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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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