微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC）是一种利用甲醇溶液作为燃料的质子交换膜燃料电池,具有能量密度高、体积小、燃料来源丰富、安全性高、环境友好、更换燃料方便等特点,成为未来小型电子设备及军用设备的理想电源。然而物质运输受阻是制约μDMFC性能的关键问题,为了缓解μDMFC阳极燃料通道堵塞及阴极水淹等传质问题,本文以钛板作为流场板材料,设计了一种带有极端润湿性微结构的流场,并实验研究了极端润湿特性微结构对μDMFC综合性能的影响。在传统蛇形流场及螺旋流场基础上,设计了液体通道与超疏水排气通道交替排布的阳极流场结构,可以及时将流场中的CO2气泡排出;为了避免自呼吸燃料电池阴极端发生水淹,设计了由传统点状流场与超亲水毛细网络结构相嵌的阴极流场以及碳纸组成的阴极水管理系统。根据流场几何参数对μDMFC性能的影响,确定了各流道的结构尺寸。通过阳极氧化获得微纳分级结构钛表面,使得接触角由53o变为0o。再经过氟化处理,钛表面接触角变为160o。结合光刻及钛片表面改性工艺制作出新型μDMFC流场板。研究了超疏水排气通道对阳极CO2气泡排除过程及电池性能的影响。分别将带有超疏水排气通道的流场板与相应的参考流场板组装成电池,对采用不同流场的电池性能进行对比研究。实验结果表明,与采用参考流场的μDMFC相比,含有超疏水排气通道阳极流场的μDMFC,其输出功率密度最大可提高91.84%。压降特性测试与阳极气泡运动特性测试结果表明,新型流场中的超疏水排气通道能将μDMFC大部分CO2气体不经过液体燃料通道直接排出电池,从而大幅度减小μDMFC的传质阻抗,提升电池性能。结合数值模拟和原型实验验证了超亲水毛细网络通道对消除μDMFC阴极水淹的作用。利用COMSOL计算了含有超亲水毛细网络结构的阴极流场中液态水的分布情况,证明超亲水流道可以聚集阴极液态水并将之排出。设计制作了包含超亲水排水通道的阴极流场板并组装成μDMFC电池,以0.15V恒电压模式放电4h,测试电池功率密度因阴极水淹衰减的情况。结果表明,与初始放电状态相比,恒电压放电4h后采用新型阴极流场的μDMFC输出功率下降幅度仅约为传统阴极流场μDMFC下降幅度的1/3。原位在线观测发现,阴极液态水进入亲水流道后,由于梯度毛细力的作用,水被牵引到电池两端碳纸中并蒸发排出电池,表明超亲水排水通道与碳纸结构具有理想的水管理能力。
