發(fā)布時(shí)間：2020-05-12 10:48

【摘要】：直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)由于其具有高能量密度、高效、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便攜性強(qiáng)、可低溫啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),成為了新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近幾年隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)技術(shù)的普及使得微型甲醇燃料電池(Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC)得以迅猛發(fā)展,成為國(guó)際微能源技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。根據(jù)反應(yīng)物供給方式μDMFC可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式,由于主動(dòng)式需采用泵、閥和風(fēng)扇等有源元件控制電池的燃料輸運(yùn),因此被動(dòng)式μDMFC(靠擴(kuò)散和自然對(duì)流等方式輸送燃料)更有利于減小體積、重量和能耗進(jìn)而提高能量密度。但是在微小尺度下,被動(dòng)式μDMFC在陰極水淹、甲醇滲透等氣液兩相輸運(yùn)問(wèn)題愈發(fā)明顯,嚴(yán)重影響了輸出性能;另一方面,電池性能依賴于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率,因此提升催化效率、降低催化劑成本可以促進(jìn)μDMFC商業(yè)化進(jìn)程。針對(duì)上述問(wèn)題,本文將從被動(dòng)式μDMFC陰極結(jié)構(gòu)中的膜電極和集流板等幾方面展開(kāi)理論和實(shí)驗(yàn)研究,從而提高電池的輸出效能。首先,提出了在μDMFC質(zhì)子交換膜陰極側(cè)與催化層之間創(chuàng)建超薄親水層的新電池結(jié)構(gòu)。通過(guò)建立氣液兩相傳質(zhì)模型進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,超薄親水層的引入結(jié)合陰極催化層的超疏水界面提高了陰極水濃度,依靠濃差梯度迫使水返回陽(yáng)極;同時(shí)陰極返水使得陽(yáng)極側(cè)的甲醇濃度降低,減小了陽(yáng)極向陰極的甲醇滲透。在實(shí)驗(yàn)中利用噴涂等微納加工技術(shù)將羧基化碳納米管制備成超薄親水層并用于膜電極制備,而后進(jìn)行電池組裝、測(cè)試與性能分析。新結(jié)構(gòu)μDMFC展現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)電池的輸出功率和穩(wěn)定性,進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的分析結(jié)果。其次,為改善陰極較慢的ORR動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和催化劑較高的貴金屬用量問(wèn)題,本文提出了一種MoS_2-Pt/C二元催化劑。通過(guò)建立電池陰極Pt和MoS_2-Pt模型,利用Materials Studio軟件對(duì)催化劑進(jìn)行仿真計(jì)算,分析不同催化劑模型的ORR催化活性并闡述反應(yīng)機(jī)制,揭示MoS_2的引入對(duì)Pt催化劑ORR活性促進(jìn)作用的機(jī)理,為實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)方面,以炭黑作為載體,使用微波還原等方法制備了MoS_2-Pt/C二元催化劑并對(duì)其進(jìn)行表征分析。測(cè)試結(jié)果表明制備的MoS_2-Pt/C二元催化劑具有比Pt/C更高的ORR催化活性和穩(wěn)定性,與理論計(jì)算結(jié)果一致。MoS_2-Pt/C二元催化劑的開(kāi)發(fā)為發(fā)展低成本高活性的μDMFC催化劑提供了新的思路。最后,針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間放電下被動(dòng)式μDMFC陰極流場(chǎng)水淹問(wèn)題,本文提出了一種具有水收集和定向輸運(yùn)能力的被動(dòng)式μDMFC陰極集流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。陰極反應(yīng)產(chǎn)生的一部分水在陰極催化劑界面會(huì)以水蒸汽的形式通過(guò)多孔擴(kuò)散電極向外輸運(yùn),擴(kuò)散至陰極集流板處冷凝成液態(tài)水附著于擴(kuò)散電極表面,長(zhǎng)時(shí)間積累形成水滴導(dǎo)致擴(kuò)散電極的進(jìn)氣通道堵塞,減少了氧氣進(jìn)入量,致使陰極電化學(xué)反應(yīng)效率下降進(jìn)而影響電池性能。利用表面腐蝕、表面改性和激光刻蝕等工藝制備出具有超親水與超疏水結(jié)合的水收集板,并在表面規(guī)劃超親水收集界面、超親水引流溝道和超疏水束縛界面。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出帶有儲(chǔ)水槽的電池夾具,并在陰極引入了可收集并定向傳輸水的陰極水收集板。組裝測(cè)試發(fā)現(xiàn)陰極水收集板的引入解決了陰極流場(chǎng)的水淹問(wèn)題,電池長(zhǎng)時(shí)間放電性能幾乎沒(méi)有衰減;同時(shí)該結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極水的收集、定向輸運(yùn)和儲(chǔ)存,為被動(dòng)式μDMFC陰極水的再利用打下了基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖 1-1 按電解質(zhì)分類的各種燃料電池基本原理示意圖Fig. 1-1 Schematic of principles of fuel cells classified by electrolytesMFC 的燃料主要為氫氣和甲醇，然而，由于目前儲(chǔ)存與運(yùn)輸氫氣所以阻礙氫氣為燃料的 PEMFC 的發(fā)展與商業(yè)化進(jìn)程。目前，有研類具有非常高的能量密度，幾乎接近于汽油和 些碳?xì)浠�合物�?

圖 1-2 μDMFC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 1-2 Schematic of the structure of μDMFC internal為 298K 大氣壓強(qiáng)為 P=1.0atm 的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，μDMFC為-689.2kJ/mol，其中每 個(gè)甲醇分子進(jìn)行反應(yīng)對(duì)應(yīng)著6算公式，電池反應(yīng)的吉布斯自由能變與電池電動(dòng)勢(shì)的關(guān)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM911.4

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 汪興興;倪紅軍;朱昱;錢(qián)雙慶;佘德琴;;V形截面DMFC的設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試[J];電源技術(shù);2016年11期

2 苗青,曹廣益,朱新堅(jiān);Two Models of DMFC under Effects of Cathode Humidification Temperature an d Anode Flow Rate[J];Journal of Shanghai Jiaotong University;2005年03期

3 宋樹(shù)芹,梁振興,周衛(wèi)江,孫公權(quán),辛勤;DMFC的阻甲醇滲透研究進(jìn)展[J];電池;2004年04期

4 張健;尹鴿平;賴勤志;;直接甲醇燃料電池在筆記本電腦中的應(yīng)用[J];電池工業(yè);2007年03期

5 張淳;李新海;張?jiān)坪?;DMFC甲醇滲透問(wèn)題的研究進(jìn)展[J];稀有金屬;2006年03期

6 宋文生;王宇新;張玉清;;DMFC研究進(jìn)展及影響其性能的主要因素[J];拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē);2006年01期

7 吳韜;齊亮;郭建偉;王要武;謝曉峰;唐有根;陳昊;;直接甲醇燃料電池在軍事領(lǐng)域上的應(yīng)用[J];兵工自動(dòng)化;2007年01期

8 馬文濤;唐浩林;潘牧;鄔靜杰;;酞菁類化合物用于DMFC催化劑的研究進(jìn)展[J];電池;2007年05期

9 Peng Lim;;DMFC燃料電池便攜式應(yīng)用前景[J];電子產(chǎn)品世界;2009年01期

10 劉桂成;劉文兵;王慢想;王新東;;DMFC性能穩(wěn)定性改善措施的探索[J];電池;2015年05期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 孫巍;張瑋琦;蘇華能;徐謙;;通過(guò)構(gòu)造雙微孔層提高DMFC電極性能[A];2019年第四屆全國(guó)新能源與化工新材料學(xué)術(shù)會(huì)議暨全國(guó)能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料學(xué)術(shù)研討會(huì)摘要集[C];2019年

2 孫雪敬;孫海;楊林林;孫公權(quán);;甲醇中異丙醇對(duì)DMFC性能的影響及緩解策略[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第30屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集-第三十分會(huì)：化學(xué)電源[C];2016年

3 李忠芳;王素文;于如軍;張騫;樊彩霞;;含硫芳雜環(huán)卟啉配合物類DMFC催化劑的制備研究[A];第十三次全國(guó)電化學(xué)會(huì)議論文摘要集（上集）[C];2005年

4 強(qiáng)熙貴;劉娟英;王文明;田娟;鄭丹;夏保佳;;無(wú)泵循環(huán)的微型直接甲醇燃料電池研究[A];第十三次全國(guó)電化學(xué)會(huì)議論文摘要集（上集）[C];2005年

5 汪國(guó)雄;孫公權(quán);王琪;王素力;孫海;毛慶;辛勤;衣寶廉;;空氣自呼吸式直接甲醇燃料電池的研究[A];第十三次全國(guó)電化學(xué)會(huì)議論文摘要集（上集）[C];2005年

6 金寶舵;王澤;王樹(shù)博;王金海;謝曉峰;;直接甲醇燃料電池流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第26屆學(xué)術(shù)年會(huì)新能源與能源化學(xué)分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2008年

7 劉怡;周秀艷;吳明松;王野;劉暢;;直接甲醇燃料電池催化劑的研究現(xiàn)狀[A];二氧化氯研究與應(yīng)用進(jìn)展——2017年全國(guó)水質(zhì)安全與二氧化氯應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2017年

8 劉桂成;王萌;王一拓;田哲;王新東;;直接甲醇燃料電池技術(shù)研究進(jìn)展[A];2012年全國(guó)冶金物理化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議專輯（下冊(cè)）[C];2012年

9 Naibao Huang;Lishuang Xu;Wan Li;Chenghao Liang;Xiaoye Wang;Tianhang Sun;Min Sun;;Using Localized Electrochemical Impedance Spectroscopy (Leis) to Study the Effect of Loading Potential Variation on DMFC Anode Performance[A];第二屆海峽兩岸功能材料科技與產(chǎn)業(yè)峰會(huì)（2015）摘要集[C];2015年

10 方軍;齊冬輝;宋洪峰;沈培康;;新型DMFC阻醇膜的性能研究[A];第十二屆中國(guó)固態(tài)離子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前6條

1 ;為手持設(shè)備提供超強(qiáng)電力[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2005年

2 徐維正;直接甲醇燃料電池研究有突破[N];中國(guó)化工報(bào);2006年

3 于洋　張兆軍;直接甲醇燃料電池技術(shù)獲多項(xiàng)突破[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

4 王江霞;直接甲醇燃料電池技術(shù)獲多項(xiàng)突破[N];中國(guó)石化報(bào);2011年

5 王建高;直接甲醇燃料電池[N];中國(guó)石油報(bào);2003年

6 于洋;直接甲醇燃料電池研究取得成果[N];中國(guó)化工報(bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 薛瑞;微型直接甲醇燃料電池高濃度傳質(zhì)阻擋層技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

2 李洋;金屬基微型直接甲醇燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

3 曹伽牧;被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池陰極關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

4 于如軍;管狀直接甲醇燃料電池的研制及其建模與控制[D];上海交通大學(xué);2006年

5 梁軍生;微型直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)、工藝及陽(yáng)極氣液輸運(yùn)研究[D];大連理工大學(xué);2007年

6 孫靈俊;被動(dòng)式μDMFC極板加工工藝及應(yīng)用研究[D];大連理工大學(xué);2011年

7 袁偉;被動(dòng)式直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及作用機(jī)理研究[D];華南理工大學(xué);2012年

8 朱應(yīng)利;微型直接甲醇燃料電池封裝關(guān)鍵技術(shù)研究[D];大連理工大學(xué);2011年

9 賴勤志;被動(dòng)式直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

10 曹先齊;直接甲醇燃料電池內(nèi)的兩相流與熱質(zhì)傳輸特性研究[D];山東大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉凌豪;基于超聲霧化供給的DMFC熱特性研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

2 周欽;DMFC陽(yáng)極CeO_2載Pt催化劑的制備及電催化性能研究[D];重慶理工大學(xué);2019年

3 陳海倫;基于FLUENT的DMFC陽(yáng)極流道內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)分析[D];吉林化工學(xué)院;2019年

4 朱瑩;直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多類別參數(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)與性能分析[D];湖南大學(xué);2018年

5 阮建新;直接甲醇燃料電池活化與性能影響因素分析[D];湖北工業(yè)大學(xué);2018年

6 時(shí)均浩;基于分形理論的擴(kuò)散層特性及其對(duì)μDMFC性能影響研究[D];南京航空航天大學(xué);2018年

7 張?chǎng)?DMFC陽(yáng)極復(fù)合金屬氧化物負(fù)載Pt催化劑的制備和性能研究[D];東南大學(xué);2018年

8 王星q，

本文編號(hào)：2660096