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1、! 卷 （ #$% 年 ） 期物 理 学 与 新 能 源 材 料 专 题直 接 甲 醇 燃 料 电 池!汪 国 雄 ! ! 孙 公 权&! ! 辛 ! 勤 ! ! 衣 宝 廉（ 中 国 科 学 院 大 连 化 学 物 理 研 究 所 ! 大 连 ! ($#）摘 ! 要 ! ! 文 章 简 要 介 绍 了 直 接 甲 醇 燃 料 电 池 （ )*+,） 的 主 要 特 点 、 工 作 原 理 、 应 用 前 景 、 技 术 状 态 及 其 商 业 化 面临 的 挑 战 - 开 发 能 够 提 高 甲 醇 氧 化 和 氧 还 原 动 力 学 速 率 的 低 成 本 电 催 化 剂 ， 制 备 具
2、有 高 质 子 电 导 率 、 低 甲 醇 渗 透 率的 电 解 质 膜 ， 实 现 高 性 能 、 长 寿 命 的 电 极 、 膜 电 极 制 备 技 术 以 及 系 统 集 成 技 术 的 突 破 对 )*+, 商 业 化 至 关 重 要 -关 键 词 ! ! 直 接 甲 醇 燃 料 电 池 （ )*+,） ， 电 催 化 剂 ， 膜 电 极 （ *./） ， 系 统 集 成!#$%& $&()*+, -.$, %$,/0/12 234567489! ! :;1 248951 =45A7=8（ !#$% &%($()(* +, -.*/$0# 1.2$0， -.$%* 304*/2 +,
3、50$*%0*， !#$%6 ($#， -.$%）01/&#)%&2 2 BCD EC=F=EGDF7HG7EH， IF78E7IJD， IF4HIDEG7KD =IIJ7E=G748H =8L E4MMDFE7=J EC=JJD89DH 4N L7FDEG MDGC5=84J N3DJ EDJJH（ )*+,H） =FD OF7DNJP FDK7DQDL- BCD E3FFD8G GDEC84J497E=J HG=G3H =8L E4MMDFE7=J7R=G748 EC=JJD859DH =FD IFDHD8GDL- BCD LDKDJ4IMD8G 4N J4Q5E4HG DJDEGF4E=
4、G=JPHGH G4 78EFD=HD GCD F=GD 4N MDGC=84J 4S7L=G748 =8L4SP9D8 FDL3EG748， 8DQ I4JPMDF DJDEGF4JPGD MDMOF=8DH Q7GC C79C 7487E E48L3EG7K7GP =8L J4Q MDGC=84J EF4HH54KDF，GCD N=OF7E=G748 4N MDMOF=8D =8L DJDEGF4LD =HHDMOJ7DH Q7GC C79C IDFN4FM=8ED， =8L = OFD=TGCF439C 78 HPHGDM 78GD59F=G748 =FD EF3E7=J G4 GCD
5、E4MMDFE7=J7R=G748 4N )*+,H-3$4 5+#6/2 2 L7FDEG MDGC=84J N3DJ EDJJ， DJDEGF4E=G=JPHGH， MDMOF=8D =8L DJDEGF4LD =HHDMOJP， HPHGDM 78GD9F=5G748! 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （ 批 准 号 ： #$/UV$%$） 资 助 项 目 ；国 家 自 然 科 学 基 金 （ 批 准 号 ： #$V$($） 资 助 项 目 ； 中 国 科 学 院知 识 创 新 工 程 领 域 前 沿 项 目 （ 批 准 号 ： W#$)， W#$)#）#$ X$ X$ 收
6、到 初 稿 ， #$ X# X( 修 回&! 通 讯 联 系 人 - .5M=7J： 9YH38Z L7EI- =E- E8! 引 言直 接 甲 醇 燃 料 电 池 （ )*+,） 是 将 燃 料 （ 甲 醇 ） 和氧 化 剂 （ 氧 气 或 空 气 ） 的 化 学 能 直 接 转 化 为 电 能 的一 种 发 电 装 置 - )*+, 研 究 始 于 #$ 世 纪 ($ 年 代 ，:CDJJ， .SS48 以 及 7G=EC7 等 公 司 在 该 领 域 做 了 大 量工 作 - #$ 世 纪 $ 年 代 初 ， 由 于 全 氟 磺 酸 膜 （ 1=5N748!） 的 成 功 应 用 ， 电
7、 极 性 能 大 幅 度 提 高 ， )*+, 的研 究 与 开 发 引 起 了 许 多 发 达 国 家 的 关 注 - 美 国 喷 气推 进 实 验 室 （ A） 、 A4H /J=M4H 国 家 实 验 室（ A/1A） 、 西 部 保 留 地 大 学 （ ,0_;） 等 单 位 在 电 催化 剂 、 电 解 质 膜 和 膜 电 极 （ *./） 、 电 池 系 统 等 方 面的 研 究 取 得 了 可 喜 成 就 - #$ 年 U 月 ， 美 国 陆 军 研究 室 （ /_A） 组 织 了 由 # 个 单 位 参 加 的 技 术 合 作 联盟 ， 重 点 开 发 单 兵 作 战 武 器
8、电 源 的 )*+,- #$# 年 月 ， *B *7FE4 +3DJ ,DJJH 公 司 展 示 了 空 气 自 呼 吸 （ =7FX OFD=GC789） 式 用 于 )/、 手 机 电 源 的 )*+, 样 机 -#$ 年 # 月 ， 美 国 总 统 布 什 试 用 该 样 机 进 行 了 长 时间 通 话 - 在 )*+, 作 为 笔 记 本 电 脑 电 源 的 研 制 方面 ， 日 本 1., 公 司 于 #$ 年 月 披 露 了 总 重 约$9、 燃 料 容 量 为 $ MJ 的 样 机 ， 连 续 工 作 U 小 时 ，最 大 输 出 功 率 达 #% 0， 输 出 电 压 为
9、# a， 声 称 电 池789物 理的 性 能 为 全 球 最 高 ， 产 品 期 望 在 !# 年 商 业 化 $ 此外 ， !% 年 & 月 ， 德 国 ()*+ ,-./ 0./（ ,0） 公 司 推出 了 世 界 上 第 一 个 面 向 终 端 用 户 的 12,0 独 立 系统 ,0 3!4， 使 用 !$ 4 5 甲 醇 燃 料 可 在 全 功 率 下 工作 6 & 小 时 $ 此 外 ， 许 多 国 际 著 名 公 司 加 入 了12,0 研 发 的 行 列 ， 如 美 国 的 78+./， 29+9*9/)， :)/3.*9;88+.=?， A9B.*， CD8.* E/.=+
10、*9=?.(D=)/;+.(;， 日 本 的 D+)=?D， F9;?DG)， 98， 韩 国 的 )(H;-8I 等 等 ， 这 无 疑 将 大 大 加 速 12,0 的 商 业 化 进程 $ 国 内 12,0 的 研 究 始 于 ! 世 纪 J 年 代 初 ， 目 前有 ! 余 个 单 位 先 后 开 展 了 12,0 研 究 工 作 ， 并 取 得了 长 足 进 展 ， 但 总 体 水 平 与 国 外 先 进 水 平 相 比 仍 有一 定 差 距 $12,0 技 术 之 所 以 成 为 国 际 上 研 究 与 开 发 的 热点 ， 主 要 在 于 其 广 阔 的 应 用 前 景 $ 从
11、技 术 层 面 上 讲 ，12,0 的 研 究 和 开 发 目 前 依 然 面 临 着 以 下 挑 战 ： 即常 温 下 燃 料 甲 醇 的 电 催 化 氧 化 速 率 较 慢 ， 贵 金 属 电催 化 剂 易 被 0K 类 中 间 产 物 毒 化 ， 电 流 密 度 较 低 ； 电池 工 作 时 甲 醇 和 水 从 阳 极 至 阴 极 的 渗 透 率 较 高 ， 致使 电 池 性 能 下 降 ， 水 热 管 理 复 杂 ， 使 用 寿 命 尚 不 理想 $!L 工 作 原 理直 接 甲 醇 燃 料 电 池 的 工 作 原 理 如 图 M 所 示 !：图 ML 直 接 甲 醇 燃 料 电 池
12、工 作 原 理阳 极 ： 0%K N !K#0K!N ONN O.P阴 极 ： %Q!K!N ONN O.P#%!K总 反 应 ： 0%K N %Q! K!#0K!N !K甲 醇 水 溶 液 进 入 阳 极 催 化 层 中 ， 在 电 催 化 剂 的作 用 下 发 生 电 化 学 氧 化 ， 产 生 电 子 、 质 子 和 0K!$ 其中 电 子 通 过 外 电 路 传 递 到 阴 极 ， 0K!从 阳 极 出 口 排出 ， 质 子 通 过 电 解 质 膜 迁 移 至 阴 极 ； 在 阴 极 区 ， 氧 气在 电 催 化 剂 的 作 用 下 ， 与 从 阳 极 迁 移 过 来 的 质 子 发生
13、 电 化 学 还 原 反 应 生 成 水 ， 产 物 水 从 阴 极 出 口 排 出 $电 池 总 反 应 的 产 物 是 0K!和 水 $ 在 标 准 状 态 下 ， 该电 池 的 理 论 开 路 电 压 为 M$ M&R， 但 在 实 际 工 作 中 电池 电 压 远 远 小 于 此 值 $12,0 具 有 许 多 优 点 ， 如 燃 料 资 源 丰 富 ， 成 本 低廉 ， 存 储 携 带 方 便 ； 与 氢 Q 氧 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池（ AE2,0） 相 比 ， 12,0 不 存 在 氢 气 的 制 备 、 储 存 、 运输 以 及 安 全 等 问 题 ； 工 作 时
14、燃 料 直 接 进 料 ， 无 需 外 重整 处 理 ； 结 构 简 单 ， 响 应 时 间 短 ， 操 作 方 便 ； 与 常 规 的二 次 电 池 相 比 ， 12,0 的 理 论 比 能 量 密 度 高 ， 约 为OS?Q TI， 而 镍 镉 电 池 约 为 #S?Q TI， 镍 氢 电 池 约为 MS?Q TI， 锂 离 子 电 池 约 为 OS?Q TI；12,0 的 研 究 与 开 发 目 前 主 要 集 中 在 高 效 电 催化 剂 、 阻 醇 电 解 质 膜 等 关 键 材 料 和 新 型 电 极 、 膜 电 极（ 2E3） 的 制 备 以 及 系 统 集 成 等 核 心 技
15、术 方 面 $%L 关 键 材 料 与 核 心 技 术!$ # 电 催 化 剂电 催 化 剂 是 12,0 的 关 键 材 料 之 一 ， 直 接 影 响阳 极 甲 醇 氧 化 和 阴 极 氧 还 原 速 率 ， 电 池 的 工 作 性 能和 使 用 寿 命 等 $鉴 于 甲 醇 电 化 学 氧 化 速 率 较 慢 和 电 催 化 剂 易 被甲 醇 氧 化 所 产 生 的 0K 等 中 间 体 毒 化 等 问 题 ， 加 入某 些 助 剂 有 利 于 提 高 甲 醇 电 催 化 氧 化 活 性 $ A+U- 是目 前 研 究 最 广 泛 的 阳 极 电 催 化 剂 体 系 ， 也 是 被 英
16、国V9?8;98 2)+?. 公 司 认 为 性 能 最 好 的 催 化 剂 体系 %， 多 组 元 体 系 也 得 到 了 一 定 的 研 究 #$由 于 甲 醇 从 阳 极 至 阴 极 的 渗 透 率 较 高 ， 阴 极 的混 合 电 位 效 应 致 使 电 池 的 性 能 与 稳 定 性 受 到 严 重 影响 $ 阴 极 电 催 化 剂 的 研 究 除 了 要 考 虑 催 化 活 性 以 外 ，还 要 考 虑 耐 甲 醇 能 力 $ 一 般 认 为 ， 当 A+ 粒 子 直 径 在!$4 %$8( 时 ， 催 化 剂 对 氧 电 化 学 还 原 反 应 活 性 较高 4， 但 是 抗 甲 醇 能 力 较 差 $ 较 为 有 效 的 方 法 是 研制 A+ 基 双 组 元 或 多 组 元 催 化 剂 O J
