可滲透陽極空氣自呼吸微流體燃料電池內流動與傳輸特性數值模擬.pdf

1、近年來，互聯(lián)網通信技術不斷發(fā)展，便攜式移動設備的廣泛使用使得人們對性能好、穩(wěn)定性高、環(huán)境友好的微型電源要求也越來越高。隨著光刻和軟光刻技術的日臻成熟，微流體燃料電池（Membraneless Microfluidic fuel cell，MMFC）逐漸進入人們的視野，成為一種極具潛力的微型移動電源。以平行層流流動為本質的微流體燃料電池可自然隔開燃料和氧化劑，去除了傳統(tǒng)燃料電池中的質子交換膜，降低了電池成本，消除了有膜燃料電池由于膜而存在

2、的相關問題，引起了研究者的廣泛關注。通過電子束蒸發(fā)器在Y型通道的兩側壁面蒸發(fā)Cr和Au形成平面電極，研究者們加工制造了最初的MMFC。這種MMFC由于物質傳輸受限，導致陰陽極電極表面出現濃度邊界層，造成燃料利用率較低，電池性能較差?？諝庾院粑帢O的提出解決了陰極側氧化劑濃度較低和濃度邊界層問題。而可滲透陽極的提出也在一定程度上提高了陽極側的電池性能。碳紙和碳布是MMFC中常用的可滲透電極材料，通常將催化劑負載于碳紙/碳布表面形成二維平面

3、催化層，這并不能充分發(fā)揮可滲透陽極的優(yōu)勢。三維石墨氈由于具有較大的比表面積，可通過電化學沉積等方式將催化劑負載于石墨氈孔隙內部形成三維結構催化層，為進一步提高MMFC性能提供了極大的可能性。因此，本文針對石墨氈可滲透陽極自呼吸微流體燃料電池，通過數值模擬手段系統(tǒng)研究了使用不同的電解液情況下，電池的流動傳輸特性和電池性能。通過建立酸性電解液下單相流動和兩相流動、堿性電解液下單相流動的微流體燃料電池模型，模擬獲得了MMFC中速度、濃度分布和

4、相分布規(guī)律，討論了燃料濃度、反應物流量和石墨氈厚度對電池性能的影響，并且通過改變電池尺寸和電池結構，討論了不同情況下的電池性能。
　　本研究主要內容包括：①在酸性電解液下，采用三維石墨氈材料作陽極的自呼吸微流體燃料電池，相比于使用碳紙和碳布作可滲透電極時，燃料利用率提高，燃料滲透減少，電池性能進一步提升。增大反應物流量、進口燃料濃度和石墨氈催化層厚度，電池性能先增加，后逐漸趨于穩(wěn)定。將平板式電池結構改為圓筒式電池結構后，獲得了相對

5、前者2倍以上的功率密度和高達80％的燃料利用率。但是燃料向陰極的滲透增多。②酸性電解液下運行的具有兩相流動的石墨氈可滲透陽極自呼吸微流體燃料電池，催化層內反應生成的二氧化碳相分數最高可達0.4，電池性能較低，最大電流密度和最大功率密度只有36.4 mA/cm2和3.0 mW/cm2。改變反應物流量，電池性能并未發(fā)生顯著變化；改變燃料濃度，電池性能隨著濃度的增加而增加。③在堿性電解液下，采用石墨氈作可滲透陽極的自呼吸微流體燃料電池可獲得1