哈工大优秀毕业论文-CNT基阴极扩散电极的研究 ㊣ 精品文档 值得下载

有效抑制甲醇渗透并且有利于阴极排水速率，延长电池的工作时间，提高电池长时间工作稳定性。

交流阻抗测试交流阻抗测试是本论文的最后项实验，同时也是电化学测量中常用的种评估电池内阻的手段。

交流阻抗又称为电化学阻抗谱，。

其原理是对电化学体系外加定振幅不同频率的交流信号，使电极电位在平衡位置附近扰动，然后通过观察和记录电化学体系随不同的扰动信号频率而产生的变化来对体系的电化学特性进行表征。

的曲线可以分为三个分弧，分别对应着高频弧中频弧和低频弧。

这三部分分别代表着电池不同性质的极化阻力。

本实验主要观测的是高频弧，它主要表征的是发生欧姆极化时的欧姆内阻，这是因为高频弧主要衡量电子和质子在电池内的传质阻力大小。

当传质阻力大时，也意味着欧姆内阻较大，从曲线看就是曲线与实轴交点偏右。

本文利用曲线来比较传统电池和欧姆内阻的大小。

在，电流密度为条件下恒流放电。

同时为了验证哈尔滨工业大学本科毕业设计论文在高浓度大于或者等于下具有比传统电池更好的性能，本论文分别在了甲醇浓度为和三种情况下进行测试。

测试中，扫描信号为交流正弦信号，振幅设为，扫描起始频率为，终止频率为，每个频段取个点。

图为不同甲醇供给浓度下，和传统电池的曲线对比。

当甲醇浓度为时，的内阻为，而传统电池的欧姆内阻为。

当甲醇浓度为时，的内阻为，而传统电池的欧姆内阻为。

当甲醇浓度为时，的内阻为，而传统电池的欧姆内阻为。

基于这此时结果，我们可以得到如下结论阳极甲醇的供给浓度较高时，基新型阴极扩散电极的存在有益于抑制甲醇从阳极透过质子交换膜渗透到阴极，从而降低了质子传输阻力，继而降低了整个的内阻。

图，条件下，甲醇浓度为时，传统电池和的曲线对比，条件下，甲醇浓度为时，传统电池和的曲线对比，条件下，甲醇浓度为时，传统电池和的曲线对比。

哈尔滨工业大学本科毕业设计论文本章小结本章完成了对和传统电池的全部测试，并对测试结果进行了全面的分析，得到如下结论在条件下，的最优浓度为，所达到的最大功率密度为而碳纸的最优浓度为，所达到的最大功率密度为。

在时，和传统电池的性能差距随着电流密度的增大而明显减小，电流密度增大也就意味着电池电极反应加剧，阴极生成水的速率加快，所以传统电池阴极水淹现象也就成为了阻碍电池性能提高的重要因素，因此传统电池的性能下降快。

而相比之下，纸内部的毛细凝聚现象增强了阴极排水速率，有效解决了阴极水淹现象带来的传质问题催化剂腐蚀问题等阻碍电池性能的各种不利因素。

在条件下，对于来说，当甲醇浓度为时，电池达到了最大的功率密度，约为，而传统电池的甲醇最优浓度为，此时电池达到了最大的输出功率，约为。

最优浓度的结论与时的结论相同，高浓度的优势再次体现出来。

时，传统电池在高浓度时性能下降明显大于。

而且，在浓度大于或者等于时，的最大功率密度超过了传统电池。

长时间放电测试显示相同条件下，的工作时间远大于传统电池，超出传统电池。

定量计算水传输系数能量转换效率和燃料利用率。

实验结果显示，的水传输系数只有，而传统电池的水传输系数达到了。

的燃料利用率达到了，而传统电池只有。

的能量转换效率达到了，而传统电池只有，哈尔滨工业大学本科毕业设计论文第章结论本文针对直接燃料电池的阴极水管理，从理论和实验两个角度出发，通过在膜电极中引入碳纳米管纸作为阴极扩散层的方式，实现了水渗透的降低，减小了阴极排水压力，同时抑制甲醇渗透，提高电池的功率密度。

本文首先研究了微型直接甲醇燃料电池中水管理系统的工作机理，并结合纸自身的特点低孔隙率亲水性以及毛细管状结构分析了纸对电池水传输所具有的的影响。

接着通过法制备传统膜电极和带有基新型扩散电极的膜电极，最后测试了二者的放电性能水管理效果和稳定性等几个方面的表现。

通过以上工作，本论文主要得到了如下结论基新型阴极扩散电极能够增大水的液压渗透分量，使得更多的水从阴极反回阳极，进而降低了阳极腔内甲醇溶液的浓度，抑制阳极甲醇渗透对电池的影响。

和传统电池相比，新型燃料电池可以工作在更高浓度的甲醇溶液条件下，这就提高了电池的功率密度，延长电池的放电时间。

对于传统电池来说，条件下，随着甲醇浓度提升电池性能下降较快，时的最大输出功率与相比，下降了。

而在时的最大输出功率与相比，仅下降了。

而且无论在还是，的最优甲醇浓度均为，而传统电池的最优浓度均为。

基新型阴极扩散电极能够提高阴极排水速率，使得阴极储存的水分快速蒸发到空气中，解决阴极水淹所带来的种种不利影响。

长时间恒流放电结果显示，在的甲醇浓度以及工作电流条件下，的放电时间为，超出传统电池的。

而且传统电池输出电压下降迅速，输出电压则缓慢平稳，这表明的长时间工作稳定性较好。

定量评估传统电池和的水管理效果，在长时间放电过程中传统电池的水传输系数为，而的水传输系数仅为。

同时，的燃料利用率以及能量转换效率都高于传统电池。

所以电池单体的整体性能都要优于传统电池。

哈尔滨工业大学本科毕业设计论文参考文献，，，，王拓，刘桂成，王萌微型直接甲醇燃料电池的研究进展，，，，，，，，，，，，，，，。

，，，，，，哈尔滨工业大学本科毕业设计论文，，，，，，，，，，，，，，，滨工业大学本科毕业设计论文针对这个方程可以做些简化来描述阴极水的累积速率。

首先，由于扩散液压渗透以及蒸发而导致的水的传输可以忽略，因为这些水和通过以及阴极还原反应产生的水相比是很少的。

甲醇渗透量的计算式从甲醇损失中减去甲醇反应的量。

室温条件下，中甲醇的燃料利用率通常低于。

因此，假设效率是。

根据如上的简化条件，最终的甲醇累积速率可以由如下方程描述计算出来的水的累积速率如表所示，大约为·，大致和阴极有效面积为并且工作在横流室温条件下的燃料电池的阴极累积水的速率大致相同。

换句话说，在电充工作个小时之后，在阴极窗口上将会覆盖层厚度为的水薄膜，这会严重降低的性能和持久性。

表阴极水累积速率的近似计算值，电池有效面积为，工作在电流密度为室温条件下毛细现象的原理在本论文设计的结构中，阴极多余的水由微型毛细管道排出。

个毛细管道的半径是，如图所示为理想情况。

当水到达孔洞时，孔洞中的水在毛细力的作用下被提升其表面形成了半月形。

根据拉普拉斯方程，半月形的表面在不同的横向压强下达到种平衡。

哈尔滨工业大学本科毕业设计论文图亲水性毛细管的工作原理，水在表面张力作用下克服重力沿着管道向上移动，毛细管出口边缘处接触角变化其中代表液相压强，是周围环境的压强，代表水的表面张力系数，代表水的接触角。

根据方程，如果半月形表面所受到的横向压强足够大，比如和都很小时，水可以克服重力被压到固态基板的表面。

因此，半径更小的毛细管道以及亲水性的材料也就是小的接触角，可以作为高效排水的参考方案。

在毛细管排水口的边缘处，切线受水和管道接触处的影响如图所示。

这种情况下有效的接触角从增大到为。

结果是需要个更高的压强将水排出已经充满水的毛细管道。

这个压强值可以通过方程计算出来，其中接触角需换成。

举个例子，如果压强差大约为。

更小的接触角能够减小压强差，因此就需要亲水性更好的接触面。

因此，我们设计了种水排出装置，基于亲水性的毛细管，它可以通过水的表面张力将水排出。

表面处理根据本课题的设计，阴极集流板的硅表面应该是亲水性的。

使用的有效方法包括强氧化剂抛光，低温氧气离子体处理等等。

这些方法的基本原理就是把极板表面的氧化为厚度为几个纳米的。

的亲水性非常好，能够将水的接触角降低到几度。

在本课题的研究中，毛细管阵列制作完之后，表面要经过低温氧气等离子体的处理，原因是氧气等离子体对于整体结构的破坏性小，可以在低温条件下进行并且整个处理过程没有液体和酸溶液的参与。

哈尔滨工业大学本科毕业设计论文结构设计这篇文章中带有除水装置和不带有除水装置的的阴极窗口开孔率都是。

整个窗口结构面积是，窗口上每个单个窗格的长度大约是。

毛细管阵列的直径是，它们被设计在窗口的脊上，如图所示。

和直接接触的的毛细管阵列周围的正方形区域经过亲水性处理，如图所示。

首先用水溶液在极板的背面刻蚀大的窗口如图，所示，然后采用技术在制作毛细管阵列。

横跨阴极窗口中央的脊可以提高硅极板的强度。

图带有毛细管的阴极极板结构示意图，和接触的侧，毛细管附近的正方形区域经过亲水处理增强水的收集效果，和空气接触的侧，横截面示意图图所示是阴极收集和排出水的过程。

当阴极极板和的界面处生成水时，水由于表面张力的作用而被排到毛细管阵列中如图所示。

随着电池工作，水位会持续的被提升，然后毛细管阵列就会充满水如图所示。

紧接着毛细管中水压会随着水位的上升而不断增大，迫使其排出毛细管如图所示。

根据计算，当接触角足够小时，将水排出毛细管所需的压力是很小的。

之后出口处的水形成可见的水滴。

阴极极板和地面保持垂直所以水滴可以在重力作用下沿着脊逐渐移动如图所示，在移动的过程中会和其他的水滴融合，然后最终离开极板。

的阳极流场结构是蛇形的，有效面积和阴极极板相同。

沟道和脊的宽度都设计为，这个宽度在我们之前的研究中发现它可以使燃料电池达到最高的性能。

哈尔滨工业大学本科毕业设计论文图水的收集和排出过程，水进入毛细管后从接触空气的孔洞离开，并且形成小水滴，水滴在阴极极板的脊处形成之后在不阻塞极板窗口的情形下沿着极板流动，最终在重力作用下离开极板制造阴极和阳极极板都是在同片硅片上利用技术同时制作的。

极板的加工过程如图所示。

首先在片双面抛光的厚的硅片上