【摘要】：柔性電子設(shè)備以其應(yīng)用范圍廣、安全性好、封裝效率高、輕便可穿戴等諸多優(yōu)勢深度影響了未來電子產(chǎn)業(yè)和儲(chǔ)能器件的發(fā)展方向。在眾多的儲(chǔ)能器件中,直接乙醇燃料電池(DEFC)將高能量密度、可再生、無毒的液體乙醇作為燃料,是未來動(dòng)力電源和便攜式電源中最合適的選擇。將直接乙醇燃料電池設(shè)計(jì)成柔性器件,能夠解決目前柔性器件容量低,啟動(dòng)慢的缺陷以及安全性能的問題,能夠?qū)ξ磥砣嵝詢?chǔ)能器件的發(fā)展提供一個(gè)十分可行的策略。然而,傳統(tǒng)的直接乙醇燃料電池、柔性燃料電池存在乙醇產(chǎn)物毒化貴金屬催化劑、質(zhì)子交換膜使用環(huán)境限制、柔性器件功率密度低、以及燃料儲(chǔ)存等問題。本課題為解決這些問題,制備了一種抗毒化、高性能、柔性即滴即用直接乙醇燃料電池,并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究與性能測試。針對(duì)可穿戴器件的應(yīng)用場景和柔性燃料電池自身的存在問題,本課題制備了一種具有即滴即用的柔性直接乙醇燃料電池。通過對(duì)直接乙醇燃料電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)來減輕燃料電池本身的重量并實(shí)現(xiàn)柔性化,依托上述燃料電池結(jié)構(gòu),本課題對(duì)燃料電池最核心的三個(gè)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化:應(yīng)用N,S雙元素?fù)诫s的多孔碳催化劑(NSDC)作為陰極氧還原反應(yīng)催化劑并進(jìn)行相關(guān)研究,主要解決乙醇燃料滲透毒化問題,并且相比于Pt/C催化劑穩(wěn)定性的得到提高,成本大幅降低;應(yīng)用Pt-Ru/C催化劑作為陽極乙醇電氧化反應(yīng)催化劑并進(jìn)行相關(guān)研究;應(yīng)用與堿性溶液高度兼容的聚合物電解質(zhì)聚丙烯酸鈉(PANa)水凝膠作為燃料電池隔膜并進(jìn)行相關(guān)測試,該隔膜具有0.24 S cm~(-1)的高離子導(dǎo)電率、優(yōu)異的機(jī)械性能、能夠在堿性條件下超長時(shí)間工作,性能十分優(yōu)異。此外,本課題將柔性透氣導(dǎo)電基底與海綿組合成復(fù)合電極初步解決燃料的儲(chǔ)存問題。最終,將上述材料組裝到新的燃料電池結(jié)構(gòu)中,進(jìn)行燃料電池性能相關(guān)測試,并對(duì)該器件的柔性性能進(jìn)行展示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本課題制備出的器件是一種高性能柔性即滴即用直接乙醇燃料電池,是下一代可穿戴柔性燃料電池的發(fā)展方向,具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

膜燃料電池發(fā)展最為迅猛，氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池因?yàn)槠涓吖β拭芏�，氫氣電氧化機(jī)理研究比較清楚，目前已經(jīng)逐步在汽車，備用電源中推廣使用[26]。直接乙醇燃料電池也是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種，它的優(yōu)勢是燃料成本低，無毒害，能量密度高，是應(yīng)用于柔性器件的最佳候選者。目前，國內(nèi)外對(duì)柔性乙醇燃料電池的研究還處在空白階段，但是關(guān)于柔性燃料電池的研究還是有些進(jìn)展，由于不同的燃料電池在某些方面是有相似性的，所以一些理論和技術(shù)上的成果都是有借鑒意義的。國內(nèi)外科研工作者的研究主要集中在這幾個(gè)方面：新型柔性燃料電池柔性基底的設(shè)計(jì)，燃料電池微型化設(shè)計(jì)，燃料電池紗線化設(shè)計(jì)，，燃料電池電解質(zhì)隔膜柔性化設(shè)計(jì)，燃料電池便攜化后燃料的供給問題，其中主要的研究對(duì)象是以柔性微生物燃料電池為主，因?yàn)檫@種燃料電池最容易解決燃料便攜化的問題。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀近十年來，國外在柔性燃料電池的研究進(jìn)展和國內(nèi)比還是有一些優(yōu)勢的，可能的原因是這類研究偏向于未來的應(yīng)用，前些年我們國家對(duì)這類研究的支持不夠，目前我們已經(jīng)加大對(duì)這方面研究的力度，奮力追趕。下面對(duì)一些國外優(yōu)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文秀研究成果進(jìn)行列舉。日本東京農(nóng)工大學(xué)制作了一個(gè)柔性微生物燃料電池，全結(jié)構(gòu)采用柔性構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)柔性，采用細(xì)菌作為燃料，電池的尺寸為 50 mm*50 mm*3 mm，最大彎曲角 170°，最大功率密度為 5.26 μW cm-2，在這樣大的尺寸下所產(chǎn)生的功率密度顯然不能滿足實(shí)際使用的需要[27]，如圖 1-1 a 所示。隨后，日本早稻田大學(xué)制作了一個(gè)微型柔性直接甲醇燃料電池，通過將燃料電池微型化，集成化的精細(xì)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)柔性功能，可以說初步實(shí)現(xiàn)了將燃料電池集成到微電路中的設(shè)想，最大功率密度為 2 μW cm-2，單電池體積小于 0.5 mm3，采用無電解質(zhì)隔膜設(shè)計(jì)[28]，如圖 1-1 b 所示。日本東北大學(xué)制作了一款將電解質(zhì)和燃料儲(chǔ)存在水凝膠中的柔性微生物燃料電池，通過這樣的方法解決了燃料便攜性的問題，同時(shí)由于水凝膠特別的柔軟使得器件的柔性性能非常出色，功率密度也達(dá)到了 1 mW cm-2的程度，能夠?qū)σ恍┑凸β孰娮悠骷M(jìn)行供電[29]，如圖 1-1 c, d 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM911.4

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本文編號(hào)：2641714