即滴即用柔性直接乙醇燃料电池的制备及其性能研究

发布时间：2020-04-26 17:18

【摘要】：柔性电子设备以其应用范围广、安全性好、封装效率高、轻便可穿戴等诸多优势深度影响了未来电子产业和储能器件的发展方向。在众多的储能器件中,直接乙醇燃料电池(DEFC)将高能量密度、可再生、无毒的液体乙醇作为燃料,是未来动力电源和便携式电源中最合适的选择。将直接乙醇燃料电池设计成柔性器件,能够解决目前柔性器件容量低,启动慢的缺陷以及安全性能的问题,能够对未来柔性储能器件的发展提供一个十分可行的策略。然而,传统的直接乙醇燃料电池、柔性燃料电池存在乙醇产物毒化贵金属催化剂、质子交换膜使用环境限制、柔性器件功率密度低、以及燃料储存等问题。本课题为解决这些问题,制备了一种抗毒化、高性能、柔性即滴即用直接乙醇燃料电池,并进行相关实验研究与性能测试。针对可穿戴器件的应用场景和柔性燃料电池自身的存在问题,本课题制备了一种具有即滴即用的柔性直接乙醇燃料电池。通过对直接乙醇燃料电池的结构进行重新设计来减轻燃料电池本身的重量并实现柔性化,依托上述燃料电池结构,本课题对燃料电池最核心的三个构件进行优化:应用N,S双元素掺杂的多孔碳催化剂(NSDC)作为阴极氧还原反应催化剂并进行相关研究,主要解决乙醇燃料渗透毒化问题,并且相比于Pt/C催化剂稳定性的得到提高,成本大幅降低;应用Pt-Ru/C催化剂作为阳极乙醇电氧化反应催化剂并进行相关研究;应用与碱性溶液高度兼容的聚合物电解质聚丙烯酸钠(PANa)水凝胶作为燃料电池隔膜并进行相关测试,该隔膜具有0.24 S cm~(-1)的高离子导电率、优异的机械性能、能够在碱性条件下超长时间工作,性能十分优异。此外,本课题将柔性透气导电基底与海绵组合成复合电极初步解决燃料的储存问题。最终,将上述材料组装到新的燃料电池结构中,进行燃料电池性能相关测试,并对该器件的柔性性能进行展示。实验结果表明本课题制备出的器件是一种高性能柔性即滴即用直接乙醇燃料电池,是下一代可穿戴柔性燃料电池的发展方向,具有非常广阔的应用前景。
【图文】：

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膜燃料电池发展最为迅猛，氢氧质子交换膜燃料电池因为其高功率密度，氢气电氧化机理研究比较清楚，目前已经逐步在汽车，备用电源中推广使用[26]。直接乙醇燃料电池也是质子交换膜燃料电池的一种，它的优势是燃料成本低，无毒害，能量密度高，是应用于柔性器件的最佳候选者。目前，国内外对柔性乙醇燃料电池的研究还处在空白阶段，但是关于柔性燃料电池的研究还是有些进展，由于不同的燃料电池在某些方面是有相似性的，所以一些理论和技术上的成果都是有借鉴意义的。国内外科研工作者的研究主要集中在这几个方面：新型柔性燃料电池柔性基底的设计，燃料电池微型化设计，燃料电池纱线化设计，，燃料电池电解质隔膜柔性化设计，燃料电池便携化后燃料的供给问题，其中主要的研究对象是以柔性微生物燃料电池为主，因为这种燃料电池最容易解决燃料便携化的问题。1.2.1 国外研究现状近十年来，国外在柔性燃料电池的研究进展和国内比还是有一些优势的，可能的原因是这类研究偏向于未来的应用，前些年我们国家对这类研究的支持不够，目前我们已经加大对这方面研究的力度，奋力追赶。下面对一些国外优

柔性,韩国,微生物燃料电池

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文秀研究成果进行列举。日本东京农工大学制作了一个柔性微生物燃料电池，全结构采用柔性构件来实现柔性，采用细菌作为燃料，电池的尺寸为 50 mm*50 mm*3 mm，最大弯曲角 170°，最大功率密度为 5.26 μW cm-2，在这样大的尺寸下所产生的功率密度显然不能满足实际使用的需要[27]，如图 1-1 a 所示。随后，日本早稻田大学制作了一个微型柔性直接甲醇燃料电池，通过将燃料电池微型化，集成化的精细设计来实现柔性功能，可以说初步实现了将燃料电池集成到微电路中的设想，最大功率密度为 2 μW cm-2，单电池体积小于 0.5 mm3，采用无电解质隔膜设计[28]，如图 1-1 b 所示。日本东北大学制作了一款将电解质和燃料储存在水凝胶中的柔性微生物燃料电池，通过这样的方法解决了燃料便携性的问题，同时由于水凝胶特别的柔软使得器件的柔性性能非常出色，功率密度也达到了 1 mW cm-2的程度，能够对一些低功率电子器件进行供电[29]，如图 1-1 c, d 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4

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