環(huán)氧樹脂封裝微型甲醇燃料電池的力學(xué)—電學(xué)性能研究.pdf

1、微型直接甲醇燃料電池(Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC)因具有常溫工作、污染小、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，其在為便攜式電子產(chǎn)品、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域提供能源方面有著良好的應(yīng)用前景。環(huán)氧樹脂封裝μDMFC借鑒微電子及MEMS工藝發(fā)展而來，與其他μDMFC封裝方法相比，能進(jìn)一步提高電池比能量。但環(huán)氧樹脂具有蠕變特性，因此電池內(nèi)部應(yīng)力在封裝過程中以及封裝完成后的遷變會(huì)導(dǎo)致MEA工作平面上的壓力偏離最佳值，從而降低

2、了電池性能，縮短了電池壽命。針對(duì)這一問題，本文設(shè)計(jì)并制作了不同封裝結(jié)構(gòu)的μDMFC，并對(duì)其進(jìn)行長期交流阻抗和極化曲線測(cè)試，研究了不同封裝結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能及其衰減過程的影響。
　　首先，設(shè)計(jì)了μDMFC的環(huán)氧樹脂高溫固化封裝工藝。充分考慮液態(tài)環(huán)氧樹脂泄漏、固化成型、脫模等問題，該工藝首先將預(yù)組裝好的μDMFC放置在組合式模具中，然后將液態(tài)環(huán)氧樹脂注入到模具，最后在壓力平臺(tái)上完成封裝。
　　其次，設(shè)計(jì)了四種帶有凸起結(jié)構(gòu)的端板用于環(huán)

3、氧封裝μDMFC，并對(duì)封裝過程進(jìn)行力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明，因?yàn)閺椥曰謴?fù)，剩余法向平均應(yīng)力小于初始封裝壓力。初始封裝壓力為2.0MPa時(shí)，封裝完后MEA工作平面平均法向應(yīng)力接近最優(yōu)封裝壓力值1.5MPa，因此將2.0MPa作為初始封裝壓力值。端板上凸起結(jié)構(gòu)對(duì)法向應(yīng)力及其分布有重要影響，雖然分布9個(gè)凸起的端板封裝的電池剩余封裝壓力最接近1.5MPa，但其法向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差為0.65MPa，較大的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差說明其應(yīng)力分布不均勻。綜合考慮剩余法向應(yīng)

4、力大小和分布以及接觸電阻大小，16個(gè)和25個(gè)凸起的端板適于μDMFC環(huán)氧樹脂封裝。
　　最后，研究了環(huán)氧封裝μDMFC的交流阻抗特性和性能衰減。初始時(shí)刻交流阻抗譜等效電路擬合結(jié)果表明，電池封裝完初始時(shí)刻的電池內(nèi)阻Rs、傳質(zhì)阻抗Rmt及電荷轉(zhuǎn)移阻抗Rct與MEA工作平面上法向應(yīng)力及分布有關(guān)，而法向應(yīng)力大小及其分布與端板結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因應(yīng)力分布不均勻，9點(diǎn)凸起的端板封裝的電池內(nèi)阻增加迅速，20天時(shí)由1.02Ω增加到2.1Ω，100天后