异型直接乙醇燃料电池的电性能与模拟计算研究

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直接乙醇燃料电池(Direct Ethanol Fuel Cell,DEFC)作为新一代清洁能源受到越来越多的重视。它具有清洁高效、比能量高、结构简单等优点。目前的研究主要集中在单电池实验阶段,电池多为平板型结构,这导致DEFC体积庞大、成本较高、燃料运输和水热管理困难等问题。针对平板型DEFC的不足,制备了一种异型的DEFC。文中采用了实验测试和模拟研究相结合的方式,通过实验测试获得一些基本数据,然后在Comsol Multiphysics软件中进行建模分析,模拟结果为燃料电池的实验研究提供了一定的理论参考。   异型DEFC阳极选用石墨板或石墨管结构,催化剂为水热法合成的Pt—SnO2/C催化剂,实验结果表明Pt、SnO2原子比为3:1的催化剂的电性能最佳。异型DEFC管状阴极采用凝胶注模成型工艺,掺杂一定比例的石墨粉和中间相碳微球(MCMB)制备而成。文中对制备的MCMB浆料粘度,烧结体强度、孔隙率、密度,阴极的电性能进行了实验测试。综合实验结果表明,石墨含量为40%的烧结体是最优的管状阴极支撑体,其孔隙率达到50%以上,电阻较小,强度符合使用要求。然后对管状阴极进行了模拟计算研究,分析了其内部水分、氧气等组分的浓度分布情况,以及电池操作条件、阴极结构参数对电池阴极性能的影响。另外在其催化层厚度为80μm左右、扩散层和烧结体孔隙率越高、进气压力越高时,会得到较好的电池性能。   最后使用涂有Pt、SnO2原子比为3:1催化剂的阳极管,石墨含量40%、催化层厚度为80μn的阴极管和全氟磺酸nafion117膜组装单电池,进行单电池发电性能试验。测试了单电池在不同乙醇浓度、不同操作温度等条件下的电池性能。当采用0.5mol/L硫酸1mol/L乙醇为电解液,温度为60℃时,其单电池功率密度超过8mW/cm2。
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