極端潤(rùn)濕性微結(jié)構(gòu)在μDMFC流場(chǎng)板上的應(yīng)用.pdf

1、微型直接甲醇燃料電池（Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC）是一種利用甲醇溶液作為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池，具有能量密度高、體積小、燃料來源豐富、安全性高、環(huán)境友好、更換燃料方便等特點(diǎn)，成為未來小型電子設(shè)備及軍用設(shè)備的理想電源。然而物質(zhì)運(yùn)輸受阻是制約μDMFC性能的關(guān)鍵問題，為了緩解μDMFC陽極燃料通道堵塞及陰極水淹等傳質(zhì)問題，本文以鈦板作為流場(chǎng)板材料，設(shè)計(jì)了一種帶有極端潤(rùn)濕性微結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)，并實(shí)驗(yàn)

2、研究了極端潤(rùn)濕特性微結(jié)構(gòu)對(duì)μDMFC綜合性能的影響。
　　在傳統(tǒng)蛇形流場(chǎng)及螺旋流場(chǎng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了液體通道與超疏水排氣通道交替排布的陽極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，可以及時(shí)將流場(chǎng)中的CO2氣泡排出；為了避免自呼吸燃料電池陰極端發(fā)生水淹，設(shè)計(jì)了由傳統(tǒng)點(diǎn)狀流場(chǎng)與超親水毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相嵌的陰極流場(chǎng)以及碳紙組成的陰極水管理系統(tǒng)。根據(jù)流場(chǎng)幾何參數(shù)對(duì)μDMFC性能的影響，確定了各流道的結(jié)構(gòu)尺寸。通過陽極氧化獲得微納分級(jí)結(jié)構(gòu)鈦表面，使得接觸角由53°變?yōu)?°。再經(jīng)過

3、氟化處理，鈦表面接觸角變?yōu)?60°。結(jié)合光刻及鈦片表面改性工藝制作出新型μDMFC流場(chǎng)板。
　　研究了超疏水排氣通道對(duì)陽極CO2氣泡排除過程及電池性能的影響。分別將帶有超疏水排氣通道的流場(chǎng)板與相應(yīng)的參考流場(chǎng)板組裝成電池，對(duì)采用不同流場(chǎng)的電池性能進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與采用參考流場(chǎng)的μDMFC相比，含有超疏水排氣通道陽極流場(chǎng)的μDMFC，其輸出功率密度最大可提高91.84%。壓降特性測(cè)試與陽極氣泡運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試結(jié)果表明，新型流場(chǎng)

4、中的超疏水排氣通道能將μDMFC大部分CO2氣體不經(jīng)過液體燃料通道直接排出電池，從而大幅度減小μDMFC的傳質(zhì)阻抗，提升電池性能。
　　結(jié)合數(shù)值模擬和原型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超親水毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)通道對(duì)消除μDMFC陰極水淹的作用。利用COMSOL計(jì)算了含有超親水毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陰極流場(chǎng)中液態(tài)水的分布情況，證明超親水流道可以聚集陰極液態(tài)水并將之排出。設(shè)計(jì)制作了包含超親水排水通道的陰極流場(chǎng)板并組裝成μDMFC電池，以0.15V恒電壓模式放電4h，測(cè)試電