直接乙醇燃料电池膜电极中物质传输特性研究

Direct ethanol fuel cells (DEFCs), which promise to be a clean and efficient energy production technology, have recently attracted worldwide attention. However, one of the key issues in DEFCs is the low performance. The fuel cell system is a complex system involving mass/ion transport coupled with electrochemical reactions, and thus the characteristics of mass/ion transport significantly affects the cell performance. The primary objective of this project is directed at the understanding of the characteristics of mass/ion transport through membrane electrode assembly (MEA) and investigating the effect of each MEA component by combining experimental and numerical approaches, mainly including i) the characteristics of mass/ion transport in the anion-exchange membrane, ii) the characteristics of mass/ion transport coupled with electrochemical reactions through the porous electrode, and iii) modeling and simulation of mass/ion transport through the MEA. With the results obtained by completing the foregoing tasks, we will optimize the MEA design by targeting to improve the performance of DEFCs. The extraordinary improvement in performance will revolutionize flow battery technology and allow greater penetration into the market.

作为一种清洁、高效的可持续能源转化技术，直接乙醇燃料电池被视为最具吸引力的下一代便携式电源。然而，目前直接乙醇燃料电池所面临的关键问题之一是其较低的电池性能。燃料电池系统是一个涉及多种物质传输及与电化学反应相耦合的复杂体系，传输特性对其性能有着重要影响。本项目就是以直接乙醇燃料电池为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法探究直接乙醇燃料电池膜电极中物质传输特性。实验研究揭示阴离子交换膜中物质传输特性和多孔电极中物质传输与电化学反应耦合特性；建立直接乙醇燃料电池传输模型，分析直接乙醇燃料电池内不同物质传输特性及电化学反应特性；揭示直接乙醇燃料电池膜电极中物质传输特性及各设计和运行参数的相互关系和影响规律，为膜电极与系统设计优化提供理论基础。

乙醇这种可再生、碳中性的特点使直接乙醇燃料电池近年来受到全世界广泛的关注并被公认为最具发展潜力的可再生能源技术之一。本项目通过多种在线测量技术，一定程度上明晰了阴离子交换膜中物质传输规律，给出了阴离子交换膜的最优运行参数，揭示了各种离子交换膜的电荷载体分布规律，最终确定了在该燃料电池体系下离子交换膜的主要电荷载体是阴离子。通过全电池的系统研究，揭示了直接乙醇燃料电池膜电极中物质传输特性及各设计和运行参数的影响规律，从而设计出了既能强化物质传输，又能增强反应动力学的新型双功能电极。基于以上实验研究，构建了阴离子交换膜燃料电池传输模型，并进行了实验验证；另外，已将该模型应用到了相同体系下不同燃料运行的阴离子交换膜燃料电池中，并探究了运行及设计参数对电池性能的影响规律。该成果一定程度上可为阴离子交换膜燃料电池多孔电极的优化设计提供理论指导。本项目相关研究成果可为其他类型燃料电池的电极优化及其性能提升提供一定的理论和实践指导，有助于推动燃料电池的发展与应用。