【正文】 極流暢結(jié)構(gòu)剖面圖 圖 12 帶有毛細(xì)管陣列的陰極雙極板結(jié)構(gòu)示意圖。這些方法精度較高，而且在該尺寸哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 4 范圍下原料的供給 會更均勻，微型溝槽會產(chǎn)生較強(qiáng)的毛細(xì)力，可用來吸泵儲液區(qū)的原料。在反應(yīng)進(jìn)行過程中，陰極產(chǎn)生的水通過大孔洞的親水性介質(zhì)聚集成大水滴，這些產(chǎn)生的大水滴沿著親水層移動(dòng)。如 圖 13 所示。這種親水性的毛細(xì)管可以收集反應(yīng)產(chǎn)生的水，然后通過水的表面張力將其排出，這種結(jié)構(gòu)可以直接移除水分或者蒸發(fā)，因此易于和 DMFC? s 或者其他系統(tǒng)集成。其排水結(jié)構(gòu)包含經(jīng)親水處理的毛細(xì)管陣列，這些毛細(xì)管陣列采用 MEMS 技術(shù)刻蝕在硅基陰極板的脊上，如 圖 12 所示為陰極極板的正反面示意圖。新型流場結(jié)構(gòu)能夠使電池性能穩(wěn)定工作在初始性能的 95%，而應(yīng)用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)只能使電池性能穩(wěn)定在 60%。陰極溝道保證了足夠的氧氣反應(yīng)接觸面積。 引入新型陰極 微結(jié)構(gòu) Tobias Metz[17]等人設(shè)計(jì)了一種新型的陰極流場結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)多聚物電解質(zhì)燃料電池的水管理能力，如 圖 11 所示?？捎枚嗫捉橘|(zhì)中的水凝聚現(xiàn)象對此結(jié)果做出一定的解釋。 Kong[14]等利用對造孔劑的酸處理和熱處理的來調(diào)變擴(kuò)散層的孔結(jié)構(gòu)，造孔劑是 Li2CO3，并認(rèn)為大孔 (520μ m)主要由酸處理產(chǎn)生，而在 350℃下的熱處理則主要是產(chǎn)生 ( m），這兩種手段對中孔 ( m)的影響都不大。 除了材料性質(zhì)本身對擴(kuò)散層的孔結(jié)構(gòu)有較大影響外，加入造孔劑，采用新的擴(kuò)散層的制備工藝等方法均對擴(kuò)散層的孔結(jié)構(gòu)有一定的影響。結(jié)果表明， MPL 中有 25％的碳納米纖維和 75％的XC72 時(shí)，得到了最好的電池性能。Park[12]等采用碳納米纖維和碳納米管制備 PEMFC 擴(kuò)散層的 MPL。 Wang[11]等采用 Black Pearls 2021和乙炔黑兩種材料的混合碳粉制備 MPL，研究這種擴(kuò)散層對 PEMFC 電池性能的影響。 后來人們發(fā)展了 DMFC 復(fù)合擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)，即在碳紙基底和催化層之間加入一層很薄并且強(qiáng)憎水性的微孔層（ MPL），可改善擴(kuò)散層的孔隙結(jié)構(gòu)，利用憎水性骨架形成的毛細(xì)力，阻礙陰極生成水透過微孔層填充擴(kuò)散層。 優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)材料 [6]等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰極碳紙支撐層中的聚四氟乙烯 (PTFE)含量為 mg／ cm2 時(shí)，電池的性能最好；若進(jìn)一步提高 PTFE 的載量，易堵塞支撐層中的氣孔，增加電池的內(nèi)阻，降低性能。第二，在燃料電池的陰極引入新型的微結(jié)構(gòu)（ micro structure） ，利用微型排水孔道的毛細(xì)力將水排出陰極。而新型 MEA 的制備可以從兩個(gè)方面考慮：第一，從擴(kuò)散層的優(yōu)化入手，優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)，提高陰極水管理能力，從而提高電池在空氣 “自呼吸 ”條件下的性能和穩(wěn)定性。 DMFC 陰極水管理研究現(xiàn)狀 針對陰極水淹的問題，來自全世界各地的眾多研究機(jī)構(gòu)對 DMFC 的研究取得了長足的發(fā)展，分別提出了不同的解決方案。通過深入探哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 2 討 碳納米管 這種新型材料對陰極水傳輸以及氣體傳質(zhì)能力的影響，驗(yàn)證這種新型結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)方案能夠有效的解決陰極水淹問題。在空氣自呼吸式 DMFC? 中，由于電池主動(dòng)排水的能力 比較 差 ，再加上燃料和氧化物缺乏流動(dòng)性，甲醇和氧氣的傳質(zhì)困難則會在很大程度上限制電池的性能。水分不足會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜和催化層的干涸，進(jìn)而引起歐姆接觸電阻增大、活化損失導(dǎo)致輸出電壓降低。同時(shí)，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（ MEMS，microelectrical mechanical system）技術(shù)的快速發(fā)展， DMFC? 的尺寸越來越小，使得 DMFC? 中 的 水管理系統(tǒng)成為關(guān)鍵技術(shù)。隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，陰極產(chǎn)生水的速率遠(yuǎn)大于排出水的速率。 C65176。在 DMFC 中，水大多以水蒸氣的形式離開陰極。其中，水管理是影響 DMFC? 性能的重要 因素之一 。 目前對 DMFC? 的研究主要解決兩個(gè)問題：在維持一定催化劑載量的前提下，提高電池性能并降低電池成本；改進(jìn)便攜式結(jié)構(gòu)，已達(dá)到長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的要求 [4]。 關(guān)鍵詞 ： CNT 紙； 陰極水淹 ；毛細(xì)凝聚； DMFC? 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） II Abstract Micro direct methanol fuel cells ( DMFC? )have been considered as one of the leading candidates for the future portable power sources because of their many advantages including small size, easy operation, high energy density and so on. Water management is one of the most important factors which have impact on electrode potential and overall cell voltage. The amount of water in sDMFC? influences cell electrode activation energy, humidity of electrolyte membrane and efficiency of reactant transfer directly. As micro electromechanical technology develops, the size of bees smaller and smaller, which necessitates highefficiency water management of cells. In this paper, a novel gas diffusion electrode made of carbon nanotubes (CNT) paper is designed to avoid cathode water flooding. CNT paper has strong abilities of water absorption and dispersion, thus it can reduce difficulties of oxygen transfer. Moreover, capillarylike structures in CNT paper are able to induce capillary condensation of water vapor produced by cathode reduction reaction, then condensed water evaporates into air through CNT paper by capillary forces. This characteristics have improved water drainage rate significantly. The paper investigates origins and movement directions of water in fuel cells systematically, bining with properties of CNT paper and analyzes influences it causes to .The result shows that this novel with CNT paper as gas diffusion layer(GDL) presents obvious advantages over traditional fuel cells with carbon paper as GDL. Under the operation condition of 60 degrees centigrade and provided by the methanol concentration of 8mol/L, this novel fuel cell is able to reach the highest power density of , which exceeds the traditional one by %. What is more, the CNT GDL also improves the stabilities of fuel cells when they are applied to longtime discharge process. At the methanol concentration of 6mol/L and operational current density is 100mA/cm2, this novel fuel cell is able to work 494min continuously, which exceeds the traditional one by %. After longtime discharge process, this paper calculates water transmission coefficient quantitatively. The result also certifies that this novel CNT cathode GDL reduce water permeation from anode to cathode apparently, thus it is capable of avoiding water flooding in the cathode. Keywords:carbon nanotubes paper, cathode water flooding, capillary condensation,Micro direct methanol fuel cell 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） III 目錄 摘要 ................................................................................................................................... I Abstract............................................................................................................................. II 目錄 ................................................................................................................................. III 第 1 章 緒論 ..................................................................................................................1 研究目的和意義 ..............................................................................................1 DMFC 陰極水管理研究現(xiàn)狀 .........................................................................2 優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)材料 ...............................................................................2 引入新型陰極微結(jié)構(gòu) ...........................................................................3 主要研究內(nèi)容 ..................................................................................................7 第 2 章 陰極水管理機(jī)理 ..............................................................................................8 DMFC 工作原理 .............................................................................................8 水的傳輸機(jī)理 ..................................................................................................9 擴(kuò)散 .......................................................................................................9 液壓滲透 ...........