金属基微型直接甲醇燃料电池关键技术研究

发布时间：2020-06-22 13:28

【摘要】：如今消费者对便携式、高能耗(智能手机、平板电脑以及可穿戴设备)设备续航的需求极大的刺激了研究机构和企业在微小型高能量密度能源方面的研究。发展微小型电子设备能源的迫切需求使得众多学者开始进行微型燃料电池相关方面的研究。在所有的燃料电池种类中,微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC)拥有着燃料来源丰富、能量密度高、环境友好、启动及运行温度较低、燃料存储、运输方便等独特的优越性。随着近几十年微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)技术和材料科学的飞速发展,μDMFC的效率和稳定性更是得到了极大的提升。然而,目前μDMFC技术尚未得到大面积推广,离大规模商业化还有一定的距离,其主要的技术瓶颈在于功率密度较低、成本、便携性以及燃料实际使用浓度较低四个问题。本文围绕μDMFC电化学特性优化、复杂度优化以及便携性优化等基本方向,制备并测试了一种新型金属编织物膜电极,实现了一种集流板-膜电极一体化新结构;设计并实现了一种基于超疏水金属表面改性工艺的微通道排气结构;设计并制备了一种超亲水端板μDMFC。这些工作对μDMFC的功率密度提升、复杂度降低以及便携性提升具有重要意义。首先,本文对不同电池结构下阴阳极反应物及产物的浓度分布和电流密度分布进行了理论计算分析。与常规电池结构的μDMFC对比分析表明,集流板-膜电极一体化μDMFC表现出了更高的阴阳极产物传质速率,微通道排气式μDMFC展现了优异的气体排出能力,超亲水金属基μDMFC体现了非常快速的水扩散速率,理论分析结果与后续实验测试规律相吻合。其次,采用新型金属编织物代替常规碳纤维编织物,制备了一种金属编织物膜电极,其机械强度使得μDMFC可以不再需要昂贵的阴阳极集流板即可进行电流引出,大幅降低了μDMFC的结构复杂度,实现了一种集流板-膜电极一体化新结构。同时金属编织物膜电极优良的阴极多孔结构使得该种新型膜电极在室温下有着优异的性能表现,对采用了金属编织物膜电极的一体化μDMFC测试结果表明,与作为对照组的常规碳纸膜电极μDMFC相比,大幅提升了续航时间,且室温25℃下的最大功率密度提升了33.9%,能量转换效率提升至27.36%。随后,通过铝基超疏水工艺,实现了一种具有侧排气微通道的阳极端板结构,该结构使得CO_2可以不经过流场直接由阳极扩散层轻松排出,大幅提升了μDMFC低浓度大电流工况下的极化特性和电压输出稳定性。带有微通道侧排气结构的μDMFC相比较于常规结构,稳定性及最大输出电流皆有显著提升。根据电池的不同封闭程度,10%以上的阳极废气CO_2可经由微通道顺利排出,使得阳极燃料腔可以成为全封闭式,避免了燃料电池在便携使用过程中的燃料泄露,优化了燃料电池工作情况下的可便携性。最后基于铝基底,采用等离子体电解氧化技术制备了一种μDMFC超亲水金属阴极端板。结合阴极端板排水微流道设计,使得室温大电流下的μDMFC阴极水淹现象消失,μDMFC长时间放电下性能提升了30%以上。半电池测试数据表明该μDMFC阴极表面电势十分稳定,阳极电势下降速度仅有常规电池的1/4。并且由于阴极产物水的有效处理,燃料电池运行期间的便携性大幅提升。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4
【图文】：

普及化,微小型,集成化技术,电子产品

图 1-1 燃料电池分类Fig. 1-1 Classification of fuel cells年来，受微小型电子产品普及化的推动，伴随着集成化技机械系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)加工电子产品的普及化，微型直接甲醇燃料电池(MicroDirectC)技术成为了国内外微小型能源领域的研究热点[9-11]。其小型化、可集成化、燃料携带方便以及产物环保等优点便携式电子设备的新型高能电源[12-17]。与其它类型的燃料电池最大的优点在于其可移动性，适用于交通运输、航天移动设备的供电[22]。目前，直接甲醇燃料电池的开发商与集中在了便携式电子设备电源研发上，其不断扩大的市业化进程。目前 μDMFC 离大规模商业化还有着一定的就是功率密度较低、燃料使用浓度较低的问题以及膜电问题[18-21]。90年代起，美国、日本、德国一直走在直接甲醇燃料电

直接甲醇燃料电池,日本东芝公司,美国,公司

图 1-2 美国 MTI 公司微型直接甲醇燃料电池试制机Fig. 1-2 Military μDMFC of MTI本东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电池的外观整体大小为150×21×74.5为14 ml的燃料容器用于存储甲醇溶液。其中甲醇燃m3、重量92 g，可通过USB接口向微小型电子产品进用时每毫升燃料可发电11Wh，能量密度高达1000W多。但由于Dynario 的构成部件非常繁多，除却燃料大量的微泵、微阀等高精密部件，如图 1-3所示。最终路不佳，第一批产品仅生产了3000台就趋于停产。

【参考文献】