鈦基μDMFC流場板極端潤濕微結構及其氣液分相效能研究.pdf

1、微型直接甲醇燃料電池(Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC)是一種具有廣闊前景的電源，具有能量轉換效率高、環(huán)境友好、室溫工作、快速加燃料以及低噪聲等顯著優(yōu)點。氣液兩相混流是影響μDMFC性能的關鍵因素之一，表現(xiàn)為陽極CO2氣泡占據(jù)流場和陰極易發(fā)生水淹等阻塞反應物傳輸?shù)膯栴}。本文圍繞這一重要問題，在鈦基底上設計、制備了具有極端潤濕（超親水/超疏水）特性的微結構輔助通道以實現(xiàn)氣液分流，研究了新型流場中氣

2、液分相輸運特性及其對電池性能的影響。
　　通過一步陽極氧化法在鈦基底上產(chǎn)生微納分級結構表面，獲得了接觸角為0°的超親水特性的鈦基板表面。研究了不同工藝參數(shù)對超親水特性的影響，發(fā)現(xiàn)氧化電壓越高，超親水性越強;電解液溫度對超親水性的影響在不同電壓區(qū)間有不同表現(xiàn)，氧化電壓為20～40V時，鈦表面的超親水性隨著電解液的溫度升高而增強，但是這種趨勢在60～80V的電壓區(qū)間發(fā)生逆轉。經(jīng)氟硅烷修飾后，超親水的氧化鈦表面變成超疏水，結果表明，本實

3、驗獲得的超疏水鈦表面接觸角、滾動角以及接觸滯后角分別為160°、2°和1.7°。本文制備的極端潤濕表面在酸性、中性、堿性水溶液以及大氣環(huán)境下均具有良好的穩(wěn)定性。
　　分別設計了帶超疏水排氣微通道的新型陽極流場和帶超親水排液微通道的新型陰極流場，利用ANSYS軟件計算了微通道的合理深度，結合流場開孔率等要素確定流場溝道寬度及其它結構參數(shù)。試驗確定了具有極端潤濕微結構的鈦基流場板微細加工工藝流程，結合光刻與濕法蝕刻技術，通過陽極氧化法

4、獲得超親水輔助溝道，再經(jīng)氟化可得到超疏水排氣通道。最后，通過二次光刻與濕法刻蝕工藝形成燃料或氧氣進給的主通道，制備出新型流場板。
　　設計制作包含親水燃料溝道和超疏水氣體通道嵌套排布的聚碳酸酯模擬流場板，以雙氧水溶液的分解反應模擬氣液兩相流過程，流場壓降測試結果表明，新流場中的平均壓降比參比流場減小了37％，可視化觀察表明輔助氣體通道加速了氣泡的釋放。將具有超疏水通道的新型陽極流場組裝成電池并研究其陽極流場氣液輸運特性，結果表明，