碳化细菌纤维素负载铂用于直接甲醇燃料电池高性能电极催化剂的制备及其机理(3)
图1.1 燃料电池工作原理示意图
1.2.2 燃料电池的特点
与传统电池相比，燃料电池的特点如下：
（1）高效能
在燃料电池操作时，燃料和氧化剂是从外部供给来反应。在理论上，只要持续将原料输入，即可不停地发电。此外，燃料的化学氧化可没有燃料，没有移动部件，因此燃料电池不受卡诺循环效率的影响[6]。理论上燃料电池的能量效率为100%，但通常在40~60%之间，如果废热被捕获加以回收利用，其联产效率可高达85~90%。
（2）稳定性好
燃料电池具有很强的过负载能力，不管是否达到额定负荷的运行环境，均有较高的发电效率，且内含的机械部件较少，给供电提供更高的稳定性[7]。
（3）燃料多样性
燃料电池的燃料包含如CH3OH、C2H5OH、天然气等常规燃料，还有如煤渣、城市垃圾等传统发电厂不用的低质燃料。由此可见，燃料电池不仅成本低廉，甚至可以通过重整处理城市垃圾得以解决环境问题[4]。
（4）应用广泛
燃料电池商业主要用于工业初级和备用电源、化学反应器及移动设备电源，包括汽车、公共汽车、飞机、轮船、摩托车和潜艇等动力燃料电池汽车。此外，燃料电池可作军事应用下至海底发电厂，上至天空卫星[6]。
1.3 直接甲醇燃料电池
虽然有几种不同类型的燃料电池中，直接甲醇燃料电池提供了最有前途的替代便携式电源应用，因为它是一个低温装置，对环境不是产生有毒无害物质，其燃料是低廉便携的。而且，鉴于氢能在储存、制备与输送等技术上仍存在很大问题，深深滞后于燃料电池的兴盛，间接成为影响燃料电池市场化的主要因素。因此，大量的研究精力集中在小型化和提高效率的直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell, DMFC) ，这是种可以直接使用甲醇为燃料，不经过重整的燃料电池。
在众多的液体有机燃料中，甲醇价格低廉，它可以用天然气或可持续性物质通过农产品发酵及从生物质中获得，摆脱了对化石、石油等燃料的依赖。甲醇不易燃，爆炸危险性低，安全性较好。与乙醇相比，甲醇在电化学氧化过程具有高选择性生成CO2的显著优势[8-10]。与氢气相比，虽然甲醇的电化学活性差，可是它通常是液体燃料，运输储存较为容易。此外，甲醇具有高理论能量转化效率、低污染物排放及低运行温度的特点吸引了相当多的关注[11-13]。
DMFC在阳极通过甲醇氧化的催化剂层形成CO2，水参与反应被消耗，阴极发生氧的电化学还原得到水，H+运输到质子交换膜在阴极与氧反应形成水。通过外部电路传到阴极，电子向所连接的设备供电。
然而，尽管DMFC有诸多实际优点，但仍存在一些问题[14, 15]：
（1）成本高，现在燃料电池催化剂采用的主要是贵金属纳米铂，由于其具备优秀的电子传导能力、催化活性和耐腐蚀特性，是首选材料。但是其产量稀有，造价高，导致燃料电池的代价一直高高不降。
（2）阳极催化剂的活性不高、铂聚集多、容易丧失活性。铂的聚集多，每单位质量暴露在外的活性位点减少，然后降低了电化学的活性表面积，电池电压下降，间接造成电极使用寿命与阳极催化剂活性的降低。铂的聚集多还会使得制得的Pt/C催化剂中铂粒子的平均粒径增大且造成分散性差。
（3）电极传热传质性能差。电化学反应的发生伴随着热量的散发，如果这些热量不能及时的分散出去，在电池内部就会造成能量的集聚，从而存在较大的安全隐患；电极传质性能不好，会使得燃料与氧化剂不能及时的送入电极内部，电池就不能持续的工作向外输出电流，与此同时，反应后的物质也不能及时转移出电池，长期会使得电池内部积累大量废物，影响电池的长期稳定性。
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