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自呼吸式微型直接甲醇燃料电池的设计与性能分析

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纳米技术与精密工程 2011年第5期9卷 432-435页

作者：张博张宇峰苑振宇张涛刘晓为哈尔滨工业大学MEMS中心哈尔滨150001 微系统与微结构制造教育部重点实验室哈尔滨150001

为了提高燃料电池的机械强度并降低加工成本,设计了一种基于不锈钢材料的空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池(DMFC).采用高温微型冲压技术制作电池的极板,并在其表面溅射Au和TiN来防止电化学腐蚀和减少接触电阻.在不同运行参数条件下对... 详细信息

为了提高燃料电池的机械强度并降低加工成本,设计了一种基于不锈钢材料的空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池(DMFC).采用高温微型冲压技术制作电池的极板,并在其表面溅射Au和TiN来防止电化学腐蚀和减少接触电阻.在不同运行参数条件下对电池进行性能和稳定性的测试,结果表明阳极流速、甲醇浓度以及工作温度等均对电池性能有较明显的影响.该自呼吸式微型直接甲醇燃料电池在室温(20℃)条件下最高功率密度达到23.38 mW/cm2,并在温度40℃时可稳定地长时间工作,具有一定的应用价值.

关键词：自呼吸直接甲醇燃料电池极板最高功率密度

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1kW自呼吸PEMFC堆控制因素试验

同济大学学报（自然科学版） 2011年第6期39卷 890-894页

作者：张传升陈凤祥高昆鹏周苏同济大学汽车学院上海201804 山东建筑大学信息与电气工程学院山东济南250101

自呼吸质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极侧湿度和温度耦合严重,且空气流量对湿度和温度影响不同,从而使得对电池输出电压的控制变得复杂.以氢气压力和提供阴极空气流量的风扇转速为影响因素,对相应的工作点集进行了正交试验研究.分析结果... 详细信息

自呼吸质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极侧湿度和温度耦合严重,且空气流量对湿度和温度影响不同,从而使得对电池输出电压的控制变得复杂.以氢气压力和提供阴极空气流量的风扇转速为影响因素,对相应的工作点集进行了正交试验研究.分析结果表明,风扇转速高于极值电压转速时,空气会带走更多的水分,从而使得质子交换膜逐渐干燥,阻抗增大,电池性能衰减;风扇转速低于极值电压转速时,空气流量带走的热量减少,使得阴极表面温度升高,阴极端相对湿度迅速减低,从而导致质子交换膜迅速干燥,电池性能衰减迅速.因此,每个工作点存在一个使电池电压最高的风扇转速值.

关键词：自呼吸自增湿风冷质子交换膜燃料电池正交试验

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微型氢气/空气自呼吸式质子交换膜燃料电池

高等学校化学学报 2004年第10期25卷 1928-1930页

作者：王涛陈聪李巨峰张熙贵夏保佳李昕欣中国科学院上海微系统与信息技术研究所

A miniaturized H 2/air self-breathing proton exchange membrane fuel cell(μPEMFC) was designed and fabricated with 1 cm 2 active area. All the basic parts of a conventional H 2/air PEMFC were incorporated in a smaller and simpler package. The electrodes of the μPEMFC were constructed on silicon wafer substrates by means of standard micro electromechanical systems (MEMS) techniques. The obtained results show that the peak power density of a single cell has exceeded 110 mW/cm 2 when it was operated in ambient atmosphere at 20 ℃. Furthermore, the cells can yield over 400 W/L specific power density.

关键词：微型质子交换膜燃料电池空气自呼吸微机电系统氢气

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自呼吸式MEMS微燃料电池的结构及其性能

化学世界 2009年第8期50卷 453-456,479页

作者：郑丹李晨忱袁联群李文琼董瑾郭强上海应用技术学院化学工程系上海200233 中国石油辽阳石化分公司炼油厂辽宁辽阳111003

利用MEMS技术设计并制作了有效面积为1.2cm×1.2cm的不同阳极和阴极结构,将它们组成电池并进行比较。结果表明,阳极采用点-蛇形混合流场,电池峰值功率密度为比点状流场的电池可提高10.4%;阴极采用双层镂空流场,峰值功率密度比单层镂空... 详细信息

利用MEMS技术设计并制作了有效面积为1.2cm×1.2cm的不同阳极和阴极结构,将它们组成电池并进行比较。结果表明,阳极采用点-蛇形混合流场,电池峰值功率密度为比点状流场的电池可提高10.4%;阴极采用双层镂空流场,峰值功率密度比单层镂空流场电池增加15.7%。最优结构电池在30%～50%相对湿度下性能良好,200mA恒流放电近610h,电池电压比较稳定。

关键词：质子交换膜燃料电池微流场结构自呼吸 MEMS技术

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自呼吸燃料电池的模拟研究

自呼吸燃料电池的模拟研究

作者：刘鹏吉林大学

学位级别：硕士

随着电子工业的高速发展，人们对微电源的需求越来越大。而微流控燃料电池被认为是具有潜力发展成体积小、重量轻，容量大的新型电源。因此研究微流控燃料电池组和提出工作性能更好的微流控燃料电池为推动微电源的发展具有重要意义。 ... 详细信息

随着电子工业的高速发展，人们对微电源的需求越来越大。而微流控燃料电池被认为是具有潜力发展成体积小、重量轻，容量大的新型电源。因此研究微流控燃料电池组和提出工作性能更好的微流控燃料电池为推动微电源的发展具有重要意义。本文主要研究目的是（1）为全钒微流控燃料电池组的制造提供合理入口流道结构。（2）比较首次提出的钒空气自呼吸微流控燃料电池与钒溶解氧微流控燃料电池的工作性能优劣，以及各个工况对钒空气自呼吸微流控燃料电池工作性能的影响;（3）锌空气自呼吸燃料电池在各个工况下的工作性能差异。论文首先设计了三种入口流道结构的全钒微流控燃料电池组，并对其性能进行分析研究。结果显示双侧入口电池组内各单体支管入口流速最大，且分布均匀。该结构电池组工作性能最好，但燃料利用率较低仅有6.92%。同侧入口电池组内各单体支管入口流速分布最不均匀，性能比对侧入口电池组工作性能稍好，燃料利用率最高可达32.93%。对侧入口电池组不管工作性能，还是燃料利用率都较差。在全钒微流控燃料电池组时尽量避免使用对侧入口流道结构。其次，在全钒微流控燃料单体电池基础之上，首次提出并研究了钒空气自呼吸微流控燃料电池。这种电池是由微流控燃料电池发展而来，采用气体扩散电极（GDE）作为微流控燃料电池的阴极。使得氧气可以直接从空气中扩散到阴极反应区，参与电化学反应。氧化剂采用空气中的氧气，含量丰富，完全免费，在电池辅助设备上减少了氧化剂储存罐，放电完毕后只需更换燃料即可，在很大程度上降低了电池制造和使用成本。本文模拟了钒空气自呼吸微流控燃料电池和采用溶解氧作为氧化剂的钒溶解氧微流控燃料电池，所得结果进行对比发现：钒溶解氧微流控燃料电池受到氧气质量传输限制严重，氧气无法及时供应到阴极反应区发生还原反应，相应地造成燃料无法氧化发生反应，导致电池性能和燃料利用率极低。并且阴极流道氧气会扩散到阳极流道，发生自放电现象，减少电池容量。钒空气自呼吸微流控燃料电池则很好地克服了氧气质量传输限制，且使阳极反应区燃料反应量加大，浓度梯度增加，促进燃料进一步向阳极扩散，使电池性能和燃料利用率达到很高水平。而在流道内氧气含量极小，几乎不会发生自放电现象。再次，进一步研究了影响钒空气自呼吸微流控燃料电池工作性能的因素，结果发现：（1）阴极反应区有无催化剂对电池工作性能影响明显，添加催化剂比不添加催化剂电池的活化电压损耗小，相同放电电流情况下，可提供更高的放电电压，最大功率密度可提高8倍以上。（2）增加催化剂载量和减小催化剂颗粒体积都可增加电池的工作性能。在条件一定的情况下，催化剂载量从0.055mg/cm2增加到0.55mg/cm2时，电池最大功率密度提高了7mW/cm2左右。催化剂颗粒半径从5nm减小到0.5nm时，电池最大功率密度提高了8mW/cm2左右。为了降低成本，在不增加催化剂载量的情况下，通过减小催化剂颗粒体积提高电池性能，效果与增加催化剂载量相似。（3）虽然工作地点对电池的工作性能具有一定影响，但是影响较小，电流密度-电压极化曲线与功率密度曲线几乎重合。所以钒空气自呼吸微流控燃料电池的地域工作稳定性较好。（4）提高环境温度可提高电池的开路电压和氧气的扩散系数，降低活化电压损耗，使电池获得较好的工作性能。最后，本文建立了一种机械式快速充电纽扣型锌空气自呼吸燃料电池的一维多物理场耦合模型，通过模拟研究发现：（1）随着氧气浓度的提高，电池放电电压会略微提高。所以通过对锌空气自呼吸燃料电池加压以提高氧气浓度或者直接使用高浓度氧气，来提高电池放电电压是不值得的。（2）放电电流密度增大，电池放电电压和工作时间都有所减小。并且放电电流密度与放电电压呈线性减小关系，与工作时间呈指数式减小关系。（3）通过对比电池分别工作在273K，298K，303K的性能，发现随着电池工作环境温度的升高，放电电压升高。工作时间基本不产生变化。（4）氢氧根离子虽然不参与电池的总体氧化还原反应，但是其在阴极和阳极处浓度会因为参加电池半反应产生差异，在一定程度上影响电池的放电性能。氢氧根离子浓度从2100mol/m3增大到8000mol/m3过程中，锌空气自呼吸燃料电池的工作时间迅速增加，同时放电电压也相应有所增大。（5）随着锌颗粒半径的减小，即锌颗粒体积减小，则锌颗粒相对表面积增大，增加阳极区氢氧根离子与锌的接触机会。使锌颗粒的能量得到充分的释放，因此电池放电电压和工作时间都增大。

关键词：钒电池组自呼吸锌微流控

具有可渗透阳极的自呼吸微流体燃料电池性能特性

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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工程热物理学报 2012年第3期33卷 493-496页

作者：叶丁丁张彪杨扬周劲李俊朱恂廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆大学工程热物理研究所重庆400030

微流体燃料电池去除了质子交换膜,避免了膜退化、水管理等问题,是微型燃料电池领域新的研究热点。本文构建了具有可渗透阳极和空气自呼吸阴极的微流体燃料电池,采用甲酸溶液作为燃料对其性能特性进行了实验研究。结果表明:具有可渗透阳... 详细信息

微流体燃料电池去除了质子交换膜,避免了膜退化、水管理等问题,是微型燃料电池领域新的研究热点。本文构建了具有可渗透阳极和空气自呼吸阴极的微流体燃料电池,采用甲酸溶液作为燃料对其性能特性进行了实验研究。结果表明:具有可渗透阳极的自呼吸微流体燃料电池性能随燃料浓度或流量的增加先升高后下降,随电解液浓度的增加而升高;阳极侧反应产生的CO_2气泡对自呼吸微流体燃料电池的性能和燃料利用率的影响较大,适当提高燃料流量有利于气泡的排除。

关键词：微流体燃料电池自呼吸可渗透阳极传质

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小型自呼吸式PEMFC的研制

电池 2008年第4期38卷 204-205页

作者：史鹏飞王二东哈尔滨工业大学应用化学系黑龙江哈尔滨150001

研制了一种小型六单体串联自呼吸式质子交换膜燃料电池(PEMFC),阳极采用串联供氢,阴极采用自呼吸式供空气。在300 mA5、00 mA下长时间工作时,PEMFC的性能稳定,各单体电池的工作电压较均一。

关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFC) 串联自呼吸

被动式自呼吸微型直接甲醇燃料电池组的结构设计

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功能材料与器件学报 2008年第2期14卷 408-411页

作者：张宇峰张鹏张博王路文刘骁马原芳刘晓为哈尔滨工业大学MEMS中心哈尔滨150001

随着社会的发展与进步,具有便携式及可移动性概念的电子产品迅速发展,人们迫切需要能为这些电子产品供电的,具有简单结构、能量密度更高的电源。直接甲醇燃料电池具有低污染、高效率、燃料补充方便且安全性高、结构简单、质量轻、体积... 详细信息

随着社会的发展与进步,具有便携式及可移动性概念的电子产品迅速发展,人们迫切需要能为这些电子产品供电的,具有简单结构、能量密度更高的电源。直接甲醇燃料电池具有低污染、高效率、燃料补充方便且安全性高、结构简单、质量轻、体积小、比能量密度高、容易操作等优势,所以它更适宜成为便携式电子装置的理想动力源。本文采用微机械加工技术制作了新型结构的被动式自呼吸微型直接甲醇燃料电池组,每个单体电池的有效面积为2cm×2cm,在室温条件下,阳极供给浓度为2M甲醇时,电池组开路电压为3.676V,短路电流为153.5mA,最大输出功率为128mW。

关键词：微机械加工微型直接甲醇燃料电池组被动式自呼吸

运行参数对板式和管式自呼吸燃料电池性能影响的研究

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运行参数对板式和管式自呼吸燃料电池性能影响的研究

作者：董磊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

氢能被誉为21世纪最有潜力的能源,其氧化产物只有水,清洁无污染。燃料电池是氢能的主要应用方式,为了实现较高的效能,需要一系列的设备辅助完成水热管理。这使得其在某些应用场景如3C供电、无人机、户外移动电源上不得不采取一些取舍:... 详细信息

氢能被誉为21世纪最有潜力的能源,其氧化产物只有水,清洁无污染。燃料电池是氢能的主要应用方式,为了实现较高的效能,需要一系列的设备辅助完成水热管理。这使得其在某些应用场景如3C供电、无人机、户外移动电源上不得不采取一些取舍:舍弃寄生设备,直接将阴极暴露于空气中。自呼吸燃料电池的概念应运而生,因为缺少阴极状态控制,自呼吸电池的性能极易被外界因素影响。为了探究操作条件与电池特性之间的关系,并且避免板式电池的结构缺陷,本文就自呼吸燃料电池的工作特性开展了实验与仿真相结合的研究。设计了三种结构的燃料电池并对电池的膜电极接触特性进行了分析,选用控制电压法来测量电池的极化曲线,并结合长时间运行曲线来分析电池的输出特性。环境湿度的增加、阳极流量的降低,都会通过增加电解质水含量、降低内阻而提高电池性能。板式电池阴极的不同朝向对于电池的极化曲线和长时间曲线有着截然相反的影响。进行了管式与板式自呼吸电池的对比实验和结构对比分析。因为管式电池的接触更好,热容更小,较板式电池的输出电流提升了20～40%。对于不同的外部对流强度,强制对流可以降低电池温度,保持边界层内水活性提高电流密度。长时间的恒电压输出会对膜电极的性能造成小幅衰减,但是可以通过在不同电流下活化一段时间消除不利影响。对于管型电池的瞬态特性利用COMSOL进行了多物理场耦合仿真,计算了大空间、温度与浓度共同影响下的阴极自然对流情况。环境因素对于电池性能的影响主要发生在温度、速度和浓度边界层内,确定了温度对于阴极自然对流的贡献约占75%,浓度贡献约占25%。对于电池的瞬态特性做出了分析,发现影响电池性能的主要是电池的温度和电解质水含量。

关键词：自呼吸板式燃料电池管式燃料电池极化曲线