CN112436167A - 一种直接式多醚类化合物燃料电池及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接式多醚类化合物燃料电池及系统。所述直接式多醚类化合物燃料电池包括至少一个阳极结构和至少一个阴极结构，所述阳极结构包括阳极基体与阳极催化剂，所述阴极结构包括阴极基体与阴极催化剂；所述直接式多醚类化合物燃料电池能够使多醚类化合物在阳极催化剂的作用下于阳极进行氧化反应生成水与二氧化碳，并释放出电子及质子，且氧气与释放的质子在阴极催化剂的作用下于阴极进行还原反应。本发明以多醚类化合物作为燃料，不经过重整，通过催化剂的和电池结构的设计，制成直接式醚类燃料电池及系统，所述电池及系统安全系数高，化学能‑电能转换能效高。

Description

一种直接式多醚类化合物燃料电池及系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种直接式多醚类化合物燃料电池及系统。
背景技术
燃料电池具有很多优点。它能将燃料的化学能直接转化为电能，中间不经过燃烧，不受卡诺循环的限制，其燃料/电能转换效率可以达到45％～60％，若再将电池排放的废热加以回收利用，则燃料能量的利用率可超过85％，远高于火力发电或核电的效率(约30％～40％)。另外，燃料电池应用非常灵活，集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。燃料电池具有可分散性，可避免使用长距离、高电压的输电网络，使能源系统更可靠、降低被破坏的风险。同时，燃料电池的能量以化学能存储，因此可以将风能、太阳能、水力发电的波谷弃电存储，具有减少能源网络波动性的特点。此外，燃料电池产生的NOx等废气要远低于内燃机直接燃烧排放。
目前直接燃料电池主要有氢燃料电池和甲醇燃料电池。氢燃料电池方面，氢气的存储运输是个大问题。一方面是安全问题，另一方面是氢气压缩钢瓶方式能量密度低，不足以提供车辆单程可跑480～650公里的续航能力，而如果改成低温液态氢方式存储，则有克服不了缺陷：约有1/3的电能必须用来维持槽体的低温，使氢维持于液态，且存在氢的溢出流失。
甲醇燃料电池使用的燃料可以以液态形式存储，具有能量密度相对高，运输、储存方便,充能快等优点，但是，也存在一些目前难以克服的缺点。一方面，甲醇的闪点低，常温下易燃，尤其不适用于大功率场合。另外，甲醇蒸汽压较高，容易挥发至大气，造成燃料损失与大气污染。另一方面，甲醇等小分子存在甲醇渗透的问题，从阳极渗透至阴极，在阴极被氧化，产生混合电位，造成燃料浪费、电池性能衰减等后果。除甲醇外，其它的碳氢化合物燃料需要经过转化器、CO氧化器处理得到纯氢气后才能应用于重整式燃料电池。这些步骤降低了转换能效，所用的设备也增加了固定成本，增加了载荷，增加了设备安装空间，降低了移动使用的便捷性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种直接式多醚类化合物燃料电池及系统，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种直接式多醚类化合物燃料电池，其包括至少一个阳极结构和至少一个阴极结构，所述阳极结构包括阳极基体与阳极催化剂，所述阴极结构包括阴极基体与阴极催化剂；所述直接式多醚类化合物燃料电池能够使多醚类化合物在阳极催化剂的作用下于阳极进行氧化反应生成水与二氧化碳，并释放出电子及质子，且氧气与释放的质子在阴极催化剂的作用下于阴极进行还原反应。
进一步的，所述阳极催化剂包括Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物和/或铂碳催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物，优选为Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物。
进一步的，所述阴极催化剂选自过渡金属基催化剂，优选为Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
本发明中还提供了一种膜电极组件，所述膜电极组件包括质子交换膜和/或电解液以及设置于所述质子交换膜和/或电解液两侧的阳极结构和阴极结构，所述阳极结构包括阳极基体与阳极催化剂，所述阴极结构包括阴极基体与阴极催化剂。
具体的，所述直接式多醚类化合物燃料电池的反应原理如图1所示，其中电池构成如下：多醚类化合物阳极室、阴极室、膜组件以及其他辅助组件。
首先多醚类化合物进入电池的阳极室后，在阳极催化剂的作用下发生醚键断裂与氧化反应，生成水与二氧化碳，并且释放出电子以及质子；释放出的电子通过电路传导到电池的阴极，质子通过交换膜或者电解液或者能实现质子传输功能的其他组件传送到电池阴极；电池的阴极消耗传导过来的电子，在阴极催化剂的作用下催化阴极室内的氧气发生还原反应，并与质子结合，生成水。以此实现了多醚类化合物的化学能到电能的转化。
本发明所述的多醚化合物为：聚合链段长为n＝2-12的聚甲氧基二甲醚DMMn与聚甲氧基二乙醚DEMn或者具有实现类似功能的多醚化合物。
更为具体的，以多醚化合物DMM3为例，直接式多醚类化合物燃料电池中发生反应如下：
(1)阳极
阳极上发生多醚类化合物的氧化反应，以多醚类化合物DMM3为例(结构式：CH3-O-CH2-O-CH2-O-CH2-O-CH2-O-CH3)，反应式如下所示：
CH3-O-CH2-O-CH2-O-CH2-O-CH2-O-CH3+7H2O→6CO2+28H++28e-；
(2)阴极反应式如下所示：
7O2+28H++28e-→14H2O；
总反应如下所示：
CH3-O-CH2-O-CH2-O-CH2-O-CH2-O-CH3+7O2→6CO2+7H2O
从上述反应式可知，1mol的多醚化合物DMM3完全氧化可产生28电子，是甲醇的4.7倍。
本发明实施例还提供了一种用于直接式多醚类化合物燃料电池的阳极催化剂，所述阳极催化剂包括Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物和/或铂碳催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物，优选为Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物；其中，所述阳极催化剂的制备方法包括：将Pt-Ru-Bi催化剂和/或铂碳催化剂、酸性聚合物分散于乙醇和水的混合溶液，之后加入全氟磺酸型聚合物溶液，再经超声处理，制得所述阳极催化剂。
本发明实施例还提供了一种用于多醚类化合物燃料电池的阴极催化剂，所述阴极催化剂选自过渡金属基催化剂，优选为Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂中的任意一种或两种以上的组合；其中，所述阴极催化剂的制备方法包括：将均苯四酸二酐、氯化钴、尿素、氯化铵和钼酸铵混合均匀，并于210～280℃进行原位固态缩聚反应2～48h，获得聚合酞菁钴，之后于保护性气氛中，将所获聚合酞菁钴于600～1000℃热处理1～6h，制得所述阴极催化剂。
本发明实施例还提供了一种直接式多醚类化合物燃料电池系统，其包括：
燃料供给单元，其至少用于提供在直接式多醚类化合物燃料电池阳极发生氧化反应的多醚类化合物；
燃料电池单元，其包括前述的直接式多醚类化合物燃料电池；
以及，气体供给单元，其至少用于提供在直接式多醚类化合物燃料电池阴极发生还原反应的含氧气的气体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明中的燃料电池化学能以液态形式存储，运输、储存方便，不需要高压储罐，不需要低温液化，燃料加注时间短，续航能力强，兼容生物质能、太阳能等可再生能源；
(2)本发明中的燃料电池能量释放过程不需要重整，采用直接式燃料电池，每摩尔燃料释放的电子数远高于氢燃料电池与甲醇燃料电池，无需重整设备，应用于移动场合时便捷性高；
(3)本发明中的燃料电池及系统安全系数高，燃料闪点高、沸点高、蒸汽压低，在特殊场合下，例如高温、撞击、火灾等场合下，安全系数大大提高；
(4)本发明中的燃料电池能量密度高，化学能-电能转换能效高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方案的一种直接式多醚燃料电池原理图；
图2是本发明一典型实施方案的一种直接式多醚类燃料电池堆叠形式示意图；
图3是本发明实施例1中直接式直接式多醚类化合物燃料电池及系统的结构示意图；
图4是本发明实施例6中直接式多醚类化合物燃料电池测试结果图；
图5是本发明实施例15中直接式多醚类化合物燃料电池系统示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一个方面提供了一种直接式多醚类化合物燃料电池，其包括至少一个阳极结构和至少一个阴极结构，所述阳极结构包括阳极基体与阳极催化剂，所述阴极结构包括阴极基体与阴极催化剂；所述直接式多醚类化合物燃料电池能够使多醚类化合物在阳极催化剂的作用下于阳极进行氧化反应生成水与二氧化碳，并释放出电子及质子，且氧气与释放的质子在阴极催化剂的作用下于阴极进行还原反应。
本发明中还提供了一种膜电极组件，所述膜电极组件包括质子交换膜和/或电解液以及设置于所述质子交换膜和/或电解液两侧的阳极结构和阴极结构，所述阳极结构包括阳极基体与阳极催化剂，所述阴极结构包括阴极基体与阴极催化剂。
具体的，所述直接式多醚类化合物燃料电池
其包括至少一个多醚类化合物阳极室、一个阴极室、一个膜组件以及其他辅助组件。具体的过程如下：首先多醚类化合物进入电池的阳极后，在阳极催化剂的作用下发生醚键断裂与氧化反应，生成水与二氧化碳，并且释放出电子以及质子；释放出的电子通过电路传导到电池的阴极，质子通过交换膜传送到电池阴极；电池的阴极消耗传导过来的电子，在阴极催化剂的作用下催化氧气发生还原反应，并与质子结合，生成水，由此实现了多醚类化合物的化学能到电能的转化。
进一步的，所述的多醚化合物为：聚合链段长为n2-12的聚甲氧基二甲醚DMMn与聚甲氧基二乙醚DEMn或者具有实现类似功能的多醚化合物。更为具体地，以多醚化合物DMM5为例，多醚类化合物燃料电池中阳极发生多醚类化合物DMM5的氧化反应，与9分子水反应产生8分子的二氧化碳、36个质子与36个电子；阴极发生氧还原反应，9分子氧气消耗阳极传输过来的36个质子与36个电子，产生18分子水。
总反应如下所示：
DMM5+9O2→8CO2+9H2O；
进一步的，所述多醚类化合物燃料电池包括复数个堆叠设置的膜电极组件(膜组件)。形式上将每一个单电池的正极与另外一个单电池的负极连接，也可以设计成一个单电池的阳极与相邻单电池的阳极共享形式。
进一步的，所述直接式多醚类化合物燃料电池包括复数个堆叠设置的膜电极组件(膜组件)。在实际应用中，燃料电池可以由对个膜电极组件堆叠使用(如图2所示)，以达到更高的输出电压，可以将每一个单电池的正极与另外一个单电池的负极连接，也可以设计成一个单电池的阳极与相邻单电池的阳极共享形式。
在一些较为具体的实施方案中，所述阳极催化剂选自Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物或铂碳催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物中的任意一种，优选为Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物；其中，所述阳极催化剂的制备方法包括：将Pt-Ru-Bi催化剂和/或铂碳催化剂、酸性聚合物分散于乙醇和水的混合溶液，之后加入全氟磺酸型聚合物(Nafion)溶液，再经超声处理，制得所述阳极催化剂。
进一步的，所述Pt-Ru-Bi催化剂的制备方法包括：在保护性气氛下，使包含铂化合物、钌化合物、铋化合物、聚乙二醇和乙二醇的第一混合反应体系于100～160℃反应30～180min，制得Pt-Ru-Bi催化剂，其中，所述铂化合物包括二(乙酰丙酮)铂，所述钌化合物包括乙酰丙酮钌，所述铋化合物包括五水合硝酸铋。
进一步的，所述酸性聚合物催化剂的制备方法包括：使包含乙烯基咪唑、1,3-丙烷磺酸内酯和甲苯的第二混合反应体系于30～110℃反应1～24h，制得乙烯基磺丙基咪唑内盐；
使包含所述乙烯基磺丙基咪唑内盐、烯基咪唑内盐、苯乙烯、对二乙烯苯、引发剂和甲醇的第三混合反应体系于30～110℃反应2～72h，之后停止反应，制得酸性聚合物前驱体，其中，所述引发剂选自偶氮二异丁腈引发剂；
以及，将所述酸性聚合物前驱体与H2SO4溶液混合并于25～90℃反应1～72h，制得酸性聚合物催化剂。在一些较为具体的实施方案中，所述阴极催化剂选自过渡金属基催化剂，优选为Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步的，所述阴极催化剂的制备方法包括：将均苯四酸二酐、氯化钴、尿素、氯化铵和钼酸铵混合均匀，并于210～280℃进行原位固态缩聚反应2～48h，获得聚合酞菁钴，之后于保护性气氛中，将所获聚合酞菁钴于600～1000℃热处理1～6h，制得所述阴极催化剂。
具体的，本发明中所述阳极催化剂可以是含铂的碳基催化剂，例如商用的Pt/C催化剂；也可以是Pt-Ru双金属复合催化剂；也可以是Pt-M复合金属催化剂(M代表其他金属)，提高催化剂活性，降低燃料电池的活化极化。
作为本发明的进一步改进，为了进一步降低成本，可以提高贵金属的分散度，降低贵金属用量。
作为本发明的进一步改进，为了进一步降低成本，阳极催化剂可以是镍基催化剂、富含缺陷的碳材料催化剂。
作为本发明的进一步改进，阳极催化剂中还复合了酸性催化剂；作为本发明的进一步改进酸性催化剂可以是柔性较好的酸性聚合物催化剂；作为本发明的进一步改进，酸性聚合物可以是聚合酸性离子液体、酸性离子交换树脂；作为本发明的进一步改进，聚合酸性离子液体、酸性离子交换树脂制成聚合物膜的形态，或者成膜性较好的前驱溶液。
在一些较为具体的实施方案中，所述阴极催化剂选自过渡金属基催化剂。
进一步的，所述过渡金属基催化剂选自Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步的，所述阴极催化剂的制备方法包括：将均苯四酸二酐、氯化钴、尿素、氯化铵和钼酸铵混合均匀，并于210～280℃进行原位固态缩聚反应2～48h，获得聚合酞菁钴，之后于保护性气氛中，将所获聚合酞菁钴于600～1000℃热处理1～6h，制得所述阴极催化剂。
具体的，本发明中所述阴极催化剂可以是铂碳催化剂，例如采用商用的Pt/C催化剂；或者贵金属分散更好的催化剂；或者其他成本更低的过渡金属Fe、Co、Ni基催化剂。
在一些较为具体的实施方案中，所述多醚类化合物包括聚合链段长为n2-12的聚甲氧基二甲醚DMMn和/或聚合链段长为n2-12聚甲氧基二乙醚DEMn。
在一些较为具体的实施方案中，所述阳极基体包括碳纤维布或碳纤维纸，且不限于此。
进一步的，所述阴极基体包括碳纤维布或碳纤维纸，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述直接式多醚类化合物燃料电池的阳极结构和阴极结构之间还设置有质子交换膜和/或电解液。
进一步的，所述质子交换膜包括磺化聚合物膜。
进一步的，所述质子交换膜包括全氟磺酸离子膜、Nafion-117质子交换膜、无机酸掺杂膜、无机酸复合膜中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
具体的，所述膜电极组件可以使用商用的质子交换膜构建，例如商用的Nafion-117质子交换膜，也可以是其他的磺化聚合物膜；还可以是无机酸掺杂膜、复合膜。
作为本发明的进一步改进，可以对质子交换膜进行增韧提高耐久性，或者对质子交换膜进行减薄降低质子传递的欧姆极化，达到较高的性能。
作为本发明的进一步改进，在某些应用场合，还可将质子交换膜去掉改成无质子交换膜的电池系统，例如以电解液替换质子交换膜。
作为本发明的进一步改进，可以对燃料电池系统做进一步优化，例如降低质子交换膜的燃料渗透性、强化流场、优化进料系统，来降低燃料电池系统的传质极化。
作为本发明的进一步改进，该燃料电池可以放大、缩小或集成为其他多醚类燃料电池系统，用于发电站、微电池、车辆等场合。
在一些较为具体的实施方案中，所述直接式多醚类化合物燃料电池的阳极结构和阴极结构的外侧均还依次设置有扩散组件、流道组件、集电组件、绝缘组件、支撑组件。
进一步的，所述直接式多醚类化合物燃料电池还包括功能组件。
进一步的，所述功能组件包括控温组件。
具体的，所述支撑组件可以是端板，起到结构支撑的作用，端板上还设置了气液进出孔与电池系统紧固件。电堆与端板之间设置了绝缘板，起到绝缘的作用。
具体的，所述扩散组件可以是扩散层，其采用多孔材料制成，例如金属丝网、碳纤维布，或者多孔碳纸，也可以是经过微纳加工(例如光刻、腐蚀)而成的多孔层。
具体的，所述流道组件可以是流道板，其采用石墨板、或者复合石墨板、或者采用金属板加工而成，流道板上通过浇铸、雕刻、冲压出气液流道，从而实现更好的气液分配功能，还可以通过流体力学设计计算，优化流道，气液分配设计尽量避免死区。
具体的，所述集电组件可以是集电板，其采用金属板或石墨板。石墨板脆性不易加工，金属板更优，例如不锈钢板、铜板、钛材板。金属板上面还可以喷涂涂层，例如石墨涂层、石墨烯涂层、金膜、Cr基涂层、高密度聚苯胺涂层。
具体的，所述功能组件可以是功能板，其为了实现特殊功能而设置，例如在功能板上设置电磁阀，可以起到控制流体的作用。可以在功能板上进行加热和冷却控制，实现热管理的作用。当然，多块板也可以进行集成，可以将集电板和功能板集成一块板，也可以将流道板、集电板、功能板三块板集成一整个具有综合功能的组件。
具体的，所述组件之间还可以加上密封圈，组件上还可设置固定孔、定位点、气液进出孔，组件之间通过绝缘固定杆连接，螺母的内表面具有与绝缘固定杆的两端的外螺纹相匹配的内螺纹，螺母与端板之间还设置了受力弹簧，使得整个端板面上受力均匀，使得组件之间的装配简便易操作；紧固螺栓上还添加了指示刻度，使得紧固的力量大小合适恰当，控制各个组件的形变。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种用于直接式多醚类化合物燃料电池的阳极催化剂，所述阳极催化剂包括Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物和/或铂碳催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物，优选为Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物；其中，所述阳极催化剂的制备方法包括：将Pt-Ru-Bi催化剂和/或铂碳催化剂、酸性聚合物分散于乙醇和水的混合溶液，之后加入全氟磺酸型聚合物溶液，再经超声处理，制得所述阳极催化剂。
进一步的，所述Pt-Ru-Bi催化剂的制备方法包括：在保护性气氛下，使包含铂化合物、钌化合物、铋化合物、聚乙二醇和乙二醇的第一混合反应体系于100～160℃反应30～180min，制得Pt-Ru-Bi催化剂，其中，所述铂化合物包括二(乙酰丙酮)铂，所述钌化合物包括乙酰丙酮钌，所述铋化合物包括五水合硝酸铋。
进一步的，所述酸性聚合物催化剂的制备方法包括：使包含乙烯基咪唑、1,3-丙烷磺酸内酯和甲苯的第二混合反应体系于30～110℃反应1～24h，制得乙烯基磺丙基咪唑内盐；
使包含所述乙烯基磺丙基咪唑内盐、烯基咪唑内盐、苯乙烯、对二乙烯苯、引发剂和甲醇的第三混合反应体系于30～110℃反应2～72h，制得酸性聚合物前驱体，其中，所述引发剂选自偶氮二异丁腈引发剂；
以及，将所述酸性聚合物前驱体与H2SO4溶液混合并于25～90℃反应1～72h，制得酸性聚合物催化剂。
作为优选，所述酸性聚合物前驱体与H2SO4溶液混合反应的时间为1～24h。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种用于直接式多醚类化合物燃料电池的阴极催化剂，所述阴极催化剂选自过渡金属基催化剂，优选为Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂中的任意一种或两种以上的组合；其中，所述阴极催化剂的制备方法包括：将均苯四酸二酐、氯化钴、尿素、氯化铵和钼酸铵混合均匀，并于210～280℃进行原位固态缩聚反应2～48h，获得聚合酞菁钴，之后于保护性气氛中，将所获聚合酞菁钴于600～1000℃热处理1～6h，制得所述阴极催化剂。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种直接式多醚类化合物燃料电池系统，其包括：
燃料供给单元，其至少用于提供在直接式多醚类化合物燃料电池阳极发生氧化反应的多醚类化合物；
燃料电池单元，其包括前述的直接式多醚类化合物燃料电池；
以及，气体供给单元，其至少用于提供在直接式多醚类化合物燃料电池阴极发生还原反应的含氧气的气体。
在一些较为具体的实施方案中，所述直接式多醚类化合物燃料电池系统还包括直流-交流逆变装置与变压装置，其至少用于使燃料电池单元产生的电能转化为交流电。
具体的，作为本发明的进一步改进，在某些应用场合，增加直流-交流逆变装置、变压装置，可以将产生的直流电转化成不同电压的交流电。
在一些较为具体的实施方案中，所述直接式多醚类化合物燃料电池系统还包括废气净化单元。
在一些较为具体的实施方案中，所述直接式多醚类化合物燃料电池系统还包括还包括温度控制单元，其至少用以对所述燃料电池单元进行控温。
进一步的，所述系统还包括监测控制单元，其至少用以对燃料电池单元的性能进行监测；
进一步的，所述系统还包括排水单元。
进一步的，所述系统还包括燃料流量控制单元，其至少用以对输入所述燃料电池单元中的多醚类化合物的流量进行控制。
进一步的，所述系统还包括气体流量控制单元，其至少用以对输入所述燃料电池单元中的含氧气得气体的流量进行控制。
进一步的，所述系统还包括控湿单元，其至少用以对所述含氧气的气体进行湿度控制。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
图3是本发明的一典型实施方案，一种直接式直接式多醚类化合物燃料电池及系统，所述直接式多醚类化合物燃料电池包括：多醚膜组件(f)，扩散板(e,g)、流道板(d,h)、集电板(c,i)、功能板(j)、绝缘板(b,r)、端板组成(a,s)。
其中，多醚膜组件由阳极结构、质子交换膜、阴极结构组成。阳极结构由阳极基体与阳极催化剂构成。阳极基体可以是碳纤维布、碳纤维纸等材料，阳极催化剂可以由执行醚键断裂催化材料与执行电催化氧化催化材料两个部分构成。值得注意的是，虽然为了叙述方面，阳极催化剂分两部分介绍，但是两者是紧密联系、相互配合的。例如仅仅有醚键断裂催化材料则无法给出电流；反之，如果没有醚键的断裂，电催化氧化也非常困难。
电催化氧化催化材料可以是铂基催化剂，例如商用的Pt/C催化剂；也可以是包含Pt-Ru双金属的复合催化剂；也可以是包含Pt-M复合金属的催化剂(M代表其他金属)，例如Pt-Bi/C，Pt-Mn/C，Pt-Ce/C催化剂，相对Pt/C催化剂可以有效降低催化剂的失活，提高电池的稳定性。可以提高贵金属的分散度，降低贵金属用量，例如单原子分散的贵金属催化剂，可以有效降低催化剂的成本，可以降到原来的1/3～1/10；阳极催化剂还可以是镍基催化剂、钴基催化剂、富含缺陷的碳材料催化剂。例如经过热处理的聚合酞菁钴催化剂；作为优选，电催化氧化催化材料可以是Pt-Ru-Bi催化剂；
醚键断裂催化剂可以采用酸性聚合物催化剂，例如聚合酸性离子液体、酸性离子交换树脂制成聚合物膜的形态，或者成膜性较好的前驱溶液，将其与电催化氧化剂共同成膜，但醚键断裂催化剂不能是碱或者碱性聚合物膜。值得注意的是，本发明中含醚键断裂催化剂与电催化氧化催化剂需要同时存在才能实施，也就是说只有醚键断裂催化剂则无法实现多醚化合物的电催化氧化，只有电催化氧化催化剂则无法有效断键、产生足够的电流。
举例来说，可以将铂化合物、钌化合物、铋化合物按照摩尔比1:1:0.2比例溶解于乙二醇中，与聚乙二醇的乙二醇溶液在惰性气氛下于100℃、或120℃、或140℃、或160℃或者这些区间内(指由这些数值构成端点的区间，下同)的某个温度下反应30min、或60min、或120min、或150min、或180min或者这些区间内的某个时间段，分离后获得Pt-Ru-Bi粉体，将粉体与酸性聚合物、Nafion等充分分散于醇/水溶液中，制得阳极催化剂的溶液备用，用时可以通过喷涂、延流、热压等方法转移到质子交换膜上。将Pt-Ru-Bi负载在碳材料后在辰华电化学工作站上进行电流-时间曲线测试发现电流与稳定性都是Pt-Ru-Bi/C催化剂>>Pt-Ru/C催化剂>Pt/C催化剂。说明这几种采用的催化剂中，Pt-Ru-Bi催化剂是效果最好的。
上述的铂化合物二(乙酰丙酮)铂、氯化铂、二氨基四氯化铂、三甲基苄基六氯铂(IV)酸铵、(1,5-环辛二烯)二甲基铂、六溴铂酸铵，优选为二(乙酰丙酮)铂；钌化合物包括乙酰丙酮钌、羰基钌、氯化钌，优选为乙酰丙酮钌；所述铋化合物包括硝酸铋、氯化铋、铋酸钠、硫酸铋、柠檬酸铋、枸橼酸铋铵、2-乙基己酸铋，优选为硝酸铋。
酸性聚合物制备过程举例如下：将乙烯基咪唑溶解于甲苯、或二甲苯、或环己烷溶剂中，将1,3-丙烷磺酸内酯(CAS号：1120-71-4)按照摩尔比为0.8:1、或1:1、或1:1.2或者这些区间内的某个比例加入到上述溶剂中，在30℃、或50℃、或70℃、或90℃、或110℃或这些区间内的某个温度下反应24h、或8h、或6h、或4h、或1h、或这些区间内的某时长后冷却，旋蒸后得到的固体经过进一步精制后得到乙烯基磺丙基咪唑内盐。
将苯乙烯(CAS号：100-42-5)以NaOH洗涤三次，再以去离子水清洗，取上层油相，然后干燥后减压蒸馏得到处理过的苯乙烯。将磺丙基乙烯基咪唑内盐、处理过的苯乙烯与二乙烯苯按照一定的比例加入到溶剂中，溶剂为甲醇、或二甲基亚砜或、N-甲基吡咯烷酮、或者混合溶剂。磺丙基乙烯基咪唑内盐与苯乙烯比例为或10:1、或5:1、或1:5、或1:10、或1:20、或者这些区间的范围内某个值，二乙烯苯与磺丙基乙烯基咪唑内盐的比例为0.1:1、或0.01:1、或0.001:1、或0.0001:1、或这些区间内的某个比例。将该混合体系超声充分溶解后，加热到30℃、或50℃、或70℃、或90℃、或110℃、或这些区间内的某个温度下加入偶氮二异丁腈引发剂(CAS号：78-67-1)后反应72h、或48h、或24h、或12h、或2h、或这些区间内的某个时长。反应后冷却分离得到酸性聚合物前驱体。然后将酸性聚合物前驱体加入到浓度为0.01、或0.1、或1、或10mol/L(M)、或者这些区间内的某个浓度的H2SO4溶液中在温度为25℃、或50℃、或75℃、或90℃、或这些区间内的某个温度下充分反应72h、或48h、或24h、或1h或这些区间内的某个时长，得到酸性聚合物。
本发明中所述阴极催化剂可以是铂碳催化剂，例如采用商用的Pt/C催化剂；或者贵金属分散更好的催化剂；或者其他成本更低的过渡金属Fe、Co、Ni基催化剂；
举例来说，可以将均苯四酸二酐、氯化钴、尿素、氯化铵和钼酸铵一起研磨均匀。然后将混合物转移至马弗炉中，在210℃、或230℃、或250℃、或280℃、或者这些区间内的某个温度值下加热3h、或6h、或12h、或24h、或12h、或48h、或者这些区间内的某个时间段，以完成原位固态缩聚反应。冷却至室温后，以稀盐酸、水、乙醇洗去多余的组分，并在液氮冷却下进行冷冻干燥，获得表面含有大量羧基的聚合酞菁钴，将该材料在氩气气氛下，从室温以10℃/min速度升温到600℃、或800℃、或900℃、或1000℃、或者这些区间内的某个温度值热处理1h、或2h、或3h、或4h、或5h、或6h、或者这些区间内的某个时间段，得到阴极催化剂粉末，然后将其与Nafion溶液共同分散于体积比为1:1的乙醇、水溶液中，用于在碳纸上涂渍备用。
经在辰华(CHI)电化学工作站上测试，该阴极催化剂具有良好的氧气电催化还原能力，同时对从阳极经过膜渗透到阴极的燃料分子氧化能力较弱，也就减少了因为混合电位引起的电池性能下降，也提高了阴极的稳定性。
质子交换膜为磺化聚合物膜，较优地，可以采用全氟磺酸离子膜，例如商用的Nafion交换膜，也可以是其他的磺化聚合物膜；还可以是无机酸掺杂膜、复合膜。为了降低质子传递的欧姆极化，可以采用更薄的质子交换膜，例如7-20微米厚度的质子交换膜，达到较高的性能。为了改善膜的耐久性与疏水性，可以加入适量的聚四氟乙烯(PTFE)。
扩散层采用多孔材料制成，例如金属丝网、碳纤维布，或者多孔碳纸，也可以是经过微纳加工(例如光刻、腐蚀)而成的多孔层。
流道板采用石墨板、或者复合石墨板、或者采用金属板加工而成，流道板上通过浇铸、雕刻、冲压出气液流道，从而实现更好的气液分配功能。还可以通过流体力学设计计算，优化流道，气液分配设计尽量避免死区。
集电板为金属板或石墨板。石墨板脆性不易加工，金属板更优，例如不锈钢板、铜板、钛材板。金属板上面还可以喷涂涂层，例如石墨涂层、石墨烯涂层、金膜、Cr基涂层、高密度聚苯胺涂层。
功能板为了实现特殊功能而设置，例如，i,k两块集电板之间的j板，例如在功能板上设置电磁阀，可以起到控制流体的作用。可以在功能板上进行加热和冷却控制，实现热管理的作用。当然，多块板也可以进行集成，例如图3中的i,，j，k三块板也可以集成成一块板，更简洁地，可以将h，l两块流道板与i,，j，k三块板集成成一整个具有综合功能的组件。例如将i金属板按照特定设计冲压出具有沟槽流道，然后与另一块同样冲压出流道金属板与安装有电磁阀与控温系统的功能板焊接。
端板起到结构支撑作用，端板上还设置了气液进出孔与电池系统紧固件。电堆与端板之间设置了绝缘板，起到绝缘的作用。
组件之间还可以加上密封圈，组件上还可设置固定孔、定位点、气液进出孔，组件之间通过绝缘固定杆连接，绝缘固定杆的两端分别与端板a的螺母和端板s的螺母连接，螺母的内表面具有与绝缘固定杆的两端的外螺纹相匹配的内螺纹。螺母与端板之间还设置了受力弹簧，使得整个端板面上受力均匀，使得组件之间的装配简便易操作；紧固螺栓上还添加了指示刻度，使得紧固的力量大小合适恰当，控制各个组件的形变。
上述直接式多醚类化合物燃料电池与供气、供燃料、温度控制等辅助单元组成直接式多醚类化合物燃料电池系统，可以适应于不同的场合。例如在发电站等大型装置的场合可以采用强化换热、尾气吸收、循环物料等方式，而在微电池应用场合，可以采用集成的自吸式、自然冷却的设计方式。
实施例2阳极催化剂制备
将二(乙酰丙酮)铂(CAS号：15170-57-7)，乙酰丙酮钌(CAS号:14284-93-6)，五水合硝酸铋(CAS号为10035-06-0)按照摩尔比1:1:0.2比例溶解于乙二醇中，铂离子与钌离子浓度为0.015mol/L，铋离子浓度为0.003mol/L，记为A液，置于惰性气氛下保存；
将聚乙二醇(CAS号：25322-68-3)按照1.5％的质量分数溶解于乙二醇中，剧烈搅拌1h后混合均匀，脱气后置于惰性气氛下保存，记为B液；
取10份B液在氮气下加热到100℃，快速搅拌下加入1份A液，并在100℃下维持反应1h，并最终升温到150℃维持10min后中止反应，冷却后室温，离心分离得到黑色固体粉末，以乙醇清洗后得到Pt-Ru-Bi粉体，置于惰性气氛下保存，记为C。
将乙烯基咪唑(CAS号：1072-63-5)溶解于甲苯溶剂中，将1,3-丙烷磺酸内酯(CAS号：1120-71-4)按照摩尔比为1:1加入到上述溶剂中，在50℃下反应8h后冷却，旋蒸后得到的固体经过进一步精制后得到乙烯基磺丙基咪唑内盐。
将苯乙烯(CAS号：100-42-5)以10wt％的NaOH溶液洗涤三次，再以去离子水清洗，取上层油相，然后以无水硫酸镁干燥后减压蒸馏得到处理过的苯乙烯。将磺丙基乙烯基咪唑内盐、处理过的苯乙烯与对二乙烯苯(CAS号：105-06-6)按照1:5:0.008比例加入到甲醇中，超声充分溶解后，加热到80℃后加入偶氮二异丁腈引发剂(CAS号：78-67-1)后反应12h。停止反应后冷却分离得到酸性聚合物前驱体D。将酸性聚合物前驱体D加入到浓度为2M的H2SO4甲醇溶液中充分反应12h，得到酸性聚合物E。
将Pt-Ru-Bi粉体C、酸性聚合物E分散于乙醇、水混合溶液中，加入5％Nafion溶液，充分超声均匀后得到阳极催化剂的前驱溶液，备用。可将前驱溶液负载于导电的碳载体上晾干后制成阳极催化剂。例如，将其负载Vulcan XC-72碳载体上制成阳极催化剂。
经测试，除了活性更好之外，该阳极催化剂比同等Pt含量的商用铂碳催化剂具有更好的抗毒化能力。
实施例3阳极催化剂制备
将商业购买的Pt/C催化剂(20wt％Pt含量)与实施例2中酸性聚合物E分散于体积比为1:1的乙醇、水溶液中，加入5％wt的Nafion溶液，充分超声均匀后得到阳极催化剂的分散液，备用；使用时涂覆于阳极导电表面晾干。
实施例4阴极催化剂制备
将均苯四酸二酐(1.25g)、CoCl2(0.5g)、尿素(2.5g)、NH4Cl(0.6g)和(NH4)2Mo2O7(0.01g)一起研磨均匀。然后将混合物转移至马弗炉中，在260℃下加热3h，以完成原位固态缩聚反应，冷却至室温后，以稀盐酸、水、乙醇洗去多余的组分，并在液氮冷却下进行冷冻干燥，获得表面含有大量羧基的聚合酞菁钴(AcPPc)，将该材料在氩气气氛(20mL/min)下，从室温以10℃/min速度升温到800℃热处理2h，得到阴极催化剂粉末，记为AcPPc-H。将粉末AcPPc-H与Nafion溶液分散于体积比为1:1的乙醇与水的溶液中，得到AcPPc-H分散液备用；将上述AcPPc-H分散液滴到直径为3mm的玻璃碳电极表面自然晾干，用于电化学测试。
性能表征：通过电化学测试，发现AcPPc-H在酸碱条件下都有很好的稳定性，一方面该高聚物在酸碱水溶液中的溶解度很小(不溶解)，避免了分子催化剂稳定性不好的问题，另一方面由于酞菁环对金属的强络合作用，金属也能被锚定，避免了非贵金属作为电催化剂在酸碱溶液中易于流失的问题；
经ORR(氧还原反应)与FOR(燃料氧化反应)测试，该阴极催化剂具有良好的氧气电催化还原能力，而且，对从阳极经过膜渗透到阴极的燃料分子无电催化氧化能力(峰电流<0.5mA/cm2)，也就减少了因为混合电位引起的电池性能下降，也提高了阴极的稳定性。
实施例5阴极催化剂制备
将商业购买的Pt/C催化剂(40wt％Pt含量)与Nafion溶液分散于体积比为1:1的乙醇与水的混合溶液中，充分超声均匀后得到阴极催化剂的分散液，将该分散液滴到直径为3mm的玻璃碳电极表面自然晾干，用于电化学测试。
性能表征：经ORR(氧还原反应)与FOR(燃料氧化反应)测试，该阴极催化剂虽然也具有良好的氧气电催化还原能力，但同时对从阳极经过膜渗透到阴极的燃料分子也具有电催化氧化能力(峰电流10mA/cm2)，也因此产生了混合电位，导致浓差极化现象，经过电流-时间i-t曲线稳定性测试，由于燃料氧化产生了部分中间产物，峰电流值下降明显。
实施例6单电极测试
取实施例2中制备的Pt-Ru-Bi负载在Vulcan XC-72碳载体上，制成Pt-Ru-Bi/C(其中Pt含量为20wt％)，将Pt-Ru-Bi/C与酸性聚合物E按质量比5:1分散于体积比为1:1的125μL乙醇与125μL水的混合溶液中，加入6μL的5wt％的Nafion溶液，超声分散60min，分散均匀后得到阳极催化剂的分散液，将该分散液滴到直径为3mm的玻璃碳电极表面自然晾干，以辰华CHI电化学工作站，采用三电极系统，在0.5mol/L的H2SO4+0.5mol/L的DMM3-5溶液中进行电化学循环伏安测试，以饱和甘汞电极作为参比电极，为了防止贵金属的影响以石墨电极而不是铂电极作为对电极。结果发现0.05～1.2V范围内，正向扫描时在0.66V，1.2V处有两个氧化峰，0.64V位置的峰电流为25mA/cm2，负向扫描也有一个氧化峰0.35V，峰电流为29mA/cm2。电池测试结果图如图4所示。
实施例7单电极测试
取商业购买的20wt％Pt/C催化剂(庄信万丰)与实施例2中酸性聚合物E，按照按质量比5:1分散于体积比为1:1的125μL乙醇与125μL水的混合溶液中，加入6μL的5wt％Nafion溶液，超声分散60min，分散均匀后得到阳极催化剂的浆液，将该分散液滴到直径为3mm的玻璃碳电极表面自然晾干，以辰华CHI电化学工作站，采用三电极系统，在0.5mol/L H2SO4+0.5mol/L DMM3-5溶液中进行电化学循环伏安测试，以饱和甘汞电极作为参比电极，为了防止贵金属的影响以石墨电极而不是铂电极作为对电极。结果发现0.05～1.2V范围内，正向扫描时在0.66V,1.2V处有两个氧化峰，0.66V位置的峰电流为16mA/cm2，负向扫描也有一个氧化峰0.35V，峰电流为18mA/cm2。
实施例6与实施例7的结果表明，尽管两个Pt基与Pt-Ru-Bi基的催化剂对于多醚化合物都有活性；但是，Pt-Ru-Bi基的催化剂活性明显要更好。
实施例8单电极测试
取实施例2中制备的Pt-Ru-Bi负载在Vulcan XC-72碳载体上，制成Pt-Ru-Bi/C(其中Pt含量为30wt％)，将Pt-Ru-Bi/C与酸性聚合物E按质量比6:1分散于体积比为1:1的125μL乙醇与125μL水混合溶液中，加入6μL的5wt％Nafion溶液，超声分散30min，分散均匀后得到阳极催化剂的分散液，将该分散液滴到直径为3mm的玻璃碳电极表面自然晾干，以辰华CHI电化学工作站，采用三电极系统，在0.5mol/L的H2SO4+0.5mol/L的DMM2-8溶液中进行电化学循环伏安测试，以饱和甘汞电极作为参比电极，以石墨电极作为对电极。结果发现0.05～1.2V范围内，正向扫描时在0.66V，1.2V处有两个氧化峰，0.66V位置的峰电流为32mA/cm2，负向扫描也有一个氧化峰0.35V。峰电流为38mA/cm2。
实施例9单电极测试
取实施例7中的催化剂，按照实施例7中方法测试，将燃料溶液换成0.5mol/LH2SO4+0.5mol/L甲醇溶液，结果发现0.05～1.2V范围内，正向扫描时在0.57V，1.2V处有两个氧化峰，0.57V位置的峰电流为7.4mA/cm2，负向扫描时在0.39V也有一个氧化峰，峰电流为3.7mA/cm2。
实施例10单电极测试
取实施例7中的催化剂，按照实施例7中方法制好工作电极，以辰华CHI电化学工作站，采用三电极系统，在1mol/L KOH+0.5mol/L甲醇溶液中进行电化学循环伏安测试，以饱和甘汞电极作为参比电极，以石墨电极作为对电极。结果发现-0.9～0.2V范围内，正向扫描时在-0.08V处有氧化峰，峰电流为35mA/cm2，负向扫描也有一个氧化峰-0.23V，峰电流为14mA/cm2。
实施例11单电极测试
取实施例7中的催化剂，按照实施例7中方法制好工作电极，以辰华CHI电化学工作站，采用三电极系统，在1mol/L KOH+0.5mol/L DMM3-5溶液中进行电化学循环伏安测试，以饱和甘汞电极作为参比电极，以石墨电极作为对电极。结果发现-0.9～0.2V范围内，没有发现明显的氧化峰(没有发现峰电流0.5mA/cm2以上的峰)，电催化氧化过程难以进行。
实施例12单电极测试
将实施例2制备的Pt-Ru-Bi负载在多壁碳纳米管载体上，制成Pt-Ru-Bi/C(其中Pt含量为20％)，将Pt-Ru-Bi/C与酸性聚合物E按质量比5:1分散于体积比为1:1的125uL乙醇、125uL水混合溶液中，加入6uL的5％Nafion溶液，超声分散60min，分散均匀后得到阳极催化剂的浆液，取催化剂浆液滴到直径为3mm的玻璃碳电极表面自然晾干。以辰华CHI电化学工作站，采用三电极系统，在0.5mol/L的H2SO4+0.5mol/L的DEM2-8溶液中进行电化学循环伏安测试，以饱和甘汞电极作为参比电极，结果发现0.05～1.2V范围内，正向扫描峰电流可以达到37mA/cm2，负向扫描峰电流为46mA/cm2。
实施例13单电极测试
将实施例2制备的Pt-Ru-Bi负载在石墨烯载体上，制成Pt-Ru-Bi/C(其中Pt含量为20％)，将Pt-Ru-Bi/C与酸性聚合物E按质量比5:1分散于体积比为1:1的125uL乙醇、125uL水混合溶液中，加入6uL的5％Nafion溶液，超声分散60min，分散均匀后得到阳极催化剂的浆液，取催化剂浆液滴到直径为3mm的玻璃碳电极表面自然晾干。以辰华CHI电化学工作站，采用三电极系统，在1mol/L的H2SO4+0.5mol/L的DMM2-12溶液中进行电化学循环伏安测试，以饱和甘汞电极作为参比电极，结果发现0.05～1.2V范围内，正向扫描峰电流可以达到38mA/cm2，负向扫描峰电流为45mA/cm2。
实施例14膜电极组件(MEA)制备
将实施例2中的50mg Pt-Ru-Bi与3mg酸性聚合物E，分散于体积比为1:1:0.2的乙醇、水、乙二醇混合溶液中，加入适量的Nafion溶液，超声分散均匀，将其涂布在4cm2导电碳布上，得到阳极结构；
将实施例4中50mg AcPPc-H粉末分散于体积比为1:1:0.2的乙醇、水、乙二醇混合溶液中，加入适量的Nafion溶液，超声分散均匀，将其涂布在4cm2导电碳布上晾干。取100uLPTFE与100uL异丙醇、300uL乙醇共同超声分散，将其喷涂在上述已经涂布催化剂的导电碳布上，60℃烘干，得到阴极结构；
将全氟磺酸树脂膜(nafion-117)在4wt％的过氧化氢水溶液中80℃浸泡处理，然后取出以去离子水洗涤后，放入0.5mol/L的稀硫酸中80℃浸泡处理，然后取出后以去离子水洗净后备用。
将阳极碳布、全氟磺酸树脂膜、阴极碳布依次放置，然后在150℃、8MPa压力下热压大约1min成型，冷却后制备出膜电极组件MEA，其他催化剂也可以参照上述方法制成含不同催化剂的膜电极组件。
实施例15
参照实施例1，将不锈钢金属端板、铜集电板、蛇形流道石墨材质的流道板、碳布材质的扩散板、实施例14中的膜电极组件MEA，碳布材质的扩散板、蛇形流道石墨材质的流道板，铜集电板、聚四氟乙烯绝缘板、不锈钢金属端板，经过预紧、密封、紧固、酸溶液预活化、封装测试后组成一个燃料电池单元。从燃料罐(燃料供给单元)中以泵抽取DMM3-5燃料，以一定的流速与燃料电池单元的阳极接触，以泵和流量计(气体流量控制单元)控制空气的流入速率，并经过控湿装置(控湿单元)后进入燃料电池单元与阴极接触，此外为了控温、除水等问题还有温度控制单元、排水单元(如图5所示)。
实施例16可燃性测试
模拟火舌引燃的情况：常温下，将装有DMM3-5的燃料罐打开，置于大气环境下，以丁烷气体打火机，对准瓶口点燃15s，未发现着火。模拟火星引燃的情况：擦亮一根木梗火柴，等待3s完全燃烧时，从储罐瓶口自然坠落至燃料罐内，发现燃料未着火，火柴熄灭。模拟弹片情况：用钳子夹持缝衣针在火焰中烧红，从燃料罐口坠入，未发现燃料被点燃。同样，DMM3-5改成DMM3-8，进行测试，结果同样未发现燃烧。将装有甲醇燃料罐打开(以下为危险操作！注意！)，置于大气环境下，不管是丁烷气体打火机、火柴或者烧红铁棒均能够迅速点燃(接触火焰后<1s)。经闪点仪测试，DMM3、DMM4、DMM5的闪点分别为53℃、88℃、115℃，DMM5以上的组分闪点则大于120℃，而甲醇闪点只有11℃。
实施例17挥发性测试
将甲醇的燃料电池储罐敞口，在常温常压下放置，储罐中甲醇一晚上(12h)后100mL挥发掉约1/4；将存有DMM3-5的燃料储罐敞口在常温常压下放置，一晚上(12h)后100mL基本无挥发(小于1mL)；将存有DMM4的燃料储罐敞口在常温常压下放置，一晚上(12h)后100mL基本无挥发(小于1mL)。经饱和蒸气压测试，DMM3、DMM4、DMM5的饱和蒸气压为0.4kPa、0.035kPa、0.003kPa而，甲醇常温下蒸汽压为16.8kPa，饱和蒸气压相差几个数量级，也显著影响挥发性。
实施例18能量密度测试
经过氧弹燃烧法测试，DMM3-5完全燃烧后的热量为22kJ/mL，一个50L大小的油箱的燃料的总能量为1100MJ(也就是263兆卡，3.1×105Wh)；如果是充装是甲醇的话，50L的总能量为880MJ(也就是210兆卡，2.4×105Wh)。相比目前的锂离子电池，如果要达到同样的总能量1100MJ，需要2391～1527kg，按照(0.46～0.72MJ/kg计算)，例如磷酸铁锂电池需要1.9吨重的电池(按照165Wh/kg，0.59MJ/kg计算)，而且充放能的速率远远不及DMM3-5液体燃料。普通铅酸电池则达到同等总能量1100MJ，需要7.8吨重的电池(按照40Wh/kg，0.14MJ/kg计算)。此外铅酸电池还存在电池废弃/回收处理的问题。
从以上实施例可以看出，多醚类化合物燃料电池与甲醇燃料电池遵循不一样的机理，甲醇燃料电池在酸性条件下0.5mol/LH2SO4中可以顺利被氧化产生可观的峰电流(实施例9)，在碱性条件下1mol/L KOH中(实施例10)也可以顺利被氧化，峰电流值甚至比酸性条件下还要高一些；而多醚类化合物燃料电池不同，在碱性条件下(实施例11)，催化剂的酸性在碱性条件下被破坏，难以进行电氧化反应，释放出能量。此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种直接式多醚类化合物燃料电池，其特征在于包括至少一个阳极结构和至少一个阴极结构，所述阳极结构包括阳极基体与阳极催化剂，所述阴极结构包括阴极基体与阴极催化剂；
所述直接式多醚类化合物燃料电池能够使多醚类化合物在阳极催化剂的作用下于阳极进行氧化反应生成水与二氧化碳，并释放出电子及质子，且氧气与释放的质子在阴极催化剂的作用下于阴极进行还原反应。
2.根据权利要求1所述的直接式多醚类化合物燃料电池，其特征在于：所述阳极催化剂包括Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物和/或铂碳催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物，优选为Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物；其中，所述阳极催化剂的制备方法包括：将Pt-Ru-Bi催化剂和/或铂碳催化剂、酸性聚合物分散于乙醇和水的混合溶液，之后加入全氟磺酸型聚合物溶液，再经超声处理，制得所述阳极催化剂；
优选的，所述Pt-Ru-Bi催化剂的制备方法包括：在保护性气氛下，使包含铂化合物、钌化合物、铋化合物、聚乙二醇和乙二醇的第一混合反应体系于100～160℃反应30～180min，制得Pt-Ru-Bi催化剂，其中，所述铂化合物包括二(乙酰丙酮)铂，所述钌化合物包括乙酰丙酮钌，所述铋化合物包括五水合硝酸铋；
优选的，所述酸性聚合物催化剂的制备方法包括：使包含乙烯基咪唑、1,3-丙烷磺酸内酯和甲苯的第二混合反应体系于30～110℃反应1～24h，制得乙烯基磺丙基咪唑内盐；
使包含所述乙烯基磺丙基咪唑内盐、烯基咪唑内盐、苯乙烯、对二乙烯苯、引发剂和甲醇的第三混合反应体系于30～110℃反应2～72h，制得酸性聚合物前驱体，其中，所述引发剂选自偶氮二异丁腈引发剂；
以及，将所述酸性聚合物前驱体与H2SO4溶液混合并于25～90℃反应1～72h，制得酸性聚合物催化剂。
3.根据权利要求1所述的直接式多醚类化合物燃料电池，其特征在于：所述阴极催化剂选自过渡金属基催化剂；
优选的，所述过渡金属基催化剂选自Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂中的任意一种或两种以上的组合；
优选的，所述阴极催化剂的制备方法包括：将均苯四酸二酐、氯化钴、尿素、氯化铵和钼酸铵混合均匀，并于210～280℃进行原位固态缩聚反应2～48h，获得聚合酞菁钴，之后于保护性气氛中，将所获聚合酞菁钴于600～1000℃热处理1～6h，制得所述阴极催化剂。
4.根据权利要求1所述的直接式多醚类化合物燃料电池，其特征在于，所述多醚类化合物包括聚合链段长为n2-12的聚甲氧基二甲醚DMMn和/或聚合链段长为n2-12聚甲氧基二乙醚DEMn；
和/或，所述阳极基体包括碳纤维布和/或碳纤维纸；
和/或，所述阴极基体包括碳纤维布和/或碳纤维纸；
和/或，所述直接式多醚类化合物燃料电池的阳极结构和阴极结构之间还设置有质子交换膜和/或电解液；优选的，所述质子交换膜包括磺化聚合物膜；优选的，所述质子交换膜包括全氟磺酸离子膜、Nafion-117质子交换膜、无机酸掺杂膜、无机酸复合膜中的任意一种或两种以上的组合；
和/或，所述直接式多醚类化合物燃料电池的阳极结构和阴极结构的外侧均还依次设置有扩散组件、流道组件、集电组件、绝缘组件、支撑组件；
和/或，所述直接式多醚类化合物燃料电池包括复数个堆叠设置的阳极结构和阴极结构；
和/或，所述直接式多醚类化合物燃料电池还包括功能组件；优选的，所述功能组件包括控温组件。
5.一种用于直接式多醚类化合物燃料电池的阳极催化剂，其特征在于，所述阳极催化剂包括Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物和/或铂碳催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物，优选为Pt-Ru-Bi催化剂与酸性聚合物催化剂的复合物；其中，所述阳极催化剂的制备方法包括：将Pt-Ru-Bi催化剂和/或铂碳催化剂、酸性聚合物分散于乙醇和水的混合溶液，之后加入全氟磺酸型聚合物溶液，再经超声处理，制得所述阳极催化剂；
优选的，所述Pt-Ru-Bi催化剂的制备方法包括：在保护性气氛下，使包含铂化合物、钌化合物、铋化合物、聚乙二醇和乙二醇的第一混合反应体系于100～160℃反应30～180min，制得Pt-Ru-Bi催化剂，其中，所述铂化合物包括二(乙酰丙酮)铂，所述钌化合物包括乙酰丙酮钌，所述铋化合物包括五水合硝酸铋；
优选的，所述酸性聚合物催化剂的制备方法包括：使包含乙烯基咪唑、1,3-丙烷磺酸内酯和甲苯的第二混合反应体系于30～110℃反应1～24h，制得乙烯基磺丙基咪唑内盐；
使包含所述乙烯基磺丙基咪唑内盐、烯基咪唑内盐、苯乙烯、对二乙烯苯、引发剂和甲醇的第三混合反应体系于30～110℃反应2～72h，制得酸性聚合物前驱体，其中，所述引发剂选自偶氮二异丁腈引发剂；
以及，将所述酸性聚合物前驱体与H2SO4溶液混合并于25～90℃反应1～72h，制得酸性聚合物催化剂。
6.一种用于直接式多醚类化合物燃料电池的阴极催化剂，其特征在于：所述阴极催化剂选自过渡金属基催化剂，优选为Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂中的任意一种或两种以上的组合；其中，所述阴极催化剂的制备方法包括：将均苯四酸二酐、氯化钴、尿素、氯化铵和钼酸铵混合均匀，并于210～280℃进行原位固态缩聚反应2～48h，获得聚合酞菁钴，之后于保护性气氛中，将所获聚合酞菁钴于600～1000℃热处理1～6h，制得所述阴极催化剂。
7.一种直接式多醚类化合物燃料电池系统，其特征在于包括：
燃料供给单元，其至少用于提供在直接式多醚类化合物燃料电池阳极发生氧化反应的多醚类化合物；
燃料电池单元，其包括权利要求1-6中任一项所述的直接式多醚类化合物燃料电池；
以及，气体供给单元，其至少用于提供在直接式多醚类化合物燃料电池阴极发生还原反应的含氧气的气体。
8.根据权利要求7所述的直接式多醚类化合物燃料电池系统，其特征在于还包括直流-交流逆变装置与变压装置，其至少用于使燃料电池单元产生的电能转化为交流电。
9.根据权利要求7所述的直接式多醚类化合物燃料电池系统，其特征在于还包括废气净化单元。
10.根据权利要求7所述的直接式多醚类化合物燃料电池系统，其特征在于还包括温度控制单元，其至少用以对所述燃料电池单元进行控温；
和/或，所述系统还包括监测控制单元，其至少用以对燃料电池单元的性能进行监测；
和/或，所述系统还包括排水单元；
和/或，所述系统还包括燃料流量控制单元，其至少用以对输入所述燃料电池单元中的多醚类化合物的流量进行控制；
和/或，所述系统还包括气体流量控制单元，其至少用以对输入所述燃料电池单元中的含氧气得气体的流量进行控制；
和/或，所述系统还包括控湿单元，其至少用以对所述含氧气的气体进行湿度控制。
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