被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池陰極水管理的研究.pdf

1、隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，開發(fā)新能源和環(huán)境保護(hù)已成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的核心戰(zhàn)略。微型直接甲醇燃料電池（Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC）具有能量密度高、安全高效、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子設(shè)備和微型武器系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為國(guó)內(nèi)外MEMS微能源技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前μDMFC主要在水管理、甲醇滲透、催化劑中毒、工作穩(wěn)定性和壽命等方面存在技術(shù)問題，限制其進(jìn)一步實(shí)用化。論文從陰極的

2、催化層、氣體擴(kuò)散層和集流板的物理結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)μDMFC陰極水管理技術(shù)進(jìn)行了深入研究。首先，本文分析了μDMFC中水的生成和消耗機(jī)制，建立了陰極兩相傳質(zhì)模型并通過模擬仿真分析了陰極“水”對(duì)電池性能的影響；而后在理論分析基礎(chǔ)上，論文分別從陰極催化層、氣體擴(kuò)散層和集流板等方面對(duì)水管理方法進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，有效提高了陰極傳質(zhì)能力和電池性能，對(duì)實(shí)現(xiàn)高能量密度μDMFC具有重要的意義。
　　氧氣在陰極催化層內(nèi)與氫離子發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生水；同

3、時(shí)，陽極反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜以水合質(zhì)子的方式拖拽了大量的水到達(dá)陰極催化層。因此，為了避免陰極催化劑的水淹，以及實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池的“水平衡”，必須抑制陽極水向陰極的滲透作用并增強(qiáng)陰極到陽極的“返水”效果。本文提出了一種具有孔隙率梯度的新型陰極催化劑層結(jié)構(gòu)，通過建立二維兩相陰極傳質(zhì)模型分析了有無孔隙率梯度變化對(duì)電池性能的影響，仿真結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)可以抑制質(zhì)子交換膜的水滲透作用，增強(qiáng)了氣體擴(kuò)散傳質(zhì)能力，進(jìn)而提高了電池的輸出性能。依據(jù)理論分

4、析結(jié)果制備了具有孔隙率梯度變化的μDMFC陰極催化層結(jié)構(gòu)，在相同條件下測(cè)試表明新型陰極催化層結(jié)構(gòu)μDMFC的性能好于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最高功率密度可提高40％左右，且新型陰極催化層結(jié)構(gòu)的水傳輸系數(shù)降低了30%，由此可以說明新型催化層結(jié)構(gòu)不僅有效改善了氧氣在陰極催化層內(nèi)的分布，而且可以減緩陰極水淹，使得μDMFC輸出性能和穩(wěn)定性得以較大提高。
　　氣體擴(kuò)散層起著支撐催化層的作用，同時(shí)也是反應(yīng)物和產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)耐ǖ篮碗娏魍ǖ?。陰極氣體擴(kuò)散層大多是

5、用表面覆蓋著微孔層的碳紙或者碳布構(gòu)成。本文提出并制備了一種基于碳納米管（Carbon Nanotube, CNT）的新型陰極氣體擴(kuò)散層。采用CNT制備氣體擴(kuò)散層本身就具有微孔結(jié)構(gòu)，不需要再額外刷涂微孔層，從而保證陰極擴(kuò)散層的平整度。另外 CNT氣體擴(kuò)散層可以提高陰極的排水能力并且增加氧氣的傳質(zhì)，從而避免陰極水淹對(duì)電池性能的影響。利用CNT基陰極氣體擴(kuò)散層實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池，在相同條件下進(jìn)行恒流放電，結(jié)果表明新型擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的

6、μDMFC工作穩(wěn)定性較好，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比放電時(shí)間延長(zhǎng)了33.5%，并且沒有發(fā)生水淹現(xiàn)象。說明 CNT基陰極擴(kuò)散層具有極好的控制陽極向陰極水傳輸?shù)哪芰?，并且水傳輸系?shù)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的20%，且燃料利用率和能量轉(zhuǎn)換效率都有較大提高。
　　陰極集流板作為μDMFC的重要組成部分，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)氧氣傳質(zhì)和陰極水管理有著重要影響。本文針對(duì)被動(dòng)式自呼吸μDMFC陰極氧氣傳質(zhì)效率較低及易出現(xiàn)水淹現(xiàn)象等問題，提出了一種新型的“十字型”陰極集流板結(jié)構(gòu)，該

7、結(jié)構(gòu)通過增加微型通道將自呼吸式直孔相互連通，從而提高了陰極的排水能力，增強(qiáng)了氧氣傳質(zhì)能力，從而提升了μDMFC的性能。論文建立了該結(jié)構(gòu)的陰極三維兩相模型，通過仿真分析表明新型陰極結(jié)構(gòu)的水蒸發(fā)速度、氧氣濃度、液相飽和程度以及陰極內(nèi)部的溫度等均優(yōu)于傳統(tǒng)于直孔式陰極結(jié)構(gòu)。利用微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了新型陰極集流板結(jié)構(gòu)并進(jìn)行電池封裝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)的μDMFC輸出功率密度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了12%左右；相同條件下進(jìn)行放電測(cè)試，新結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較好，并且可