三維可滲透陽(yáng)極空氣自呼吸微流體燃料電池及電堆產(chǎn)電特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、便攜式可移動(dòng)電子設(shè)備的迅速發(fā)展，對(duì)微型移動(dòng)電源提出了更高的需求，而目前的微型電源已經(jīng)逐漸不能滿足這些電子設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需要。微流體燃料電池（Microfluidic fuel cells）作為一種新型的微型電源技術(shù)，利用流體的層流流動(dòng)特性自然地將燃料與氧化劑分隔開(kāi)，取消了傳統(tǒng)微型燃料電池中的質(zhì)子交換膜，具有體積小、重量輕、能量密度高、反應(yīng)物靈活性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。目前微流體燃料電池

2、受到反應(yīng)物傳質(zhì)的限制面臨功率密度和燃料利用率較低等問(wèn)題，尚未達(dá)到電池實(shí)際應(yīng)用的需求。研究表明，采用可滲透陽(yáng)極可實(shí)現(xiàn)燃料向電極的對(duì)流傳輸，從而強(qiáng)化陽(yáng)極側(cè)的傳質(zhì)；采用空氣自呼吸陰極直接利用空氣中的氧氣參與電化學(xué)反應(yīng)，可消除采用溶解氧時(shí)氧化劑向電極表面的傳質(zhì)限制。本文分別采用碳?xì)?、泡沫鎳作為?yáng)極電極，構(gòu)建了具有三維多孔可滲透陽(yáng)極的空氣自呼吸微流體燃料電池，并對(duì)電池內(nèi)的物質(zhì)傳輸以及產(chǎn)電特性進(jìn)行研究；構(gòu)建了具有共同陽(yáng)極燃料流道的空氣自呼吸微流體燃

3、料電池堆，通過(guò)電池的串聯(lián)與并聯(lián)，進(jìn)一步提高了電池的電流、電壓與功率輸出，以實(shí)現(xiàn)電池的放大化。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)碳?xì)挚蓾B透陽(yáng)極空氣自呼吸微流體燃料電池的研究表明，碳?xì)蛛姌O相對(duì)于碳紙電極擁有更大的電化學(xué)活性面積，無(wú)論在酸性還是堿性條件下，采用碳?xì)蛛姌O的電池性能更好，且堿性條件下電池性能優(yōu)于酸性條件下的性能。在堿性條件下，當(dāng)燃料與電解液流量為5mL/h、燃料濃度為1M、電解液濃度為2M時(shí)，電池性能最佳，最大功率密度為35.

4、1mW/cm2，最大電流密度為192.9mA/cm2。⑵針對(duì)具有泡沫鎳陽(yáng)極的空氣自呼吸微流體燃料電池的研究表明，陽(yáng)極采用堿性、陰極采用酸性電解液，并采用第三股流體來(lái)分隔陽(yáng)極液與陰極液，可以有效提高電池的開(kāi)路電壓與電池運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)陽(yáng)極液與陰極液以及第三股流體的流量均為7.5mL/h，甲酸鈉濃度為1M、氫氧化鉀濃度為2 M、硫酸鈉濃度為1 M時(shí)電池性能最好，最大功率密度為22.3mW/cm2、最大電流密度為123.4mA/cm2。與采用

5、碳?xì)株?yáng)極的空氣自呼吸微流體燃料電池相比，其電池性能較低，但采用泡沫鎳陽(yáng)極的電池不需負(fù)載催化劑，其成本較低，經(jīng)計(jì)算其單位質(zhì)量電極的產(chǎn)電性能略高。⑶采用具有共同陽(yáng)極燃料流道的空氣自呼吸微流體燃料電池堆可以實(shí)現(xiàn)微流體燃料電池的串聯(lián)和并聯(lián)。在并聯(lián)條件下，電池堆的最大功率輸出與最大電流輸出相對(duì)于單電池成倍的增加，電池堆的開(kāi)路電壓大約為0.8 V，與單電池相當(dāng)，最大功率輸出為37.8mW，最大電流為171.6mA；在串聯(lián)條件下，電池堆的開(kāi)路電壓可以