[科普中国]-碱性电解质燃料电池

碱性电解质燃料电池指的是碱性电解质膜直接甲醇燃料电池。由于采用了碱性体系，阴阳极的电催化性能大幅提高，许多在强酸介质中无法使用的非铂金属和氧化物成为可选的催化剂，电渗方向的改变也抑制了甲醇从阳极向阴极的穿透。这些优点使AEMDMFC 有望解决长期困扰质子交换膜直接甲醇燃料电池(PEMDMFC) 的难题，不过 AEMDMFC 阳极区电解质碳酸化所引起的热力学电压 Q 损失也是不容忽视的。

简介质子交换膜直接甲醇燃料电池(PEMDMFC)发展的主要障碍，是阳极甲醇氧化动力学缓慢和甲醇穿透电解质膜在阴极放电，造成化学短路、大幅降低正极电势。PEMDMFC 最佳的阳极催化剂为 PtRu 合金，但其活性仍不够高，新催化剂的研究一直没有突破性进展；阴极催化剂 Pt 在阴极工作电势下具有较高的甲醇氧化活性，无法抵御从阳极穿透过来的甲醇。近年来虽有采用过渡金属大环配合物、复合金属氧化物、过渡金属硫化物等作为抗甲醇阴极催化剂的报道，但这些化合物均无法在强酸介质中稳定工作。DMFC 采用强酸性电解质(如 Nafion) 的优点在于可排除阳极反应产生的 CO2，但强酸介质大大地限制了催化剂的品种，只有耐腐蚀的 Pt 等贵金属可供选用，这是DMFC 催化剂研究举步维艰的重要的原因。如果 DMFC 采用碱性电解质，催化剂的活性可大幅提升，催化剂的选择范围也可大大拓宽，但是，碱性电解质会吸收 CO2 而碳酸化，使电催化性能下降，更严重的是阴极会因局部失水析出碳酸盐而失去憎水性 ,导致电解质泄漏。保持碱性电解质的优点而避免碳酸盐析出的方法是采用碱性聚合物电解质，因为阳离子均固定在聚合物链上，液相中不存在游离的盐。

运行特征及热力学电压损失AEMDMFC 的工作原理与 PEMDMFC 有很大的不同。AEMDMFC 中载流子为 OH¯，工作时OH-在阴极产生 ,经阴离子交换膜传至阳极，阳极反应消耗OH-。由于OH-迁移的方向与PEMDMFC中H+的迁移方向完全相反，PEMDMFC 中甲醇分子随H+向阴极电渗可完全避免，这在很大程度上抑制了甲醇穿透。AEMDMFC工作时为阳极排水，便于水管理。

AEMDMFC 稳定工作时阴阳极之间出现的 pH 差，在热力学上必然引起电池电压损失。阳极碳酸化引起的热力学电压损失是相当大的，25 ℃时为367 mV，80 ℃时为 307mV。为尽量减小这一热力学电压损失，AEMDMFC 的工作温度应尽可能高。研制出耐高温、高离子电导率的碱性聚合物电解质是AEMDMFC 获得成功的先决条件。

碱性电解质燃料电池动力学上的优势AEMDMFC 虽然在热力学上存在缺点，但在动力学上却具有明显的优势。碱性介质中的氧还原动力学远优于酸性介质中，如在 1 mol/ L KOH 中，Pt 电极上氧还原的电化学极化比在015 mol/LH2SO4中至少小100mV。我们在 Pt/ C 催化剂上也得到相同的结论，另外，Ag、MnO2 等碱性介质中常用的氧还原催化剂都能抵抗甲醇。这一结果表明：AEMDMFC 可彻底避免甲醇穿透造成的电压损失，而这一损失在 PEMDMFC中约为100～200 mV。在阳极动力学方面，虽然碳酸化对电催化性能有负面的影响，但研究表明，即便在碳酸盐/ 碳酸氢盐介质中，PtRu/ C 催化剂上的甲醇电化学氧化性能仍远优于其在硫酸中。在具有实用价值的小极化区，碳酸盐/ 碳酸氢盐介质中的电化学极化比在硫酸中小约 100 mV。

碱性电解质膜直接甲醇燃料电池结论及展望AEMDMFC 热力学上的电压损失，基本可以从其阴阳极动力学的优势和避免甲醇穿透导致的电压损失等方面获得弥补。这种优势与劣势的抵消须以 AEMDMFC 工作在较高温度下为前提，这给碱性电解质膜提出了很高的要求。碱性聚合物电解质除了必须提高耐温性，高电导率的要求也是不容易达到的，因为OH-的淌度只有H+的1/4。AEMDMFC在电池伏安特性方面很难超过PEMDMFC。AEMDMFC真正的价值在于拓宽了催化剂的寻找范围，例如阴极可使用抗甲醇的Ag等非铂催化剂，阳极也存在采用廉价的Ni基催化剂的可能。高性能强碱性聚合物电解质的研制上取得了进展 :在改进传统的季铵型强碱性聚合物电解质的同时，又发展了一种冠醚螯合型强碱性聚电解质。碱性电解质膜在机械性能、热稳定性等方面优于现有产品(如膜抗拉伸强度大于 20 MPa，聚合物分解温度大于300 ℃)1。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学