摘要
信息技术的飞速发展对于电源系统提出了愈来愈高的要求，微型直接甲醇燃料电池(Microdirectmethanolfuelcell，μDMFC)因其高能量密度、高转换效率、无污染等特点，被认为是便携式电子设备电源的理想解决方案之一。然而μDMFC面临的传质管理、催化剂中毒等问题使其无法直接在高浓度燃料下运行。此前，研究人员所提出的解决思路绝大多数从宏观尺度出发，大多会在电池内引入新的结构或器件，不仅降低电池的比能量，也会增加了系统的复杂度。针对此，本文基于三维纳米材料碳气凝胶的微结构特性，以不增加系统复杂性为前提，围绕高浓度μDMFC的微尺度传质管理问题，在理论模型仿真的基础上，对于膜电极固有结构进行优化设计，并提出一种新型的燃料供给方法，以实现高浓度高性能的微型直接甲醇燃料电池。 针对高浓度甲醇供给下的μDMFC，基于电化学、热力学及多孔介质多相流理论建立了二维两相稳态传质模型，仿真模拟了膜电极内甲醇及水的传质特性，结果表明，甲醇渗透产生的过电位、水对阳极反应速率及质子交换膜质子传导率的影响是电池性能的决定因素，除对膜电极结构进行优化增强阴极返水能力、降低甲醇渗透外，燃料供给蒸汽内合理的甲醇/水摩尔比是高浓度μDMFC稳定运行所必须的。 基于超亲水的氮掺杂碳气凝胶设计并制备了一种阴极催化层水管理结构，通过在质子交换膜阴极一侧形成高水浓度及压力，提高了阴极向阳极的返水通量。由于甲醇渗透的减小及氧气传质的增强，阴极极化显著下降，μDMFC的使用浓度及性能均有提升，稳定性增强；同时使得蒸汽进液模式下的阳极极化减小，性能提升31.3%。 采用石墨烯气凝胶分别构建了μDMFC阴、阳极微孔层结构，利用石墨烯气凝胶自身的微结构和特性以优化气液两相管理效果。基于石墨烯气凝胶阳极微孔层结构显著地降低了μDMFC放电过程中的甲醇渗透，同时优化了CO2的排出，最高功率密度提升超过20%，工作甲醇浓度由3M提升至6M。基于石墨烯气凝胶的阴极微孔层通过增大阴极催化层中水向外侧的传输阻力，优化了阴极向阳极的返水效果，μDMFC稳定放电时间增至三倍，通过降低粘结剂含量使得电池性能得到进一步的提升。 基于多孔介质蒸发过程提出一种μDMFC燃料供给结构，降低燃料供给蒸汽相内甲醇/水的摩尔比。建立两相非等温瞬态模型，探究多孔介质性质对于二元溶液蒸发过程的影响。采用碳气凝胶作为甲醇水溶液的汽化载体，选择性地增强其与甲醇分子的相互作用时的极化力、色散力以调节表面张力，从而降低了甲醇/水的相对挥发度。新型燃料供给方法对于甲醇水溶液蒸发的调控作用保证了膜电极内甲醇及水的传质平衡，使得μDMFC直接运行在16mol/L浓度下，最高功率密度为22mWcm-2，长时间放电测试中于6h内维持了20mWcm-2(±2mWcm-2)的高稳定输出。
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