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微型直接甲醇燃料电池封装关键技术研究

朱应利  
【摘要】:微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct methanol fule cell,μDMFC)是各类便携式电子产品的未来理想电源之一,针对μDMFC技术的研究已成为国内外的研究热点。但是μDMFC的实用化还需解决大量基础科学和工程技术问题,其中封装技术对电池的输出性能具有全局性影响,是μDMFC实用化的技术瓶颈之一,本文围绕这一关键问题进行了探索性研究。 首先研究了封装压力对扩散层传质和接触电阻的影响。计算了不同封装压力下的扩散层变形量,求解了阳极扩散层/催化层界面甲醇浓度梯度。结果表明,封装压力越小,扩散层/催化层界面甲醇浓度梯度越小,甲醇分布越均匀。从传质的角度而言,扩散层/催化层界面甲醇浓度梯度越小对提高电池的输出性能越有利;但从接触电阻的角度而言,封装压力越大,接触电阻越小,对提高电池的输出性能越有利。因此存在一个使μDMFC输出性能最佳的封装压力值,即最优封装压力。 接着研究了加载次数和阴极供料模式对μDMFC最优封装压力的影响规律。采用μDMFC在线封装测试平台,考察了封装压力对μDMFC性能的影响。在本文中,初次加载、阴极强制对流模式下的最优封装压力为1 MPa。研究发现,电池的加载次数直接影响最优封装压力的大小,在μDMFC初次封装超过其最优封装压力后,μDMFC再次封装时的最优封装压力比初次加载时小一个数量级以上。最优封装压力还与阴极供料模式密切相关,本文中阴极空气自呼吸模式下的最优封装压力为0.5 MPa,远比强制空气对流模式下的最优封装压力小。 本文还研究了集流结构及集流板特征尺寸对μDMFC单电池封装中扩散层传质及接触电阻的影响规律。计算了相同开孔率、不同流场特征尺寸的三组集流板下扩散层/催化层界面的甲醇浓度梯度,并测试了集流板与扩散层的接触电阻。结果表明,在相同的封装压力下,三组集流板中1mm点状流场集流板的扩散层/催化层界面甲醇浓度梯度度最小,集流板与扩散层接触电阻亦最小。基于上述结论,设计制作了高聚物封装μDMFC单电池,验证了μDMFC的快速紫外固化封装和环氧树脂封装的可行性。 最后提出了依靠阳极C02气泡驱动μDMFC自动循环进料的电池堆结构,并参考前述最优封装压力对电池堆进行封装。实现了阳极甲醇溶液和CO2的无寄生功耗有序循环,获得了甲醇浓度和放电电流、放电时间之间的数量关系。电池堆在室温和全被动条件下输出功率密度达16.9 mW·cm-2。通过对无线传感网节点39小时连续供电测试,验证了电池堆结构方案的实用价值。


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