可滲透陽(yáng)極空氣自呼吸微流體燃料電池內(nèi)流動(dòng)與傳輸特性數(shù)值模擬.pdf

1、近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)不斷發(fā)展，便攜式移動(dòng)設(shè)備的廣泛使用使得人們對(duì)性能好、穩(wěn)定性高、環(huán)境友好的微型電源要求也越來(lái)越高。隨著光刻和軟光刻技術(shù)的日臻成熟，微流體燃料電池（Membraneless Microfluidic fuel cell，MMFC）逐漸進(jìn)入人們的視野，成為一種極具潛力的微型移動(dòng)電源。以平行層流流動(dòng)為本質(zhì)的微流體燃料電池可自然隔開燃料和氧化劑，去除了傳統(tǒng)燃料電池中的質(zhì)子交換膜，降低了電池成本，消除了有膜燃料電池由于膜而存在

2、的相關(guān)問(wèn)題，引起了研究者的廣泛關(guān)注。通過(guò)電子束蒸發(fā)器在Y型通道的兩側(cè)壁面蒸發(fā)Cr和Au形成平面電極，研究者們加工制造了最初的MMFC。這種MMFC由于物質(zhì)傳輸受限，導(dǎo)致陰陽(yáng)極電極表面出現(xiàn)濃度邊界層，造成燃料利用率較低，電池性能較差?？諝庾院粑帢O的提出解決了陰極側(cè)氧化劑濃度較低和濃度邊界層問(wèn)題。而可滲透陽(yáng)極的提出也在一定程度上提高了陽(yáng)極側(cè)的電池性能。碳紙和碳布是MMFC中常用的可滲透電極材料，通常將催化劑負(fù)載于碳紙/碳布表面形成二維平面

3、催化層，這并不能充分發(fā)揮可滲透陽(yáng)極的優(yōu)勢(shì)。三維石墨氈由于具有較大的比表面積，可通過(guò)電化學(xué)沉積等方式將催化劑負(fù)載于石墨氈孔隙內(nèi)部形成三維結(jié)構(gòu)催化層，為進(jìn)一步提高M(jìn)MFC性能提供了極大的可能性。因此，本文針對(duì)石墨氈可滲透陽(yáng)極自呼吸微流體燃料電池，通過(guò)數(shù)值模擬手段系統(tǒng)研究了使用不同的電解液情況下，電池的流動(dòng)傳輸特性和電池性能。通過(guò)建立酸性電解液下單相流動(dòng)和兩相流動(dòng)、堿性電解液下單相流動(dòng)的微流體燃料電池模型，模擬獲得了MMFC中速度、濃度分布和

4、相分布規(guī)律，討論了燃料濃度、反應(yīng)物流量和石墨氈厚度對(duì)電池性能的影響，并且通過(guò)改變電池尺寸和電池結(jié)構(gòu)，討論了不同情況下的電池性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①在酸性電解液下，采用三維石墨氈材料作陽(yáng)極的自呼吸微流體燃料電池，相比于使用碳紙和碳布作可滲透電極時(shí)，燃料利用率提高，燃料滲透減少，電池性能進(jìn)一步提升。增大反應(yīng)物流量、進(jìn)口燃料濃度和石墨氈催化層厚度，電池性能先增加，后逐漸趨于穩(wěn)定。將平板式電池結(jié)構(gòu)改為圓筒式電池結(jié)構(gòu)后，獲得了相對(duì)

5、前者2倍以上的功率密度和高達(dá)80％的燃料利用率。但是燃料向陰極的滲透增多。②酸性電解液下運(yùn)行的具有兩相流動(dòng)的石墨氈可滲透陽(yáng)極自呼吸微流體燃料電池，催化層內(nèi)反應(yīng)生成的二氧化碳相分?jǐn)?shù)最高可達(dá)0.4，電池性能較低，最大電流密度和最大功率密度只有36.4 mA/cm2和3.0 mW/cm2。改變反應(yīng)物流量，電池性能并未發(fā)生顯著變化；改變?nèi)剂蠞舛?，電池性能隨著濃度的增加而增加。③在堿性電解液下，采用石墨氈作可滲透陽(yáng)極的自呼吸微流體燃料電池可獲得1