项目名称: 基于可再生阴极的高燃料浓度微流体燃料电池内多过程耦合传输特性研究

项目编号: No.51506046

项目类型: 青年科学基金项目

立项/批准年度: 2016

项目学科: 能源与动力工程

项目作者: 刘春梅

作者单位: 河南科技大学

项目金额: 21万元

中文摘要: 微流体燃料电池是一种利用微通道内多股流体呈平行层流特性而自然分隔燃料和氧化剂的新型燃料电池,是便携式电子设备最具潜力的电源之一。本项目采用电化学活性高、氧气条件下即可再生、阴极反应无需催化剂的Fe2+/Fe3+氧化还原对作为氧化剂,构建阴极可再生、阳极可采用高浓度燃料的微流体燃料电池,以解决燃料渗透引起阴极电位降低的问题。实验研究该电池含电化学反应、阴极再生反应、氧气由气相通过憎水碳纸微孔到电解液相的传输、质子传递等多过程耦合下物质传输对电池产电和阴极再生转化特性的影响。在此基础上,建立能够完整描述电池内阳极两相流动与传输、阴极多组分传输、氧气传输和质子传递等多过程耦合下多组分物质传输的理论模型,并进行数值求解。将实验研究与理论分析相结合,揭示不同阴极和阳极操作条件下电池内物质传输、电化学反应、阴极再生过程与电池产电特性之间的相互作用关系,为高性能微流体燃料电池的研究与开发奠定理论基础。

中文关键词: 微流体燃料电池;可再生阴极;高燃料浓度;多过程耦合;传输特性

英文摘要: A microfluidic fuel cell is a new type of the micro fuel cell which exploits the co-laminar flow nature of multistream in a microchannel to segregate the fuel and oxidant and therefore eliminates the proton exchange membrane adopted in the traditional fuel cell. It is regarded as one of the promising micro power sources for portable applications. The Fe2+/Fe3+ redox couple is adopted as an oxidant with some advantages such as high electrochemical activity, regeneration under the oxygen condition and no need of catalysts for cathode reaction. And a microfluidic fuel cell is constructed with high fuel concentrations and the reproducible cathode to solve the problem associated with the severe cathode depolarization caused by fuel crossover. In this project, the experimental and theory methods are adopted to explore the relations between the mass transfer and the performance of the microfluidic fuel cell, respectively. By experimental researches, the influences of the mass transfer on the performance of this fuel cell and the conversion characteristics of cathode regeneration under the coupled several processes are studied. The processes in this fuel cell mainly include the electrochemical reactions, cathode regeneration, and a complex process of the multi-component transport involving the flow and transfer of the reactants, oxygen transfer from the air to the micro holes in the hydrophobic carbon paper and to cathode electrolyte, and proton transfer and so on. Based on the experimental results, the whole model of the multi-component transfer under the coupled processes in the microfluidic fuel cell is set up and solved by the numerical solution. In this model, the relevant transfer processes are the gas-liquid flow and multi-component (proton, oxygen, redox couple and so on) transport. By combined the experimental research and theoretical analysis, the interactions among the mass transfer, electrochemical reactions, cathode regeneration and the power generation of the microfluidic fuel cell are revealed, which provide a sound theoretical basis for the research and development of microfluidic fuel cells.

英文关键词: Microfluidic fuel cell;Cathode regeneration;High fuel concentration;Coupled processes;Transport Characteristics

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