基于石墨烯复合电极的MEMS微型直接甲醇燃料电池研究

As a most potential micro power source device, micro fuel cell become an emphasis of MEMS technology due to their advantages of high power density, long operating time, short start-up time and so on. However, there are still many defects in materials, structure designs which limit the performance of the cells and the development of practicality. This project comes up with structure designs of the electrode based on graphene compound to improve the efficiency of the catalyst and reduce the inner contact resistance of the membrane which leads to a excellent performance. At first, a two-phase model of μDMFC based on graphene compound electrode is established. The transfer process of the reactants and products in the different layer of carbon paper layer and grapheme layer are analyzed respectively to optimize the structure parameter of grapheme layer and external structure of the μDMFC design. Based on above analysis, the high performance grapheme compound electrode is produced by reduced graphene oxide method. At last, a μDMFC is fabricated using MEMS technology. The testing of the μDMFC will verified the veracity of the modeling. This task involves in electronic, chemistry, material and new energy. As an advanced multi-subject task, it will be very important in the new MEMS micro power source technology.

微型燃料电池是MEMS技术领域的研究热点，因其能量密度高、持续工作能力强、快速启动等优点有望成为微系统中最具前途的微能源方式。然而目前在材料结构等方面的不足限制了电池性能，从而限制了其实用化的发展。本课题基于石墨烯复合电极结构设计，提高电极催化效率，降低膜内阻，从而提高电池性能。首先建立了基于石墨烯复合电极的μDMFC两相传质模型，通过该模型分析了复合电极中碳纸层和石墨烯层内部的反应物和生成物分别进行两相传质过程，优化了石墨烯层结构参数以及电池外部结构参数。在此基础上，利用还原氧化石墨烯方法制备了一体化高性能石墨烯复合电极。最后，利用MEMS技术制作μDMFC单体样品并进行测试。利用放电性能等测试结果验证模型预测的准确性。本课题研究涉及到电子、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，将为新一代MEMS微能源技术的应用奠定坚实的科学与理论基础。

目前微型燃料电池在材料结构等方面的不足限制了电池性能，从而限制了其实用化的发展。本项目基于石墨烯复合电极结构设计，提高电极催化效率，降低膜内阻，从而提高电池性能。首先建立基于石墨烯复合电极的μDMFC两相传质模型，通过该模型分析了扩散层和催化层内部的反应物和生成物进行的两相传质过程，优化了电池膜电极的结构参数以及电池外部结构参数。在此基础上，利用还原氧化石墨烯方法制备了一体化高性能石墨烯复合电极。最后，利用MEMS技术制作μDMFC单体样品并进行测试。利用放电性能等测试结果验证模型预测的准确性。. 经过三年时间的项目执行，建立了μDMFC三维两相传质模型，对扩散层以及催化层内部的反应物和生成物分别进行了两相传质分析。研究了多孔石墨烯薄层的制备方法，制备出新型石墨烯复合电极，从而制备出高性能μDMFC，最大功率密度可达24.3 mW/cm2。本项目还针对μDMFC单体电池不同结构和操作环境参数的优化及电池性能分析。. 在本项目的支持下，项目负责人作为第一作者或通讯作者发表与本项目直接相关SCI期刊论文5篇，已发表的论文中ESI高被引论文1篇，一区1篇，二区2篇。授权发明专利3项，申请发明专利4项。以上成果均已标注本项目资助号（61704041）。至今，培养硕士生6人。