甲醇燃料电池结构

燃料电池的核心组件主要是由阳极、阴极和电解质膜组成，而电极又由扩散层和催化层组成，每部分作用如下：

（1） 催化层 催化层是发生电化学反应的场所，约占膜电极成本的 54%，而膜电极约占整个燃料电池成本的 84%。因此，如何降低催化剂的载量，制备低成本高性能高活性的燃料电池催化剂是至关重要的。同时，发明的喷涂方法，使催化层的催化剂载量由4mg/cm²降到约 0.014mg/cm²，更好的缓解因为催化剂的价格制约质子交换膜燃料电池的发展。

（2） 扩散层 扩散层作为电子导电的良导体，其主要作用是保证反应物能均匀到达催化层参加电化学反应。质子交换膜燃料电池的扩散层主要是碳纸或碳布。碳纸使用前要进行憎水化处理并且使用碳粉对其进行整平。

（3） 电解质膜 电解质膜的性能将直接影响到电池的内阻以及电池的开路电压，在选用电解质膜时，一般要求电解质膜具有比较好的机械强度和耐温性能、高的化学稳定性、高的离子电导率。

DMFC的基本原理如图1所示：从阳极通入的甲醇在催化剂的作用下解离为质子，并释放出电子，质子通过质子交换膜传输至阴极，与阴极的氧气结合生成水。在此过程中产生的电子通过外电路到达阴极，形成传输电流并带动负载。与普通的化学电池不同的是，燃料电池不是一个能量存储装置，而是一个能量转换装置，理论上只要不断地向其提供燃料，它就可向外电路负载连续输出电能

直接甲醇燃料电池的工作原理如下：

阳极：CH₃OH H₂O =CO₂ 6H 6e^-

阴极：1.5O₂ 6H 6e^- = 3H₂O

总电极反应：CH₃OH 1.5O₂ =CO₂ 2H₂O

甲醇燃料电池甲醇氧化

甲醇氧化涉及6电子转移，过程复杂缓慢。现场红外光谱检测发现甲醇在Pt电极上氧化的主要产物有CO、COH、HCOH及H₂COH₈。为了提高阳极反应的速率，必须深入研究甲醇氧化机理，尤其是甲醇氧化过程中的速度控制步骤。相关的研究较多，一般认为按双途径进行。认为其氧化过程分为两个基本步骤：

①甲醇吸附至催化剂表面并逐步脱氢形成含碳中间产物。

②解离水产生含氧物种，与含碳中间产物反应，并释放出CO₂。

由于Pt在酸性介质中对甲醇具有较好的吸附能力，且具有较好的氧化活性及稳定性，甲醇氧化机理研究一般在Pt基催化剂PtM（M=Pt，Ru，Sn，Mo）表面进行，主要包括如下步骤：

CH₃OH Pt（s）→Pt-CH₂OH H e^-

Pt-CH₂OH Pt（s）→Pt₂-CHOH H e^-

Pt₂-CHOH Pt（s）→Pt₃-COH H e^-

Pt₃-COH Pt（s）→Pt-CO 2Pt（s） H e^-

M（s） H₂O→M-OH H e^-

Pt-CO M-OH→PtM CO2 H e^-

甲醇燃料电池氧还原

DMFC阴极发生氧还原反应（ Oxygen Reduction Reaction，ORR），由于Pt及其合金催化剂对氧还原的催化活性较高，因此是应用最普遍的阴极催化剂。氧气在Pt电极上的还原反应涉及多个电子的转移，可能包括多个基元反应。 Worblowa等提出可能的氧还原过程为：

Pt O₂→Pt-O₂

Pt-O₂ H e^-→Pt-HO₂

Pt-HO₂ Pt→Pt-OH Pt-O

Pt-OH Pt-O 3H 3e^-→2Pt 2H₂O