微型直接甲醇燃料电池高性能双催化层膜电极热质传输模型及优化设计

微型直接甲醇燃料电池有望成为便携式电子产品的微型新能源，具有广泛的应用价值。本课题针对目前微型燃料电池燃料利用率低，输出性能差的问题，设计并制备了一种新型的双催化层结构膜电极，在这种新结构的膜电极内部存在着催化剂浓度梯度、亲水/疏水性梯度以及孔隙率的梯度，有利于反应物、产物和热量的传输，同时能提高甲醇的利用率，从而降低甲醇渗透。但由于这种新结构的膜电极结构参数多，单纯通过实验、测试的方法很难有效的实现高性能膜电极设计的目的。采用数学物理模型对DMFC新型膜电极反应过程进行描述，旨在明确电池内传热、传质和电化学反应过程，以及新型膜电极结构参数对电池性能的影响，为新型膜电极结构的优化设计和DMFC的最优工作参数提供理论指导。同时研究中采用MEMS技术制造和封装电池，以模拟和再现最真实的电池工作环境。本研究的成果必将对微型直接甲醇燃料电池电化学反应机理研究以及提高电池性能的应用研究具有重要意义。

微型直接甲醇燃料电池有望成为便携式电子产品的微型新能源，具有广泛的应用价值。膜电极又是直接甲醇燃料电池的核心部件，其结构与制备工艺对电池的性能与使用寿命影响很大。本课题针对目前微型直接甲醇燃料电池（μDMFC）燃料利用率低，输出性能差的问题，设计并制备了一种新型的双催化层结构膜电极。在新型双催化层MEA内从质子交换膜向扩散层形成了三个梯度：催化剂浓度梯度、孔隙率梯度和疏水/亲水性梯度。这有利于传质及反应物的电化学反应从而提高微型直接甲醇燃料电池MEA的性能。通过对制备方法的研究，得出采用CCM-GDE法可以使新型膜电极内催化层与质子交换膜结合紧密，并且使MEA有更丰富的电极反应面积，这对提高电池和使用寿命都极有意义。但由于这种新结构的膜电极结构参数多，单纯通过实验、测试的方法很难有效的实现高性能膜电极设计的目的，为此建立了一个使用新型双催化层膜电极的DMFC沿质子交换膜厚度方向的一维稳态数学模型。该模型全面考虑了可能影响电池性能的主要过程，包括甲醇、氧气、质子在MEA内的传递过程，阳极甲醇氧化动力学、阴极氧还原动力学过程。通过对DMFC模型的研究可以分析出MEA结构（如电极孔结构、双催化层比例等）与DMFC中传质和电化学反应的关系，从而优化双催化层MEA的设计，减少实验所需的时间和费用，缩短MEA的设计周期，从而促进高性能的MEA的研制工作。同时研究中采用MEMS技术制造和封装电池，以模拟和再现最真实的电池工作环境。本研究的成果必将对微型直接甲醇燃料电池电化学反应机理研究以及提高电池性能的应用研究具有重要意义。