三維陽極自呼吸微流體燃料電池傳輸特性及性能強化.pdf

1、近年來移動互聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展使得各種高性能移動電子設備不斷出現(xiàn)（如智能手機、平板電腦等），對高效可靠的微型電源提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的鋰離子電池不能滿足長期連續(xù)運行的要求，微型直接甲醇燃料電池（μDMFC）則面臨著水管理困難、膜老化降解等技術挑戰(zhàn)，因此必須研究開發(fā)新型的高性能微型電源。微流體燃料電池利用多股流體在微通道中平行層流流動的特點來分隔燃料和氧化劑，去除了質子交換膜以及由膜引起的一系列問題（如水管理困難、膜老化降解、成本較高

2、等），是最有前景的高性能微型電源之一。
　　但是現(xiàn)階段微流體燃料電池的性能主要受到陽極側燃料和陰極側氧化劑傳輸?shù)南拗啤Ｒ延醒芯勘砻鞑捎每諝庾院粑姌O可以消除陰極側傳質限制，但燃料的傳質限制還未得到有效緩解。微流體燃料電池陽極產(chǎn)生的CO2氣泡還會對平行層流造成擾動，引起對流混合和燃料滲透。此外，目前對微流體燃料電池的理論研究工作還比較有限，尚不能較好地為結構設計和優(yōu)化運行提供理論依據(jù)。
　　針對以上問題和不足，本文從工程熱物理

3、學科角度出發(fā)，立足于強化傳輸和提高電池性能，分別構建了具有可滲透陽極、單根三維陽極和容積式三維陣列陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池，對電池的物質傳輸特性和性能特性進行了實驗和理論研究。研究內容主要包括：（1）構建了具有可滲透陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池，研究了運行參數(shù)對電池性能的影響；并建立三維數(shù)學模型，研究了具有可滲透陽極的電池中的燃料傳輸特性和燃料滲透特性；（2）研究了在曲面電極表面制備高效催化劑層的方法，表征和比較了電極的物理化學

4、特性、電化學特性和催化能力；并構建了具有單根三維陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池，研究了運行參數(shù)和電解液酸堿性對電池性能的影響；（3）構建了具有容積式三維陣列陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池，在酸性電解液中研究了運行參數(shù)、陽極及隔離棒排列方式對電池性能的影響；并研究了堿性電解液中電池的性能特性；（4）對具有容積式三維陣列陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池建立了三維數(shù)學模型，研究了流體流速、燃料濃度、電流和電勢的分布規(guī)律，研究了運行參數(shù)和結構參數(shù)

5、對物質傳輸和電池性能的影響。主要研究成果如下：
　　1)具有可滲透陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池的性能隨燃料濃度增加逐漸升高，但當燃料濃度達到2M后發(fā)生燃料滲透，使電池性能降低。增加流量可強化反應物傳輸、提高電池性能，流量過高時（>20 mL h-1）電池內部發(fā)生水力失穩(wěn)使性能下降。相比于平面陽極，可滲透陽極性能較高、反應電流分布均勻，且在小流量（<50μL min-1）時陰極寄生電流密度較小。
　　2)采用反復沉積浸漬方法

6、制備的鈀催化劑層具有均勻的“島狀”結構和多層結構；并具有活性高、抗氧化性強的Pd（111）晶面和更均勻的三相（電解液、催化劑、反應物）界面分布；還具有高電化學活性面積、高催化劑利用率以及優(yōu)良的甲酸氧化能力和抗COads毒化能力。
　　3)酸性電解液中具有單根三維陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池產(chǎn)生的CO2氣泡聚并為氣彈，會減小陽極催化反應面積并阻礙燃料傳輸、增大歐姆內阻。氣泡動態(tài)行為對放電電流影響較大。堿性電解液中電池的最高功率密度

7、比酸性電解液中高188.3％。
　　4)對于具有容積式三維陣列陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池，去除最靠近陰極的兩根隔離棒后電池性能提高。CO2氣泡被限制在陽極及隔離棒陣列中，氣泡周期性動態(tài)行為會對放電曲線造成周期性擾動。電池最高功率密度達到21.5 mW cm-3，最大電流密度為118.3 mA cm-3，最高燃料利用率可達87.6%。陽極及隔離棒順排排列時電池性能較低。
　　5)當燃料濃度、流量相同時，堿性電解液中具有容積

8、式三維陣列陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池的最高輸出功率為36.7 mW，最大輸出電流為229.0 mA，分別比酸性電解液中提高171.0%和207.3%。堿性電解液中電池性能隨著燃料濃度、電解液濃度和反應物流量的上升先均升高后趨于恒定。電池后段發(fā)生燃料傳輸限制使陰極電勢發(fā)生反轉。運行工況最優(yōu)時電池的最高輸出功率為50.4 mW，達到國際先進水平。
　　6)數(shù)值模擬結果表明：自呼吸陰極附近的空腔中電解液流速較快。各陽極產(chǎn)電量不相等，

9、上層陽極輸出電流較高。低流量下電池發(fā)生燃料傳輸限制，而高流量下電池性能受歐姆內阻控制。陽極后段發(fā)生燃料傳質限制時局部離子電勢上升使陰極電勢反轉。容積式陣列陽極中自補償機制可提高下層陽極后段的反應電流。
　　7)具有順排陽極及隔離棒的電池性能較低。電池性能隨電池長度線性變化，最高輸出功率隨電池長度的變化率為0.99 mW mm-1，而最高體積功率密度隨電池長度的變化率為-0.46 mW cm-3 mm-1。同時采用直徑較大的陽極和直