基于石墨烯气凝胶的高比能量被动式微型直接甲醇燃料电池研究

As the research focus of micro power sources, passive micro direct methanol fuel cell (µDMFC) can become the most promising approach for energy supply of MEMS device because of its many advantages, such as simple structure, high energy density, long working time, etc. Limited to the problem of methanol crossover, the specific energy of a µDMFC is much lower than its theoretical value. In this project, the novel three dimensional carbon bulk nanomaterial, graphene aerogel, is adopted as the gas diffusion layer and mass transportation barrier layer for the design of a µDMFC. This design can increase the specific energy by lowering methanol crossover, and it also avoids the disadvantages of the traditional mass transportation barrier layer, which is expressed as large system volume and high inner resistance. The main research contents are as follows: 1) it will optimize the micro structure of graphene aerogel by building a model based on micro scale science, electrochemistry and fluid dynamics, and it will launch the study on the controllable preparation of graphene aerogel; 2) it will optimize the structure and composition of catalyst layer, studying the preparation method of catalyst layer, optimizing the hot-press process of membrane electrode assembly; 3) it will use MEMS technique to fabricate the microstructure and encapsulate a µDMFC, conducting the performance test to validate the model and the simulation. The research of the project is related to the many fields such as MEMS, electrochemistry, materials, new energy, etc. The results are of great importance for the practical application of µDMFC.

作为MEMS微能源领域的研究热点，被动式微型直接甲醇燃料电池（µDMFC）因结构简单、能量密度高、持续工作能力强等优点有望成为最具前途的微系统能源供给方式，但是受甲醇渗透的限制，其比能量远低于理论值。本课题以新型三维纳米碳材料石墨烯气凝胶作为气体扩散层同时兼作传质阻挡层来进行被动式µDMFC的结构设计，从而达到降低甲醇渗透、提高系统比能量的目的，同时也避免了传统的传质阻挡层结构导致的系统体积增加或内阻增加的问题。主要研究内容包括：1）结合微尺度学、电化学以及流体动力学进行建模仿真来优化石墨烯气凝胶的微结构，同时开展石墨烯气凝胶的可控制备研究；2）进行催化层的结构设计以及制作方法研究，优化膜电极的热压工艺流程；3）利用MEMS 技术实现被动式μDMFC的微结构，进行器件的封装与性能测试，验证模型。本课题涉及到微机电系统、电化学、材料、新能源等研究领域，是典型的多学科交叉前沿课题。

作为MEMS微能源领域的研究热点，被动式微型直接甲醇燃料电池（µDMFC）结构简单、能量密度高、持续工作能力强，有望成为最具前途的微系统能源供给方式。但是由于甲醇渗透现象的存在，导致µDMFC的比能量远低于理论值。本课题以石墨烯气凝胶作为气体扩散层同时兼作传质阻挡层来进行被动式µDMFC的结构设计，来降低甲醇渗透、提高系统的比能量。首先我们采用石墨烯气凝胶作为载体进行了Pt基催化剂的制备，其电化学活性面积为95m2/g、，且在甲醇溶液中的稳定性也得到了显著的提升。当采用石墨烯气凝胶来代替PTFE进行阳极微孔层制作时，在其含量为70%的情况下，µDMFC的甲醇溶液最佳使用浓度提高到7M，60℃时，输出为33mW/cm2；在用作阴极微孔层制作时，µDMFC在60℃时输出为41.2mW/cm2。我们也采用不锈钢烧结毡与石墨烯气凝胶的复合材料来作为极板，并代替传统的碳纸进行气体扩散层的制作，所制作的µDMFC甲醇溶液的最佳使用浓度同样提高到7M，室温下输出性能为20.8mW/cm2，当甲醇溶液的浓度提高到11M时，其输出性能仍然在10mW/cm2以上，且放电时长以及稳定性均得到了大幅的提升；用作阴极气体扩散层时，同样表现出优异的阴极水管理特性。最后，为了解决高传质阻力下的二氧化碳排放问题，我们在阳极膜电极的侧面设计了微沟道来作为二氧化碳气体的排放通道，并对其进行了超疏水处理来防止燃料泄漏，测试结果表明我们的设计可以使得绝大部分的二氧化碳不经过储液腔而直接由膜电极侧面排出，从而极大的提高了µDMFC在阳极高传质阻力下的放电稳定性问题。