鹼性電解質燃料電池指的是鹼性電解質膜直接甲醇燃料電池。由於採用了鹼性體系，陰陽極的電催化性能大幅提高，許多在強酸介質中無法使用的非鉑金屬和氧化物成為可選的催化劑，電滲方向的改變也抑制了甲醇從陽極向陰極的穿透。這些優點使AEMDMFC 有望解決長期困擾質子交換膜直接甲醇燃料電池(PEMDMFC) 的難題，不過 AEMDMFC 陽極區電解質碳酸化所引起的熱力學電壓 Q 損失也是不容忽視的。
基本介紹
- 中文名：鹼性電解質燃料電池
- 外文名：Alkaline electrolyte fuel cell
- 學科：電力工程
- 領域：工程技術
- 範圍：能源
簡介,運行特徵及熱力學電壓損失,鹼性電解質燃料電池動力學上的優勢,鹼性電解質膜直接甲醇燃料電池結論及展望,
簡介
質子交換膜直接甲醇燃料電池(PEMDMFC)發展的主要障礙，是陽極甲醇氧化動力學緩慢和甲醇穿透電解質膜在陰極放電，造成化學短路、大幅降低正極電勢。PEMDMFC 最佳的陽極催化劑為 PtRu 合金，但其活性仍不夠高，新催化劑的研究一直沒有突破性進展；陰極催化劑 Pt 在陰極工作電勢下具有較高的甲醇氧化活性，無法抵禦從陽極穿透過來的甲醇。近年來雖有採用過渡金屬大環配合物、複合金屬氧化物、過渡金屬硫化物等作為抗甲醇陰極催化劑的報導，但這些化合物均無法在強酸介質中穩定工作。DMFC 採用強酸性電解質(如 Nafion) 的優點在於可排除陽極反應產生的 CO2，但強酸介質大大地限制了催化劑的品種，只有耐腐蝕的 Pt 等貴金屬可供選用，這是DMFC 催化劑研究舉步維艱的重要的原因。如果 DMFC 採用鹼性電解質，催化劑的活性可大幅提升，催化劑的選擇範圍也可大大拓寬，但是，鹼性電解質會吸收 CO2 而碳酸化，使電催化性能下降，更嚴重的是陰極會因局部失水析出碳酸鹽而失去憎水性 ,導致電解質泄漏。保持鹼性電解質的優點而避免碳酸鹽析出的方法是採用鹼性聚合物電解質，因為陽離子均固定在聚合物鏈上，液相中不存在游離的鹽。
運行特徵及熱力學電壓損失
AEMDMFC 的工作原理與 PEMDMFC 有很大的不同。AEMDMFC 中載流子為 OH¯，工作時OH-在陰極產生 ,經陰離子交換膜傳至陽極，陽極反應消耗OH-。由於OH-遷移的方向與PEMDMFC中H+的遷移方向完全相反，PEMDMFC 中甲醇分子隨H+向陰極電滲可完全避免，這在很大程度上抑制了甲醇穿透。AEMDMFC工作時為陽極排水，便於水管理。
AEMDMFC 穩定工作時陰陽極之間出現的 pH 差，在熱力學上必然引起電池電壓損失。陽極碳酸化引起的熱力學電壓損失是相當大的，25 ℃時為367 mV，80 ℃時為 307mV。為儘量減小這一熱力學電壓損失，AEMDMFC 的工作溫度應儘可能高。研製出耐高溫、高離子電導率的鹼性聚合物電解質是AEMDMFC 獲得成功的先決條件。
鹼性電解質燃料電池動力學上的優勢
AEMDMFC 雖然在熱力學上存在缺點，但在動力學上卻具有明顯的優勢。鹼性介質中的氧還原動力學遠優於酸性介質中，如在 1 mol/ L KOH 中，Pt 電極上氧還原的電化學極化比在015 mol/LH2SO4中至少小100mV。我們在 Pt/ C 催化劑上也得到相同的結論，另外，Ag、MnO2 等鹼性介質中常用的氧還原催化劑都能抵抗甲醇。這一結果表明：AEMDMFC 可徹底避免甲醇穿透造成的電壓損失，而這一損失在 PEMDMFC中約為100～200 mV。在陽極動力學方面，雖然碳酸化對電催化性能有負面的影響，但研究表明，即便在碳酸鹽/ 碳酸氫鹽介質中，PtRu/ C 催化劑上的甲醇電化學氧化性能仍遠優於其在硫酸中。在具有實用價值的小極化區，碳酸鹽/ 碳酸氫鹽介質中的電化學極化比在硫酸中小約 100 mV。
鹼性電解質膜直接甲醇燃料電池結論及展望
AEMDMFC 熱力學上的電壓損失，基本可以從其陰陽極動力學的優勢和避免甲醇穿透導致的電壓損失等方面獲得彌補。這種優勢與劣勢的抵消須以 AEMDMFC 工作在較高溫度下為前提，這給鹼性電解質膜提出了很高的要求。鹼性聚合物電解質除了必須提高耐溫性，高電導率的要求也是不容易達到的，因為OH-的淌度只有H+的1/4。AEMDMFC在電池伏安特性方面很難超過PEMDMFC。AEMDMFC真正的價值在於拓寬了催化劑的尋找範圍，例如陰極可使用抗甲醇的Ag等非鉑催化劑，陽極也存在採用廉價的Ni基催化劑的可能。高性能強鹼性聚合物電解質的研製上取得了進展 :在改進傳統的季銨型強鹼性聚合物電解質的同時，又發展了一種冠醚螯合型強鹼性聚電解質。鹼性電解質膜在機械性能、熱穩定性等方面優於現有產品(如膜抗拉伸強度大於 20 MPa，聚合物分解溫度大於300 ℃)。
