数几乎为零，所以这种复合膜可有效地降低甲醇的渗透。（2）在原有材料的基础上，改变电极结构使到达膜附近的甲醇浓度尽量小。例如，在PEM的内部开一些小孔，将从阳极扩散过来的甲醇用气体吹扫出去或用电化学的方法氧化掉，从而降低到达阴极的甲醇量。（3）研制新型膜。PBI浸磷酸膜可用作燃料电池电解质膜，也可用于DMFC，在这种膜中水的电迁移数为零，而同样条件下Nafion膜的电迁移数大约为0.62.0。氢离子在PBI浸磷酸膜中传导机理与在Nafion膜中不同，氢离子传导不需要水的存在，结果使甲醇的渗透量大大下降。3.32结论综上所述，未来的几年是DMFC发展的关键几年，如果它能满足燃料转换效率、功率密度、可靠性、耐久性和成本等方面的要求，应用于燃料电池电动汽车是很有希望。作为长期的发展，甲醇也将同时成为世界各国发展电动汽车用燃料电池的首选燃料。当然，DMFC最后在商业化上的成功还取决于很多相关的因素在技术上的同时进步，如催化剂、膜、电极材料以及制作工艺等等。 第四章 总体结论与发展建议 -wV2F!汽车论坛,汽车技术,汽车专业,汽车大学,汽车电子,汽车mZ.M-zZG    甲醇燃料作为新型替代能源，无论是直接使用如甲醇汽油，还是间接使用如甲醇燃料电池，均具有较好的发展前景。对于甲醇燃料的发展，在此提出以下几点建议：    （1）国家有关部门从保障能源安全和整体经济健康快速发展的角度出发，尽快组织制定甲醇燃料及其能源调整工程的计划和实施方案；n.Qffw    （2）制定甲醇燃料产品及使用标准，并选择进展快、技木应用等方面较为成熟的重点地区，开展示范性工作以促进健康有序的发展，以便将来在更大范围推广； （3）加强甲醇燃料的宣传工作，在强化使用操作规程的同时，克服甲醇产品有毒的顾虑；)|Ak"D)hHb汽车专业技术论坛    （4）结合我国富有煤炭资源的国情以及天然气资源情况，因地制宜地选择适合甲醇生产的原料，井且可以充分考虑各种原料适当配合的综合利用方式，以降低甲醇生产成本，提高市场竞争能力；/z'V&y4Mm2Ud    （5）研究部门与生产企业密切协作，在完善混配甲醇燃料和内燃机改造及供配系统的基础上，尽快推