燃料电池与蓄电池的区别
新能源电动车是最近十分火热的一个概念，其中以特斯拉和比亚迪的电动汽车最为出名，只是目前大部分的电动车可以非常简单地认为是小时候玩的四驱车的放大版，其中的电池主要起到储能的作用，这也是燃料电池与普通电池的本质区别，燃料电池是一个能量转换装置，而蓄电池是一种能量储存装置，举两个最简单的例子，氢燃料电池和铅锌蓄电池，前者在催化剂下将将氢气和氧气（燃料）在不燃烧的情况下把化学能变为电能，后者将不是燃料的物质（锌）中的化学能通过氧化还原反应转化为电能。
燃料电池的模型
由图1可知，燃料电池的基本工作原理就是将燃料中的化学能通过电化学氧化还原反应直接转变为电能，转化效率可以达到50%-60%，高于目前内燃机的能量转化效率（一般在30%左右）。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是众多燃料电池中的一种，其能量转换效率高达90%，在常温下（100℃以下）工作。以下是PEMFC的结构模型
图2是PEMFC电堆中的一个单电池结构，包含催化层（途中紫色和绿色的颗粒部分）、质子交换膜、多孔气体扩散层、双极板、PTFE 密封垫圈等关键部分，其中质子交换膜及阴阳两极催化层形成的三合一夹层结构组成了膜电极结构[1]。
PEMFC的催化层一般使用碳负载贵金属 Pt作为主要成分，这种结构既可以保证催化效率，又可以确保气体在催化层内顺利流通。但是这有很大的弊端，首先就是Pt金属太过昂贵，按照8月27日的价格来计算，1kgPt要大概20万人民币，而且由于Pt自身对CO的吸附能极大，尽管H2中的CO只有10-1000ppm，Pt催化剂都会优先与CO结合，并且挤占H2的活性位点，导致催化剂中毒，使得PEMFC只能使用纯化的氢气（~1kg13-16美元），而不是便宜的重整氢气（~1kg1.5美元）[2]。因此，设计耐CO毒化的催化材料和降低或替代Pt金属是目前以H2作为燃料源的PEMFC（即氢燃料电池）的主要研究方向。
拓展话题：
1. 设计高效低负载量Pt催化剂的研究进展和策略
2. 设计耐CO毒害的研究进展和策略
PEMFC的种类和工作原理
根据燃料的来源和种类，可以将PEMFC分为氢燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、直接甲酸燃料电池等四类。它们的特点如下表所示：
PEMFC的工作原理本质上是一个原电池反应，因此也需要一分为二，从阳极和阴极两个角度看：
阳极：包含氢氧化反应（HOR）以及含碳小分子（如甲醇、乙醇、甲酸等）的氧化等[3]。在阳极侧，氢气氧化为H+和e-，
阴极：包含氧还原反应（ORR）。阳极产生的电子从外电路迁移至阴极，H+在内部电场的作用通过质子膜，在阴极区域中和O2、电子发生还原反应生成H2O。
以上只是最简单的电化学反应，在酸性条件下，氢燃料电池阳极的 HOR 在 Pt 表面的催化过程十分迅速。研究表明，其交换电流密度在 1 A/cm2 以上，是阴极 ORR 的 3 个数量级以上[3]。另一方面，催化反应中产生的某些中间体会导致催化剂中毒，设计多金属催化剂可以在催化剂表面增加多种催化活性位点，从而选择性地提高目标催化路径的占比，遏制毒性中间体的产生[4]。
拓展话题：
1. PEMFC中多金属电极催化剂的研究进展
参考文献
[1] JIAO K, XUAN J, DU Q, et al. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells [J]. Nature, 2021, 595(7867): 361-369.
[2] Wang, X.; Li, Y.; Wang, Y.; Zhang, H.; Jin, Z.; Yang, X.; Shi, Z.;Liang, L.; Wu, Z.; Jiang, Z.; et al. Proton exchange membrane fuel cellspowered with both CO and H2.Proc Natl Acad Sci USA 2021,118.
[3] 王开丽. 基于Pt基纳米线的催化层构筑及其质子交换膜燃料电池性能研究[D].天津理工大学,2022.DOI:10.27360/d.cnki.gtlgy.2022.000693.
[4] HEN P, TONG Y, WU C, et al. Surface/interfacial engineering of inorganic low-dimensional electrode materials for electrocatalysis [J]. Accounts of Chemical Research, 2018, 51(11): 2857-2866.
