三維陽(yáng)極自呼吸微流體燃料電池傳輸特性及性能強(qiáng)化.pdf

1、近年來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展使得各種高性能移動(dòng)電子設(shè)備不斷出現(xiàn)（如智能手機(jī)、平板電腦等），對(duì)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(mǎn)足長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)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(shù)挑戰(zhàn)，因此必須研究開(kāi)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(dòng)的特點(diǎn)來(lái)分隔燃料和氧化劑，去除了質(zhì)子交換膜以及由膜引起的一系列問(wèn)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(yáng)極側(cè)燃料和陰極側(cè)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(cè)傳質(zhì)限制，但燃料的傳質(zhì)限制還未得到有效緩解。微流體燃料電池陽(yáng)極產(chǎn)生的CO2氣泡還會(huì)對(duì)平行層流造成擾動(dòng)，引起對(duì)流混合和燃料滲透。此外，目前對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供理論依據(jù)。
　　針對(duì)以上問(wèn)題和不足，本文從工程熱物理

3、學(xué)科角度出發(fā)，立足于強(qiáng)化傳輸和提高電池性能，分別構(gòu)建了具有可滲透陽(yáng)極、單根三維陽(yáng)極和容積式三維陣列陽(yáng)極的空氣自呼吸微流體燃料電池，對(duì)電池的物質(zhì)傳輸特性和性能特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。研究?jī)?nèi)容主要包括：（1）構(gòu)建了具有可滲透陽(yáng)極的空氣自呼吸微流體燃料電池，研究了運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池性能的影響；并建立三維數(shù)學(xué)模型，研究了具有可滲透陽(yáng)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(xué)

4、特性、電化學(xué)特性和催化能力；并構(gòu)建了具有單根三維陽(yáng)極的空氣自呼吸微流體燃料電池，研究了運(yùn)行參數(shù)和電解液酸堿性對(duì)電池性能的影響；（3）構(gòu)建了具有容積式三維陣列陽(yáng)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(yùn)行參數(shù)、陽(yáng)極及隔離棒排列方式對(duì)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(duì)具有容積式三維陣列陽(yáng)極的空氣自呼吸微流體燃料電池建立了三維數(shù)學(xué)模型，研究了流體流速、燃料濃度、電流和電勢(shì)的分布規(guī)律，研究了運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)

5、對(duì)物質(zhì)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(yáng)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(dāng)燃料濃度達(dá)到2M后發(fā)生燃料滲透，使電池性能降低。增加流量可強(qiáng)化反應(yīng)物傳輸、提高電池性能，流量過(guò)高時(shí)（>20 mL h-1）電池內(nèi)部發(fā)生水力失穩(wěn)使性能下降。相比于平面陽(yáng)極，可滲透陽(yáng)極性能較高、反應(yīng)電流分布均勻，且在小流量（<50μL min-1）時(shí)陰極寄生電流密度較小。
　　2)采用反復(fù)沉積浸漬方法

6、制備的鈀催化劑層具有均勻的“島狀”結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)；并具有活性高、抗氧化性強(qiáng)的Pd（111）晶面和更均勻的三相（電解液、催化劑、反應(yīng)物）界面分布；還具有高電化學(xué)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(yáng)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(huì)減小陽(yáng)極催化反應(yīng)面積并阻礙燃料傳輸、增大歐姆內(nèi)阻。氣泡動(dòng)態(tài)行為對(duì)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(duì)于具有容積式三維陣列陽(yáng)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(yáng)極及隔離棒陣列中，氣泡周期性動(dòng)態(tài)行為會(huì)對(duì)放電曲線(xiàn)造成周期性擾動(dòng)。電池最高功率密度達(dá)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(dá)87.6%。陽(yáng)極及隔離棒順排排列時(shí)電池性能較低。
　　5)當(dāng)燃料濃度、流量相同時(shí)，堿性電解液中具有容積

8、式三維陣列陽(yáng)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(yīng)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(shì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。運(yùn)行工況最優(yōu)時(shí)電池的最高輸出功率為50.4 mW，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
　　6)數(shù)值模擬結(jié)果表明：自呼吸陰極附近的空腔中電解液流速較快。各陽(yáng)極產(chǎn)電量不相等，

9、上層陽(yáng)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(nèi)阻控制。陽(yáng)極后段發(fā)生燃料傳質(zhì)限制時(shí)局部離子電勢(shì)上升使陰極電勢(shì)反轉(zhuǎn)。容積式陣列陽(yáng)極中自補(bǔ)償機(jī)制可提高下層陽(yáng)極后段的反應(yīng)電流。
　　7)具有順排陽(yáng)極及隔離棒的電池性能較低。電池性能隨電池長(zhǎng)度線(xiàn)性變化，最高輸出功率隨電池長(zhǎng)度的變化率為0.99 mW mm-1，而最高體積功率密度隨電池長(zhǎng)度的變化率為-0.46 mW cm-3 mm-1。同時(shí)采用直徑較大的陽(yáng)極和直