直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究进展

丁鑫，张栋铭，焦纬洲，刘有智

（中北大学超重力化工过程山西省重点实验室，山西 太原 030051）

燃料电池、锂电池、超级电容器均具有清洁、高效、安全、经济的特点，成为具有发展前景的新型能源装置[1-9]。其中燃料电池有更高的能量密度，不受卡诺循环影响，且较锂电池“充电”速度快，引起了众多研究者的关注。

燃料电池主要包括碱性燃料电池（alkaline fuel cells,AFC）、磷酸型燃料电池（phosphoric acid fuel cells, PAFC）、质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cells,PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cells, MCFC）、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cells, SOFC）。直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cells，DMFC）作为一种以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池，由于甲醇的分子结构简单、能量密度高、来源丰富，成为目前广泛研究的燃料电池之一。DMFC 结构如图1 所示，电池由阳极、阴极、离子交换膜组成，电池反应如式（1）～式（6）所示。酸性条件下，CH3OH 在阳极区和H2O反应生成CO2、H+和e-，CO2从阳极出口排出，H+和e-分别通过质子交换膜和外电路转移到阴极区。在阴极区，O2与阳极区转移来的H+和e-发生反应生成H2O，从阴极出口排出。碱性条件下，阳极区的CH3OH 和OH-反应生成H2O、CO2和e-，CO2和H2O 从阳极出口排出，e-通过外电路转移到阴极区。在阴极区，O2和H2O、阳极区转移来的e-反应生成OH-，OH-通过阴离子交换膜转移到阳极继续反应。电池的总反应类似于甲醇的燃烧反应。

图1 直接甲醇燃料电池结构

酸性环境

阳极

阴极

电池总反应

碱性环境

阳极

阴极

电池总反应

理论上，DMFC 的电动势为1.20V 左右，但是在实际使用中电压往往小于理论值，其原因主要是实际反应过程要比反应方程复杂得多。从反应式（1）～式（6）看，每分子甲醇反应转移6 个电子，但是这6个电子并不是同时转移的，反应中间产物吸附在催化剂表面，导致电池效率大大降低；……