容积式三维阳极催化自呼吸微流燃料电池内两相流动及传递特性

微流燃料电池是一种将流体层流流动的特点与燃料电池发电过程结合起来的一项新技术，是便携式设备最有前景的替代电源之一。本项目提出容积式三维阳极催化自呼吸微流燃料电池的新型结构，即增加了电极反应的比表面积，又强化了反应物传质，提高了电池性能与电极布置的灵活性，并针对容积式三维阳极催化自呼吸微流燃料电池，开展具有催化反应的微通道内气液两相流动可视化实验研究，获得包含有催化反应的复杂微小毛细结构材料内两相流型特征及阻力特性；建立描述阳极侧容积式三维电极催化的微通道内多尺度传递模型；结合阴极侧氧气的自然对流及在多孔呼吸电极内的传输控制方程，建立能够完整描述容积式三维阳极催化自呼吸微流燃料电池内两相流动与传输现象等多过程耦合的理论模型，得到电极结构、燃料浓度、流量及环境条件等参数对反应物传输及电池性能的影响规律，为高效微流燃料电池的研究开发奠定理论基础。

微流燃料电池利用微通道内两种流体层流流动而自然分开的特点而去除了质子交换膜，是便携式设备非常有前景的替代电源之一。本项目主要研究容积式三维阳极催化自呼吸微流燃料电池内耦合电化学反应的两相流动及传输特性。通过系统地实验研究和理论分析，获得了异形截面微通道内的气液两相流动流型及其转换规律；提出了采用反复沉积浸渍的新电极制备方法，发现所提出的新方法有助于提高微流体燃料电池中阳极燃料甲酸的氧化性能；构建了容积式三维阳极催化自呼吸微流燃料电池，研究了电极排列方式、燃料浓度、电解液浓度及流量等因素对电池性能及传输特性的影响，并对电池内二氧化碳气泡的动态特性与产电性能之间的耦合关系进行了实验研究，发现电池放电性能的波动与气泡和气膜的形成和排出的周期性过程密切相关。理论方面，建立了完整描述容积式三维阳极催化自呼吸微流燃料电池内包含燃料在三维阳极电极、氧化剂在阴极多孔电极内的传递、质子从阳极向阴极的传输及电化学反应等多过程耦合的理论模型，得到了电池内耦合电化学反应的多组分传递规律及燃料渗透特性。在阳极电极制备、电池结构型式等方面进行了创新。为微流燃料电池的应用及发展奠定理论基础。