發(fā)布時(shí)間：2020-06-22 13:28

【摘要】：如今消費(fèi)者對(duì)便攜式、高能耗(智能手機(jī)、平板電腦以及可穿戴設(shè)備)設(shè)備續(xù)航的需求極大的刺激了研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在微小型高能量密度能源方面的研究。發(fā)展微小型電子設(shè)備能源的迫切需求使得眾多學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行微型燃料電池相關(guān)方面的研究。在所有的燃料電池種類(lèi)中,微型直接甲醇燃料電池(Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC)擁有著燃料來(lái)源豐富、能量密度高、環(huán)境友好、啟動(dòng)及運(yùn)行溫度較低、燃料存儲(chǔ)、運(yùn)輸方便等獨(dú)特的優(yōu)越性。隨著近幾十年微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)技術(shù)和材料科學(xué)的飛速發(fā)展,μDMFC的效率和穩(wěn)定性更是得到了極大的提升。然而,目前μDMFC技術(shù)尚未得到大面積推廣,離大規(guī)模商業(yè)化還有一定的距離,其主要的技術(shù)瓶頸在于功率密度較低、成本、便攜性以及燃料實(shí)際使用濃度較低四個(gè)問(wèn)題。本文圍繞μDMFC電化學(xué)特性優(yōu)化、復(fù)雜度優(yōu)化以及便攜性優(yōu)化等基本方向,制備并測(cè)試了一種新型金屬編織物膜電極,實(shí)現(xiàn)了一種集流板-膜電極一體化新結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于超疏水金屬表面改性工藝的微通道排氣結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)并制備了一種超親水端板μDMFC。這些工作對(duì)μDMFC的功率密度提升、復(fù)雜度降低以及便攜性提升具有重要意義。首先,本文對(duì)不同電池結(jié)構(gòu)下陰陽(yáng)極反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度分布和電流密度分布進(jìn)行了理論計(jì)算分析。與常規(guī)電池結(jié)構(gòu)的μDMFC對(duì)比分析表明,集流板-膜電極一體化μDMFC表現(xiàn)出了更高的陰陽(yáng)極產(chǎn)物傳質(zhì)速率,微通道排氣式μDMFC展現(xiàn)了優(yōu)異的氣體排出能力,超親水金屬基μDMFC體現(xiàn)了非�？焖俚乃�?dāng)U散速率,理論分析結(jié)果與后續(xù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試規(guī)律相吻合。其次,采用新型金屬編織物代替常規(guī)碳纖維編織物,制備了一種金屬編織物膜電極,其機(jī)械強(qiáng)度使得μDMFC可以不再需要昂貴的陰陽(yáng)極集流板即可進(jìn)行電流引出,大幅降低了μDMFC的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,實(shí)現(xiàn)了一種集流板-膜電極一體化新結(jié)構(gòu)。同時(shí)金屬編織物膜電極優(yōu)良的陰極多孔結(jié)構(gòu)使得該種新型膜電極在室溫下有著優(yōu)異的性能表現(xiàn),對(duì)采用了金屬編織物膜電極的一體化μDMFC測(cè)試結(jié)果表明,與作為對(duì)照組的常規(guī)碳紙膜電極μDMFC相比,大幅提升了續(xù)航時(shí)間,且室溫25℃下的最大功率密度提升了33.9%,能量轉(zhuǎn)換效率提升至27.36%。隨后,通過(guò)鋁基超疏水工藝,實(shí)現(xiàn)了一種具有側(cè)排氣微通道的陽(yáng)極端板結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)使得CO_2可以不經(jīng)過(guò)流場(chǎng)直接由陽(yáng)極擴(kuò)散層輕松排出,大幅提升了μDMFC低濃度大電流工況下的極化特性和電壓輸出穩(wěn)定性。帶有微通道側(cè)排氣結(jié)構(gòu)的μDMFC相比較于常規(guī)結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性及最大輸出電流皆有顯著提升。根據(jù)電池的不同封閉程度,10%以上的陽(yáng)極廢氣CO_2可經(jīng)由微通道順利排出,使得陽(yáng)極燃料腔可以成為全封閉式,避免了燃料電池在便攜使用過(guò)程中的燃料泄露,優(yōu)化了燃料電池工作情況下的可便攜性。最后基于鋁基底,采用等離子體電解氧化技術(shù)制備了一種μDMFC超親水金屬陰極端板。結(jié)合陰極端板排水微流道設(shè)計(jì),使得室溫大電流下的μDMFC陰極水淹現(xiàn)象消失,μDMFC長(zhǎng)時(shí)間放電下性能提升了30%以上。半電池測(cè)試數(shù)據(jù)表明該μDMFC陰極表面電勢(shì)十分穩(wěn)定,陽(yáng)極電勢(shì)下降速度僅有常規(guī)電池的1/4。并且由于陰極產(chǎn)物水的有效處理,燃料電池運(yùn)行期間的便攜性大幅提升。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM911.4
【圖文】：

圖 1-1 燃料電池分類(lèi)Fig. 1-1 Classification of fuel cells年來(lái)，受微小型電子產(chǎn)品普及化的推動(dòng)，伴隨著集成化技機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)加工電子產(chǎn)品的普及化，微型直接甲醇燃料電池(MicroDirectC)技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外微小型能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[9-11]。其小型化、可集成化、燃料攜帶方便以及產(chǎn)物環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)便攜式電子設(shè)備的新型高能電源[12-17]。與其它類(lèi)型的燃料電池最大的優(yōu)點(diǎn)在于其可移動(dòng)性，適用于交通運(yùn)輸、航天移動(dòng)設(shè)備的供電[22]。目前，直接甲醇燃料電池的開(kāi)發(fā)商與集中在了便攜式電子設(shè)備電源研發(fā)上，其不斷擴(kuò)大的市業(yè)化進(jìn)程。目前 μDMFC 離大規(guī)模商業(yè)化還有著一定的就是功率密度較低、燃料使用濃度較低的問(wèn)題以及膜電問(wèn)題[18-21]。90年代起，美國(guó)、日本、德國(guó)一直走在直接甲醇燃料電

圖 1-2 美國(guó) MTI 公司微型直接甲醇燃料電池試制機(jī)Fig. 1-2 Military μDMFC of MTI本東芝公司正式推出了世界上第一款成熟的直接甲醇型直接甲醇燃料電池的外觀整體大小為150×21×74.5為14 ml的燃料容器用于存儲(chǔ)甲醇溶液。其中甲醇燃m3、重量92 g，可通過(guò)USB接口向微小型電子產(chǎn)品進(jìn)用時(shí)每毫升燃料可發(fā)電11Wh，能量密度高達(dá)1000W多。但由于Dynario 的構(gòu)成部件非常繁多，除卻燃料大量的微泵、微閥等高精密部件，如圖 1-3所示。最終路不佳，第一批產(chǎn)品僅生產(chǎn)了3000臺(tái)就趨于停產(chǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 秦沖;苑偉政;孫磊;喬大勇;;微能源發(fā)展概述[J];光電子技術(shù);2005年04期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

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本文編號(hào)：2725737