微型直接甲醇燃料电池阴极结构设计与实现

摘要

随着新能源技术的迅速发展和其市场需求量的不断增大,微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell,μ-DMFC)由于其能量密度高、体积小、无污染、室温操作等优点,已然成为最具广泛发展前景的新能源。目前由于阴极结构的排水以及氧气传质等问题,使得微型直接甲醇燃料电池输出效能受到限制。通过合理设计阴极流场结构来解决排水与氧气传质的问题是目前提高燃料电池能量密度的重要手段之一,本文设计了一种新型“十字式”自呼吸阴极流场结构,该结构具有一定数量的辐条式通道与自呼吸圆孔相通并构成“十字单元”,“十字单元”之间通过延长通道连接在一起形成双路氧气传质通路。当电池工作时,空气经由极板背面圆孔进入,然后通过十字式微型通道被进一步分配到膜电极( Membrane Electrode Assembly, MEA)进行反应。与传统直孔式结构相比,“十字式”阴极结构的开孔率保持不变,但是增加了氧气与扩散层之间的接触面积,从而使氧气能够更充分均匀的参与电化学反应并且提高了扩散层里水的蒸发作用。
　　本文首先对μ-DMFC的阴极“十字式”结构单元建立了三维两相传质模型,利用COMSOL Multiphysics软件对其单元结构进行氧气传质分布以及热对流现象的仿真模拟,分别从氧气的浓度分布、催化层表面水的扩散速度以及生成水的饱和度等方面理论上验证了“十字式”结构可以提高氧气扩散能力以及加强排水性能。其次利用微加工技术制作微型燃料电池的阴极“十字式”结构和阳极结构,通过机械封装方式实现微型直接甲醇燃料电池。空气自呼吸式“十字式”和直孔式铝基μ-DMFC单体在常温(20℃)时最高功率密度分别达到17.1mW/cm2和14mW/cm2。从实验结果可以看出,具有“十字单元”阴极结构的微型燃料电池能量密度大于传统直孔式结构燃料电池,并且通过两种阴极结构表面照片的对比可以看出具有“十字单元”阴极结构的微型燃料电池表面没有水珠,而传统直孔式燃料电池表面有水珠生成,因此具有“十字单元”阴极结构的微型燃料电池排水性能更好。

目录

微型直接甲醇燃料电池阴极结构设计与实现

ANODE structural design AND implementation of the MICRO direct methanol fuel cell

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.3研究目的和意义

1.4本课题研究内容

第2章 直接甲醇燃料电池工作原理与水的生成

2.1直接甲醇燃料电池的工作原理

2.2直接甲醇燃料电池的基本结构

2.3燃料电池的电动势

2.4直接甲醇燃料电池水的生成

2.6本章小结

第3章 直接甲醇燃料电池阴极结构设计与仿真

3.1引言

3.2模型的计算区域

3.3模型的基本假设条件

3.4模型的基本方程

3.5模型的主要边界条件

3.6模型的基本算法及参数的取值

3.7仿真结果与分析

3.8本章小结

第4章 微型直接甲醇燃料电池阴极结构设计与实现

4.1引言

4.2电池设计，制作与实验平台搭建

4.3实验平台的搭建

4.4实验结果与分析

4.5阴极结构对电池性能的实验分析

4.6本章小结

结论

参考文献

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致谢