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被动式直接甲醇燃料电池研究进展

摘要:被动式直接甲醇燃料电池(被动式DMFC)以其能量密度高、可靠性好、便携性好等优点,成为目前广泛研究用作笔记本电脑电源的燃料电池技术。详述了被动式DMFC各个关键组成部件的开发和研究进展,并介绍了目前存在的问题和对未来的展望。

被动式直接甲醇燃料电池(被动式DMFC)是直接利用甲醇水溶液或甲醇蒸汽作为燃料,氧气或空气作为氧化剂的一种燃料电池。它除了具有直接甲醇燃料电池的无污染、高能量密度、高效率、无噪声和可连续工作等优点之外,还由于被动式DMFC具有单纯利用重力、毛细作用和自然对流等方法,阴极空气、阳极甲醇溶液或者甲醇蒸汽自然吸入膜电极组件(MEA),不使用动力泵的方式给电极供料,完全摒弃了外置的甲醇蠕动泵和空气泵的特点,大大减少了电池的功耗,提高了能量利用率。并且被动式DMFC一般工作在室温环境和较小的电流密度下,不需要单独的温度控制系统和水管理系统,进一步简化了电池结构,减小了系统功耗。所以,被动式DMFC被认为是最有希望取代锂离子电池成为新一代便携设备电源的技术之一。

被动式DMFC一般由三合一膜电极组件(MEA)、阳极供料系统、阴极空气补给系统3个部分组成,另外电池以及电堆的结构设计也对电池的性能和便携性有较大影响。近几年来,很多研究者都致力于被动式DMFC的研究,希望解决被动式DMFC由于阴阳极的被动进料和低温工作环境而引起的功率密度低的问题。本文作者将从以上4个方面介绍国内外关于被动式DMFC技术的研究进展。

1膜电极组件(MEA)的研究进展

膜电极组件(MEA)是DMFC的核心部件,通常由一对气体扩散电极(GDL)和质子交换膜通过热压组成。对于主动式DMFC的MEA技术已经有很多研究者进行了系统的研究,但由于被动式DMFC采用了不同的甲醇进料方式和空气补给方式,相对主动式DMFC有不同的影响因素,所以近几年很多研究者根据被动式DMFC的特点,对MEA结构进行了改进和发展。由于被动式DMFC传质速率较慢,工作温度较低,膜电极的活化过程相比主动式DMFC需要更长的时间,以充分打通MEA的反应物和产物通道,获得更高的电池性能。

Kho等[1]人详细研究了被动式DMFC膜电极的活化过程,结果显示,相比单纯使用水的预处理过程,使用甲醇水溶液进行MEA的预处理方法有更好的活化效果,并能缩短预处理时间。被动式DMFC特殊的进料方式对反应物和产物的扩散速率提出了较高的要求,而MEA中的气体扩散层(GDL)结构又对物质的扩散速率有很大的影响,所以如何改进GDL的结构,达到更好的传质效果是被动式DMFC膜电极的一个研究热点。Lin等人[2]研究了扩散层中聚四氟乙烯(PTFE)含量对性能的影响。结果表明,电池开路电压随GDL中PTFE载量的增加而上升,电池内阻也随GDL中PTFE载量的增加而增加。

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