三维可渗透阳极空气自呼吸微流体燃料电池及电堆产电特性实验研究

摘要

便携式可移动电子设备的迅速发展，对微型移动电源提出了更高的需求，而目前的微型电源已经逐渐不能满足这些电子设备长期稳定运行的需要。微流体燃料电池（Microfluidic fuel cells）作为一种新型的微型电源技术，利用流体的层流流动特性自然地将燃料与氧化剂分隔开，取消了传统微型燃料电池中的质子交换膜，具有体积小、重量轻、能量密度高、反应物灵活性好、结构简单、制造方便等诸多优点，近年来受到了国内外研究者的广泛关注。目前微流体燃料电池受到反应物传质的限制面临功率密度和燃料利用率较低等问题，尚未达到电池实际应用的需求。研究表明，采用可渗透阳极可实现燃料向电极的对流传输，从而强化阳极侧的传质；采用空气自呼吸阴极直接利用空气中的氧气参与电化学反应，可消除采用溶解氧时氧化剂向电极表面的传质限制。本文分别采用碳毡、泡沫镍作为阳极电极，构建了具有三维多孔可渗透阳极的空气自呼吸微流体燃料电池，并对电池内的物质传输以及产电特性进行研究；构建了具有共同阳极燃料流道的空气自呼吸微流体燃料电池堆，通过电池的串联与并联，进一步提高了电池的电流、电压与功率输出，以实现电池的放大化。
　　本研究主要内容包括：⑴针对碳毡可渗透阳极空气自呼吸微流体燃料电池的研究表明，碳毡电极相对于碳纸电极拥有更大的电化学活性面积，无论在酸性还是碱性条件下，采用碳毡电极的电池性能更好，且碱性条件下电池性能优于酸性条件下的性能。在碱性条件下，当燃料与电解液流量为5mL/h、燃料浓度为1M、电解液浓度为2M时，电池性能最佳，最大功率密度为35.1mW/cm2，最大电流密度为192.9mA/cm2。⑵针对具有泡沫镍阳极的空气自呼吸微流体燃料电池的研究表明，阳极采用碱性、阴极采用酸性电解液，并采用第三股流体来分隔阳极液与阴极液，可以有效提高电池的开路电压与电池运行的稳定性。当阳极液与阴极液以及第三股流体的流量均为7.5mL/h，甲酸钠浓度为1M、氢氧化钾浓度为2 M、硫酸钠浓度为1 M时电池性能最好，最大功率密度为22.3mW/cm2、最大电流密度为123.4mA/cm2。与采用碳毡阳极的空气自呼吸微流体燃料电池相比，其电池性能较低，但采用泡沫镍阳极的电池不需负载催化剂，其成本较低，经计算其单位质量电极的产电性能略高。⑶采用具有共同阳极燃料流道的空气自呼吸微流体燃料电池堆可以实现微流体燃料电池的串联和并联。在并联条件下，电池堆的最大功率输出与最大电流输出相对于单电池成倍的增加，电池堆的开路电压大约为0.8 V，与单电池相当，最大功率输出为37.8mW，最大电流为171.6mA；在串联条件下，电池堆的开路电压可以达到1.52V，最大功率输出为28.9mW，最大电流为81.6mA。

目录

1 绪 论

1.1 前言

1.2 微流体燃料电池原理

1.3 微流体燃料电池研究现状

1.4已有研究工作不足

1.5本文主要研究工作

2 微流体燃料电池实验系统和方法

2.1反应物及材料选择

2.2 电极制备

2.3 电池及电堆的设计与组装

2.4 测试系统及测试方法

2.5 实验误差分析

2.6 本章小结

3 碳毡阳极的空气自呼吸微流体燃料电池性能

3.1 引言

3.2 电极表征

3.3 电池性能对比

3.4 碱性条件下电池性能

3.5本章小结

4 泡沫镍阳极的空气自呼吸微流体燃料电池性能

4.1 引言

4.2 泡沫镍电极的表征

4.3 电池性能的优化

4.4 泡沫镍阳极空气自呼吸微流体燃料电池产电性能

4.5 经济性分析

4.6 本章小结

5 具有共同阳极燃料通道的空气自呼吸微流体燃料电池堆产电特性

5.1 引言

5.2 并联条件下微流体燃料电池堆性能

5.3 串联条件下微流体燃料电池堆性能

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 本文主要创新点

6.3 后续工作与展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读学位期间发表的论文目录:

B．作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目: