微型无膜燃料电池柱状碳纳米墙立体电极与碳纳米管导流网板设计及电池性能研究

Micro membraneless fuel cells have the potential for powering portable electronics and could also serve as on-chip energy sources for future autonomous sensors and actuators. But the fuel utilization is not high enough because of the existence of the diffusion between fuel and oxidant streams. In order to increase the fuel utilization, we put forward to prepare the three dimensional (3D) carbon nanowalls (CNWs) electrodes and porous carbon nanotubes (CNTs) guide plate in the micro channel with microwave plasma chemical vapor deposition (MWPCVD) technology. The 3D CNWs electrodes can accelerate the diffusion rate and reduction or oxidation rate on the surfaces of electrodes, and the CNTs guide plate can prevent the convective mixing between fuel and oxidant streams, thus the fuel utilization can be improved. The diffusion of the micro fluid under multiphysics effects will be studied using computational fluid dynamics method. The strengthen effect of column CNWs electrodes on the diffusion of micro fluid and the suppressive effect of porous CNTs guide plate on the convective mixing will be analyzed. And the distribution principle of the 3D CNWs electrodes and the CNTs guide plate will be formulated. The 3D CNWs electrodes and CNTs guide plate will be prepared through MWPCVD technology, and the mechanism of column CNWs growth under the effect of catalyst will be studied. The effects of the architectural features and distribution of column CNWs electrodes on the diffusion and chemical reaction rates, and the suppression effects of the porous CNTs guide plate on the convective mixing between fuel and oxidant streams will be analyzed. Through the integration of 3D CNWs electrodes and CNTs guide plate, the power density and the fuel utilization of the micro membraneless fuel cells will be improved.

针对微型无膜燃料电池因液流之间扩散所导致的燃料利用率较低这一问题，本研究提出在该燃料电池内部分别构筑碳纳米墙立体电极和碳纳米管多孔导流网板，通过碳纳米墙立体电极对单一液流内部物质扩散和电极表面反应的局部增强作用，以及导流网板对不同液流之间对流的整体抑制作用的结合，调控燃料和氧化剂的扩散，提高燃料利用率和能量密度等关键性能。.利用计算流体力学方法，研究多重物理耦合作用下微流体的扩散过程，模拟分析立体电极对微流体扩散的强化作用以及多孔导流网板对液流的稳定作用，确立立体电极和导流网板的设计原则。采用等离子体化学气相沉积技术制备碳纳米墙立体电极和碳纳米管导流网板，分析催化剂作用下柱状碳纳米墙的生长过程，掌握柱状碳纳米墙立体电极的生长机理。获取立体电极和多孔导流网板的结构特征与分布对电池关键性能的影响规律，为具有新型电极结构和导流网板的微型无膜燃料电池的制备提供理论依据和实验基础。

利用Comsol软件建立了多物理场作用下微流体的输运研究，模拟分析了立体电极存在条件下电极对反应物质的消耗分析、立体电极对液流的扰动模拟，实验观察了立体电极对液流的扰动，模拟分析了微流场中导流网板的存在对氧化液流与还原液流之间的对流的抑制作用，分析了其消除立体电极对液流扰动的影响。通过上述研究，提出了提高燃料电池功率密度、提高燃料利用率的基本措施，位于两排导流网板之间的液体流速较大，其快速通过中间区域，能显著消除氧化剂液流与还原剂液流之间的混合，消除反应物质混合带来的不利影响，提高燃料的利用率；氧化剂和燃料反应区则布置立体电极，提高功率密度。.通过在电极和合适部位布置硫脲与铜离子的络合物，在其催化作用下，利用微波等离子体合成了柱状碳纳米墙和碳纳米管导流网板。研究认为，由于硫脲与铜生成了络合物，该络合物在等离子体的作用下能加速碳纳米墙的形成并显著提高碳纳米墙的生长速度，同时，由于周围碳纳米墙的生长，对硫脲与铜催化生长的碳纳米墙起着支撑作用，因而导致了柱状碳纳米墙的形成。.针对无膜燃料电池中氧化剂和燃料之间必定存在的少量混合情况，对催化剂体系进行了研究，阳极采用铂系催化剂，而阴极采用氮掺杂碳纳米材料。在阳极催化剂制备方面，采用浸渍法结合等离子体还原技术，能有效促使铂原料直接附着在纳米碳纳材料表面，因而能有效提高碳纳米材料对铂的负载能力，氢等离子体作用下的铂具有更为合适的电子结合能，赋予铂更为优异的甲醇氧化能力和电化学稳定性能。通过催化剂中银、钴等的掺入，能更为有效地改善催化剂的电子结构，能促进甲醇催化氧化能力和电化学稳定性能的提高。在阴极催化剂方面，制备了氮掺杂碳纳米墙和碳纳米管材料，氮掺杂碳纳米材料中大量缺陷及氮的存在能显著提高碳材料的催化氧还原能力。研究发现，与通用的铂系催化剂相比较，氮掺杂碳纳米材料不仅具有较高的ORR活性和稳定性，更为重要的是，该材料具有极好的抗甲醇干扰能力，因而能有效用于微型无膜燃料电池的制备。.初步实现了微型无膜燃料电池的封装。当燃料流速为250μL/min时，电池的燃料利用率大于65%, 功率密度达到3mW/cm2。