碱性直接液体燃料电池质-荷-电耦合传输特性研究

Alkaline anion-exchange membrane direct liquid fuel cell that possesses many advantages of high energy-conversion efficiency, low/zero emission, high reliability, and escape from the Carnot-cycle limitation promotes the energy production and consumption revolution. Considering the multi-scale and multi-field features, the objectives of the present research project are focused on understanding the mechanisms of mass, charge and electron transports in the membrane electrode assembly. Theoretically, based on the classical multiphase flow in porous media, a two-dimensional, two-phase mass transport model for an alkaline anion-exchange membrane direct liquid fuel cell will be developed. And then, the effects of the structural parameters of both anode and cathode backing layers, micro-porous layers, and catalyst layers on component distribution and cell performance will be studied. Subsequently, the optimization rule correlating the characterization of the porous media structure and the component transport resistance will be concluded. Experimentally, the relationship between the net water flux and current density will be established by analyzing the mechanisms of water transport in the membrane electrode assembly. On the other hand, the internal relation between the optimized structure and the operating conditions will be investigated. Finally, the integrated electrode architecture that facilitates the mass, charge and electron transports will be proposed, developed and fabricated. The significance of the present project is that as a typical interdisciplinary research subject, it meets the need of the development of the national energy technology.

碱性直接液体燃料电池作为一种不受卡诺循环限制、低排放、安全可靠的绿色高效能源转换技术将在我国的能源生产和消费革命中占据重要角色。由于跨尺度多场耦合的学科交叉特点，本项目拟从质-荷-电的协同强化传输入手，对碱性直接液体燃料电池开展理论和实验基础研究。理论方面，获取电极的微观孔径分布规律和电极的微观表面形貌特征，构建多尺度多孔复合膜电极内两相流与多组分传输模型，明确支撑层、微孔层和催化层结构参数对物质组分分布的影响规律，揭示电极微观结构与组分传输之间的匹配原则。实验方面，分析系统中水的传输机制，建立水的跨膜渗透量与电流之间的平衡关系，查明电极的最优结构与运行参数之间的匹配规律，构建强化传质、传荷、导电的一体化集成电极结构。本项目结合了国家能源战略规划，是一个典型的涉及交叉学科的研究课题，具有重要的科学意义和工程应用价值。

本项目针对碱性直接液体燃料电池质-荷-电耦合传输特性，深入开展了一系列研究工作，并取得了一些创新性成果。主要开展的工作及取得的成果如下：（1）揭示了相界面的传输特性，提出了高活性位点钠离子直接甲酸盐燃料电池，获得了膜电极结构和运行工况对质、荷、电传输的影响规律；构建了氢氧根自供给中性聚合物碱性直接甲酸盐燃料电池，揭示了反应原理，获得了物质传输与电池性能的相互作用规律；（2）建立了1-2D跨维度氧气传输团聚模型，对膜电极两相流动传输与电化学反应进行了深入研究，揭示了电极结构对氧传输阻力的影响规律；提出了扩散层梯度有序化结构，获得了梯度分布对水管理的影响规律；（3）提出了高拓展三相界面一体化阳极，获得了典型放电特性；提出了气-液两相共存高活性位点阴极，构建了气-液酸碱型直接液体燃料电池，提高了直接液体燃料电池的理论热力学电压；（4）在上述基础之上，进一步提出了易分离电-碱联产钠离子直接甲酸盐燃料电池系统和电-氢联产钠离子直接甲酸盐燃料电池系统，为构建未来清洁的氢-电供能体系提供了一个新思路。本项目研究成果对于掌握碱性直接液体燃料电池关键核心技术、促进燃料电池的商业化应用具有重要意义。.本项目执行期间共发表SCI论文17篇，专著章节2章，其中3篇论文入选ESI高引用论文；授权中国发明专利11项、美国发明专利1项。同时，项目执行过程中，注重国际交流和人才培养。在国际合作与交流方面，项目组成员参加国内外学术会议10余次。在人才培养方面，项目负责人入选国家高层次人才，培养研究生8人，其中博士研究生3人，硕士研究生5人。