微型燃料电池简介剖析

1、学号： 20135052012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 1Abstract 1Keywords: 1引 言 11 微型 H2-O2（空气）燃料电池 22 微型直接甲醇燃料电池 32.1 DMFC 结构和工作原理 43 微型甲酸燃料电池 64 微型固体氧化物燃料电池 65 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

2、学课程名称化学电源本文讨论了分别以纯氢、对微型直接甲醇燃料电摘 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 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； 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 cellsAbstract : Many pay more and more attentions to the fuel cells because of its clean and non-polluting, h

3、igh 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 ce

4、lls 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; hyd

5、rogen; 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

6、道 1-6 ，电池性能列于表 1。表1制作条件操作参数运行温度最大功率密 度2mW/m22 只单体电池， 由玻璃基材料用湿法刻蚀方H2-O2，法组装而成， MEA构2520入口压力： 35KPa成： Nafion115 膜和0.4mg/cm 2的 Pt/C硅基材料，双极板和H2-O22563整体设计硅基材料，采用商品H2- 空气38130化的 MEA硅基材料和Nafion112 膜构成微H2-O22035型 MEACu/Au 复合层喷涂在H2-O2气体流速：25195硅片上50ml/min2 只单体电池， 由玻璃基材料用 MEMS湿法刻干 H2 气体流速为蚀方法组装而成， MEA40ml/mi

7、n ；常压自呼吸室温104构成：Nafion112 膜阳2式空气极 0.3mg/cm 2 的 Pt ，2阴极 0.5mg/cm 2的 PtMEMS 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100m 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信阳师范学院 化学化工学院 课程论文料中间，在 9 MPa、140下热

8、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（ 0.0010.1）。 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

9、，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，

10、 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 ，DM

11、FC ）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， DMFC 开始在不同领域得到初步应用（如图 2.1 所示）微型燃料电池简介图 2.1 部分微型直接甲醇燃料电池样机2.1 DMFC结构和工作原理图 2.2 和图 2.3 分别为 DMFC 结构和工作原理示意图， 它主要由膜电极 “三合一” （ Membrane Electrode Assembly，MEA ）、

12、阴、阳极集流板和端板组成， MEA 由质子 交换膜及两侧的燃料电极和氧化剂电极组成， 每侧电极又由催化层和多孔的气体扩散层 （ gas diffusion layer， GDL ）组成。质子交换膜起传导质子和阻隔电子的作用，一般采 用全氟磺酸膜制成， 目前商业化的产品是杜邦公司的 NafionTM 系列。阳极和阴极催化剂 成份分别为纳米级的 Pt-Ru/C 和 Pt，其中阳极加入 Ru 是为了防止甲醇中间氧化产物 （如 CO）引起的 Pt 催化剂中毒。催化剂可转压到质子交换膜上（涂敷有催化剂的质子交换 膜称为 Catalyst 一 Coated Membrane， CCM ），也可喷涂到扩散层

13、上的毗邻质子交换膜 的一侧。催化层的外侧为气体扩散层，一般为碳纤维编织的碳纸或碳布，可根据需要在 扩散层中添加适当比例的疏水材料（如聚四氟乙烯），典型的商业化产品为 Toray 公司 的 TGP 一 H 系列碳纸。扩散层起传导电子的作用并可使电池工作过程中阴、阳两极的 气体和液体分别通过各自通道向催化层活性位扩散（燃料和氧化剂）或离开活性位（反 应产物），有助于在燃料一催化剂一电解质之间形成稳定的三相反应界面。在质子交换信阳师范学院 化学化工学院 课程论文膜燃料电池中， 质子交换膜、催化层和多孔电极常被热压为一体， 即膜电极组件（MEA ） 阴、阳极集流板分别位于 MEA 的两侧，在电池中起到

14、收集电流和分配反应物的作用， 集流板上有流场，因此也称之为流场板。DMFC 工作时，需要事先将各部件组装为一体，即将 MEA 置于两片带有流场的 集流板之间， 再用两块刚性较好的端板将其夹紧就形成一个单电池。 夹紧力（封装压力） 的大小要适当， 既要减小扩散层和集流板间的接触电阻以尽量降低电池内电阻导致的功 率损失，又要避免扩散层的孔隙率太低而影响传质导致的电池性能下降。图 2.2 微型直接甲醇燃料电池结构图 11图 2.3 微型直接甲醇燃料电池原理图微型燃料电池简介DMFC 工作原理如图 2.3 所示，在阳极一侧，甲醇水溶液通过集流板和扩散层到 达催化层，在催化剂的作用下反应生成 H+、e-

15、 和 CO2，其中 CO2 通过扩散层返回到阳 极流场， H+以水合质子的形式在电场作用下透过质子交换膜迁移到阴极， 由于质子交换 膜的选择透过性（传导 H+并阻隔 e-），阳极生成的 e- 通过外电路到达阴极， e- 流经外 部电路形成电流并驱动负载。在阴极侧，从阳极迁移到阴极的H+和 e- 在催化剂作用下与 O2 结合生成水，生成的水通过阴极扩散层返回到阴极流场。因此电池内的总反应为， 甲醇和氧气反应生成二氧化碳和水。具体反应过程如式所示：阳极甲醇氧化半反应：阴极氧气还原半反应：电池总反应：3 微型甲酸燃料电池甲酸是 DMFC 中甲醇在阳极氧化的中间产物之一。甲酸 -氧燃料电池的开路电压为

16、 1.45 V，甲酸由阳极到阴极的渗透很小。 K.L.Chu 等12采用纳米多孔硅膜，阳极进料为 5 mol/L HCOOH 和 0.5 mol/L H 2SO4，空气自呼吸式阴极，电池的最大功率密度为 30 mW/cm2。S.Ha等13采用 Nafion112 膜，阳极为 Pt-Ru催化剂，阴极为 Pt催化剂，电池 在 30时的最大功率密度为 110 mW/cm2；采用 Pd 催化剂，电池的功率密度可达到 250 2mW/cm 。4 微型固体氧化物燃料电池正固体氧化物燃料电池（ SOFC）建立在氧化钇（ Y2O3）稳定的氧化锆（ YSZ ）电 解质上。目前工艺水平下的氧化锆基 SOFC，为了

17、得到合理的能量密度， 一般都在 800 1 000左右工作。高温给 SOFC 带来了材料、密封和结构上的问题，如电极的烧结、 电 解质与电极之间的界面化学扩散及热膨胀系数、 不同材料之间的匹配和双极板材料的稳 定性等。发展中、低温微型 SOFC，可以在更宽广的范围内寻找合适的电极材料，减少 高温使用对材料的苛刻要求，还可提高电极稳定性，延长电池寿命，更重要的是有利于 SOFC的规模化和民用化。制备复合阴极是改善中、低温条件下电极性能的重要方法之 一，其中 Shao 等组装的高功率密度的微型 SOFC，在 500 600时的功率密度可达 250 mW/cm214-16。信阳师范学院 化学化工学院

18、 课程论文5 结论燃料电池因高能量转换效率、低噪声、无污染及可靠性高等优点使其被认为是 21 世纪绿色能源之一， 随着技术的不断改进、 公众认知度的深入以及来自政府的支持加大， 都会加速推进燃料电池的商业化进程。微型燃料电池的比能量密度高，在微型移动电源领域中的应用前景广阔。微型氢氧 （空气）燃料电池在微型化结构设计和制备技术方面还有问题，需要解决。由于单位有 效电极面积性能低，微型 DMFC 系统的性能较低。微型甲酸燃料电池是在微型 DMFC 的基础上产生的，它需要提高构成系统组件的性能。作为一类新型的质子交换膜燃料电 池，DMFC 发电技术还远未成熟，其研发还处于初级阶段，还需要更多的观念

19、和技术上 的突破。我国在燃料电池领域的发展离发达国家有不少差距， 想要技术发展领超国外须首先 从能源方面着手。微型燃料电池简介参考文献1 Lee S，Chang-Chien A，Cha S，et al.Design and fabrication of a micro fuel cell arraywithflip-flop interconnectionJ.J Power Sources， 2002， 112（ 2）： 410-418.2 Meyers J ，Maynard H.Design considerations for miniaturized PEMf uel cellsJ.J

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