不同電解液及運(yùn)行方式下三維陽(yáng)極自呼吸微流體燃料電池產(chǎn)電特性.pdf

1、近年來，隨著便攜式電子設(shè)備的廣泛使用，人們對(duì)微型移動(dòng)電源的需求也日益劇增，而現(xiàn)有的電池技術(shù)難以滿足電子設(shè)備對(duì)超長(zhǎng)待機(jī)電源的需求，微流體燃料電池（Microfluidicfuelcell,MFFC）作為一種極具潛力的微型移動(dòng)電源技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。微流體燃料電池利用其微通道中的平行層流流動(dòng)，將燃料與陰極液隔開，去掉了傳統(tǒng)燃料電池中的質(zhì)子交換膜，因此微流體燃料電池比質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）更易小型化，并且去除了膜老化、污

2、染等一系列由質(zhì)子交換膜引發(fā)的問題。此外，MFFC使用液體燃料，相比氣體燃料具有更高的能量密度，更簡(jiǎn)單的水管理機(jī)制，是一種非常有前途的微型電源。
　　目前微流體燃料電池的性能由于受到電池結(jié)構(gòu)、燃料及電解液、運(yùn)行方式等眾多影響因素的限制，輸出功率較低，還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。本文構(gòu)建了一種無(wú)隔離棒的三維陽(yáng)極自呼吸微流體燃料電池，系統(tǒng)研究了酸性及堿性電解液類型以及不同運(yùn)行方式下電池的產(chǎn)電特性，討論了電解液和燃料濃度及流量對(duì)電池性能的影響；并

3、且通過對(duì)電池陣列陽(yáng)極的分層組裝，深入研究了電池陽(yáng)極電流密度分布特征，分析了三維陣列陽(yáng)極微流體燃料電池微通道中燃料傳質(zhì)特性。本文主要研究成果如下：
　　①酸性電解液中該三維陽(yáng)極自呼吸微流體燃料電池在甲酸濃度為0.5mol·L-1、電解液濃度為1.0mol·L-1、反應(yīng)物流量為300μL·min-1時(shí)達(dá)到電池的最佳性能。最大功率密度可達(dá)49.1mW·cm-3，極限電流密度可達(dá)231.7mA·cm-3，是體積相同、陽(yáng)極表面積相同的同類電

4、池在相同工況下的2倍以上；該電池的輸出功率可達(dá)31mW，最大電流可達(dá)146mA，在目前國(guó)內(nèi)外以甲酸為燃料硫酸為電解液的微流體燃料電池中最高。在流量較小時(shí)（≤50μL·min-1）該電池的燃料利用率可以達(dá)到100％。
　?、趬A性電解液中該三維陽(yáng)極自呼吸微流體燃料電池在HCOONa濃度為1.0mol·L-1、KOH濃度為2.0mol·L-1、反應(yīng)物流量為300μL·min-1的工況下性能最高，最大功率密度可達(dá)70.3mW·cm-3，最

5、大極限電流密度為407.4mA·cm-3。電池在流量為50μL·min-1時(shí)燃料利用率可達(dá)100%。與酸性電解液中的產(chǎn)電性能相比，堿性電解液的峰值功率密度與極限電流密度分別為酸性電解液相似工況下的1.3倍與1.7倍。
　　③酸性電解液下，隨著CO2氣泡的生成與排出，三維陽(yáng)極自呼吸微流體燃料電池頂層與底層陽(yáng)極的計(jì)時(shí)電流密度曲線周期性地交替。電流密度較低時(shí)，主要由底層陽(yáng)極產(chǎn)電；電流密度較高時(shí)，燃料向上層陽(yáng)極遷移，頂層陽(yáng)極成為產(chǎn)電主力。

6、而堿性電解液下電池在所有工況下都主要由底層陽(yáng)極產(chǎn)電，頂層陽(yáng)極的產(chǎn)電量不足電池總量的10%，電流密度分布不均勻。
　?、軆A斜放置運(yùn)行方式有助于酸性電解液下三維陽(yáng)極微流體燃料電池中CO2氣泡的排出，傾斜角越大排出速度越快，使電池在高電流密度工況下產(chǎn)出更穩(wěn)定更高的輸出電流。而堿性電解液下三維陽(yáng)極微流體燃料電池的性能隨著傾斜角的增大而下降；電流密度分布實(shí)驗(yàn)顯示傾斜角越大時(shí)頂層陽(yáng)極的性能會(huì)有所提高，而底層陽(yáng)極的性能會(huì)下降；傾斜放置改變了微通