증발된 메탄올을 연료로 사용하는 전해질 흐름 운반체로서의 필터 용지: 실험 및 수치 시뮬레이션

이 연구에서는 연료와 산화제를 수동적으로 전달하기 위해 필터 용지에서 반응물 용액의 자발적인 모세관 흐름을 활용하는 종이 기반 미세유체 연료전지(μFC)의 설계를 제시합니다. 이 자가 펌핑 장치는 메탄올 증기를 연료로 사용합니다. 미세유체 연료전지의 기체상에서는 액체상에서의 5×10-9 m2 s-1에 비해 1.5×10-5 m2 s-1의 높은 확산 계수로 인해 양극에 대한 연료 공급이 증가합니다. 대기 중 산소가 지속적으로 공급되는 공기 호흡형 음극이 종이 기반 μFC에 통합됩니다. 종이 기반 μFC 성능은 전력 출력 및 안정성을 결정하기 위해 폴라리제이션 곡선 및 전류 변동 측정을 통해 연구됩니다. 이 프로토타입은 실온에서 28시간 동안 0.35V에서 1.49 mW의 최대 전력과 1.35 mA의 안정적인 전류를 달성할 수 있습니다. 장치 성능을 해석하기 위해 수치 모델을 개발하고 실험적인 폴라리제이션 곡선으로 검증했습니다. 모델에서 전극의 연료 및 산화제 농도 프로파일은 음극과 양극에서 일정한 물질 가용성을 나타내며 실험 측정에서 얻은 안정적인 전류를 설명합니다. 이후, 네 개의 MμFCFP 스택이 개발되어 직렬 및 병렬 연결에서 평가되었습니다. 병렬 구성에서는 각각 최대 전류 34.53 mA 및 최대 전력 출력 4.14 mW와 함께 0.69 V의 최대 개방 회로 전압(OCP)이 제공됩니다. 반대로, 직렬 연결에서는 총 전류 7.35 mA, OCP 2.39 V 및 최대 전력 3.57 mW에 도달합니다. 개념 증명을 위해 이 스택은 각 2.1-2.5 V 및 4.2-5 mW의 전력이 필요한 3개의 초판 LED 배열을 성공적으로 작동시켜 3시간 동안 지속적으로 작동합니다.