被動(dòng)式直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、被動(dòng)式直接甲醇燃料電池（被動(dòng)式Direct Methanol Fuel Cell，被動(dòng)式DMFC）是直接利用甲醇水溶液或甲醇蒸汽作為燃料、氧氣或空氣作為氧化劑的一種燃料電池。被動(dòng)式DMFC具有不使用動(dòng)力泵為電極供料，完全摒棄外置的甲醇蠕動(dòng)泵和空氣泵的特點(diǎn)，減少了電池的功耗，提高了能量利用率，被認(rèn)為是最有希望取代鋰離子電池成為新一代便攜設(shè)備電源的技術(shù)之一。本文從改善陰極水淹和陽(yáng)極甲醇滲透問(wèn)題著手，優(yōu)化電池的運(yùn)行條件，研究影響電池不同放置方

2、式長(zhǎng)時(shí)間放電穩(wěn)定性的因素，設(shè)計(jì)新型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以改善陰極水淹問(wèn)題，并揭示了甲醇濃度、甲醇摩爾量、陽(yáng)極流場(chǎng)開(kāi)放面積、陽(yáng)極產(chǎn)物等因素與甲醇滲透的相互影響關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并研發(fā)了兩種被動(dòng)式DMFC電堆。
　　研究了制約被動(dòng)式DMFC性能的因素，優(yōu)化了電池的運(yùn)行參數(shù)。被動(dòng)式DMFC中的膜電極(Membrane electrode assembly，MEA)采用恒電壓0.25V放電活化的最佳時(shí)間為36h。甲醇溶液濃度最佳值為1.5～2.0

3、mol·L-1，30℃時(shí)電池的最高功率密度達(dá)到13mW·cm-2。較慢的物質(zhì)傳輸速率是制約電池性能的主要因素，而溫度的提高可以改善甲醇與氧氣的傳質(zhì)過(guò)程，提高電池性能。提高陰極催化劑載量可以顯著提高電池的自加熱溫度，提高電化學(xué)反應(yīng)速率與擴(kuò)散速率，對(duì)電池性能的影響更為顯著，電池陰陽(yáng)極催化劑載量最佳值為4.0mg·cm-2，20℃時(shí)電池的最高功率密度達(dá)到11.4mW·cm-2?？諝鉂穸鹊脑黾訉?duì)電池的極化性能影響較小，但對(duì)電池的長(zhǎng)時(shí)間放電性能影

4、響較大。被動(dòng)式DMFC的陰陽(yáng)極分別采用點(diǎn)狀流場(chǎng)與平行溝槽流場(chǎng)時(shí)具有較好的性能。
　　研究了陰極水淹對(duì)電池長(zhǎng)時(shí)間放電性能的影響。電池采用陽(yáng)極向上放置方式時(shí)，依靠重力的作用，能夠順利地將陰極生成的水排出，陰極水淹狀況較輕，具有較好的長(zhǎng)時(shí)間放電性能。制約電池陽(yáng)極向下放置放電性能的主要因素是陽(yáng)極產(chǎn)生的CO2阻礙了甲醇反應(yīng)的通道。制約電池垂直放置方式長(zhǎng)時(shí)間放電性能的主要原因是陰極水淹問(wèn)題。針對(duì)陰極水淹問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，采用

5、新型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的電池22.2 mA·cm-2放電10h的電壓衰減率為9.9％，而采用傳統(tǒng)流場(chǎng)的電池電壓衰減率為15.3%。新型流場(chǎng)可以減小電池對(duì)環(huán)境濕度的敏感度，環(huán)境相對(duì)濕度從10%升至90%時(shí)，電池33.3mA·cm-2放電5h的電壓衰減率僅上升4.4%。
　　研究了甲醇滲透對(duì)電池性能的影響。隨著陽(yáng)極流場(chǎng)開(kāi)放面積的減小，甲醇滲透速率逐漸降低，陽(yáng)極流場(chǎng)開(kāi)放面積的降低，提高了電池使用高濃度甲醇時(shí)的極化性能。高濃度的甲醇溶液可以提高甲醇

6、的擴(kuò)散速率,在電池大電流放電的操作條件下具有較好的長(zhǎng)時(shí)間放電性能。甲醇總量的改變并不會(huì)影響電池的放電時(shí)間與法拉第效率。
　　設(shè)計(jì)了被動(dòng)式DMFC電堆，使用表面鍍金的印刷線路板作為電堆集流體時(shí)，由于存在較嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，影響電堆的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。電堆在運(yùn)行過(guò)程中，各單體電池性能均一性較好，最大功率為480mW。電堆在恒、變電流下均可穩(wěn)定運(yùn)行，電堆在恒電流200mA下運(yùn)行的法拉第效率為46.6%。該電堆在連續(xù)5個(gè)放電周期內(nèi)保持了較穩(wěn)定的性