微型燃料电池简介剖析

课程论文

学 院 化 学 化 工 学 院

专 业 应 用 化 学

年 级 2013 级

姓 名 张 忆 恒

课 程 化学电源

论文题目 微型燃料电池简介

指导教师 卢 先 春

成 绩

2016年5月20

日

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

Abstract (1)

Keywords: (1)

引言 (1)

1 微型H2-O2（空气）燃料电池 (2)

2 微型直接甲醇燃料电池 (3)

2.1 μDMFC结构和工作原理 (4)

3 微型甲酸燃料电池 (6)

4 微型固体氧化物燃料电池 (6)

5 结论 (7)

信阳师范学院化学化工学院课程论文

微型燃料电池的研究进展

学生姓名：张忆恒学号：20135052012

化学化工学院2013级应用化学

课程名称化学电源

摘要：燃料电池因其清洁无污染，比功率密度高，无需充电，补给燃料快速方便等优点越来越受重视。且微型燃料电池因其尺寸微小倍受青睐。本文讨论了分别以纯氢、甲醇和甲酸为燃料的微型燃料电池和微型固体氧化物燃料电池；对微型直接甲醇燃料电池的结构和原理做了简单的介绍。

关键词：微型燃料电池;氢;甲醇;甲酸

Research progress in micro-fuel cells

Abstract: Many pay more and more attentions to the fuel cells because of its clean and

non-polluting, high specific power density, without charge, fast and easy refueling.Meanwhile micro-fuel cells is acclaimed for its small size.The micro-fuel cells using hydrogen from

pure hydrogen, methanol and formic acid as fuels and micro solid oxide fuel cell were discussed. The materials used in micro-fuel cells for the portable electronics were outlined. The preparation technologies of micro-fuel cell such as micro lectomechanical system technology were analyzed.Meanwhile it made a brief introduction of the structure and principles of Micro Direct Methanol Fuel Cell(MDFC).

Keywords:micro-fuel cell; hydrogen; methanol; formic acid

引言

近年来，随着移动电话、个人数字助手、笔记本电脑等便携式电子产品的迅猛发展，对微型能源提出了越来越高的要求。燃料电池是不经过燃料的燃烧而将化学能直接转换为电能的一种能量转换装置。微型燃料电池作为一种新型的便携能源，具有高效、高能量密度、体积小、成本低、环境好等优点。因此近年来，用于便携式电子设备的微型燃料电池的研究引起了人们极大兴趣。

微型燃料电池简介

1 微型H2-O2（空气）燃料电池

微型H2-O2（空气）燃料电池的结构与储氢材料的性能紧密相关。由于MEMS技术的发展，微型H2-O2（空气）燃料电池的研究有许多报道[1-6]，电池性能列于表1。

表1

MEMS技术多选择硅基材料，使燃料电池的成本很高。硅基材料的替代物可以是PDMS或其他聚合物材料。

湿法化学刻蚀技术也是制备微通道的方法之一。N.F.Wan等[7]采用HF和HNO3为刻蚀溶液，在100μm厚的钛材料上制备微通道，再在钛材料上涂覆Vulcan XC-72炭黑和40%的PTFE构成的多孔层。将Nafion112膜-催化剂集合体夹在两片带有涂层的钛材

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料中间，在9 MPa、140℃下热压2 min，即制成单体电池。在完全自呼吸的条件下，22℃、H2-空气运行，电池的最大功率密度为120 mW/cm2。

双极板材料的选择是制备微型H2-O2空气）燃料电池的重要因素。选择的材料要降低双极板与MEA之间的接触电阻，并解决双极板与流场之间压力均匀分配的问题。

影响微型H2-O2（空气）燃料电池的另外一个因素是流场。微型H2-O2（空气）燃料电池中，微通道的雷诺系数非常低（0.001～0.1）。A.S.Rawool等[8]计算发现，在蛇形流场中流量随多孔扩散层渗透量的增大而增加。S.S.Hsieh等[9]比较了采用蛇形、网格状和交指状等3种流场的电池的性能，发现采用交指状流场的电池的性能最好。这归结于反应气体在微通道内的对流传递机理和合理分配的综合效果。

R.S.Jayashree等[10]研究的液流燃料电池（LFFC）不采用Nafion膜作为隔膜，而是利用微通道内液体流动的特点，即液体呈层流流动，与其他流体不混流，将酸性流体（如H2SO4）或碱性流体（如KOH溶液）作为流动的电解质膜，将阴阳极的气体分开。他们研究了电阻、流速（H2、O2和电解质）等对电池性能的影响，得到的最大功率密度为191 mW/cm2。LFFC具有潜在的发展前景，但存在一些问题。

自呼吸式微型质子交换膜燃料电池（PEMFC）的氧气来自空气，除去了空气循环系统和加热系统。李巨峰等[11]发现采用阴极无流场结构，在室温、常压下，自呼吸式微型PEMFC的峰值功率密度约有115 mW/cm2，最大放电电流密度可达0.51 A/cm2。氢气流量和电池放置的方向性，对电池性能的影响较小；降低质子交换膜的厚度，电池的性能提高。反应气体通过薄膜渗透的现象轻微。自呼吸式微型PEMFC无水热管理系统，在0.2 A电流下放电，运行341 h，性能稳定，电压波动约为0.02 V，运行过程中实现了水的自平衡。

2 微型直接甲醇燃料电池

微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）是微型化的DMFC，整体尺寸一般在厘米级，具有能量密度高（是同体积锂离子电池的5倍）、室温快速启动、燃料便于存储和运输、充电迅速等突出优点，尤其适用于各类便携式电子产品如笔记本电脑、手机、PDA、MP3、单兵电源等，因而目前世界各国对这方面的技术及应用研究方兴未艾，μDMFC开始在不同领域得到初步应用（如图2.1所示）