交联型阴离子交换膜的制备与性能研究(2)
3.4 小结 18
结 论 19
致 谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 燃料电池
随着人类科技的发展，人们逐渐意识到传统的能源使用方式有两大缺点。首先是储存在燃料中的化学能必需先转变成热能，接着才能被转变成为机械能或电能，使得输出效率极低；另外，传统的能源使用方式给人类生活带来极大的污染，例如废水，废气，固体废物和噪声等。因此，人们开始寻求一种转化效率更高的能量利用方法，继而对燃料电池产生了浓厚的兴趣。
燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转化为电能的高效连续发电装置。燃料电池装置不论大小实际发电效率均可达到40％-60％，由于没有输电及输热损失，综合能源效率可以达到80％左右。燃料电池具有以下优点：(1)它能按电化学方式直接将化学能转化为电能，能量的转化不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；(2)燃料电池对环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，二氧化碳的排放量也是极低的；(3)电极不参与反应，无损耗，电池寿命长等[1]。
质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）以质子交换膜为电解质，铂／炭或铂钌／炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
1.2 直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池（Direct methanol fuel cell, DMFC）是在质子交换膜燃料电池基础上发展起来的，它是直接采用甲醇水溶液作为燃料来运行。相对于氢燃料，甲醇做燃料有以下优点：1、甲醇常温常压下为液体，安全可靠，易于储存、运输以及携带；2、甲醇来源广泛，属于生物可再生能源；3、甲醇具有高的比能量和转化效率；4、甲醇的电化学活性好，可直接被氧化为CO2和H2O，排放少、污染小、毒性低。
但是，直接甲醇燃料电池也面临着诸多问题：
（1）DMFC主要采用以Nafion为代表的强酸性电解质膜，其中一个重要原因在于可排除电池阳极区甲醇反应产生的CO2。但是在酸性条件下，可选择的高活性、高稳定性的甲醇氧化催化剂种类较少。目前Pt是最佳的阳极催化剂，但其活性仍不够高，且Pt的价格较高，因此导致DMFC用的催化剂的成本较高，不利于DMFC的商业化。而且甲醇阳极电化学氧化过程中生成类CO中间物，导致电催化剂中毒，使得甲醇的电化学氧化速度降低；
（2）通常使用的质子交换膜的阻醇性能较差，导致燃料甲醇通过浓度扩散和电迁移由膜阳极侧穿过膜迁移至阴极，在阴极与催化剂发生电化学氧化，并与氧的电化学还原构成短路电池，在阴极产生混合电位，而且降低了DMFC的开路电压，降低电池的电流效率；
（3）当采用甲醇水溶液做燃料时，阳极室充满了水，DMFC质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的水饱和状态下。当DMFC工作时，水会通过电渗析从阳极迁移到阴极(每个质子可以传输19个水分子)，同时氧气在阴极还原时又会产生水。这样阴极需要排出远大于电化学反应生成的水，使得阴极侧排水负荷增加，且阴极被水淹的情况严重。
为解决上述问题，学者们研究出采用阴离子交换膜(Anion exchange membrane, AEM)为电解质的碱性直接甲醇燃料电池，在这类燃料电池系统中，O2(空气)和甲醇碱性水溶液被分别送进燃料电池的阴阳两极，发生电催化反应，产生电动势。在阳极区，甲醇被氧化，与从阴极区传递来的OH-发生电化学反应，生成CO2气体、水和电子。在阴极区中的O2(空气)、水和从阳极传递来的电子发生电催化反应，生成OH-。电池总的反应即甲醇和O2反应生成水和CO2。图1为其原理图。
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