基于MEMS的微型直接甲醇燃料電池的建模、仿真及其檢測(cè)信號(hào)處理.pdf

1、由于資源的迅速消耗，環(huán)境的嚴(yán)重污染，燃料電池以清潔、高效的特性迅速成為二十一世紀(jì)解決能源問(wèn)題的首選課題。而功率低于1W的微型燃料電池(MicroFuelCells-μFCs)除具有燃料電池共有的特點(diǎn)外，還具備能量密度高、體積小、無(wú)噪音、組裝方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于微電子系統(tǒng)(如微型傳感器、機(jī)器人膠囊等)和可移動(dòng)動(dòng)力源(如移動(dòng)電話、微型無(wú)人機(jī)等)，是軍民通用的一種新型能源，也是目前商業(yè)化前景最好的一種燃料電池。自2000年以來(lái)，全球

2、逐漸掀起一股研究μFC的熱潮，美、日、歐等國(guó)家和地區(qū)相繼投入大量資金發(fā)展該技術(shù)，我國(guó)也在近期開(kāi)展了這方面的研究。 MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的縮寫(xiě)，即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是一種在微/納米(micro/nanotechnology)尺度上對(duì)微/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)，其高精度(小于1μm)的加工手段為μFCs的發(fā)展提供了技術(shù)保證。 基于MEMS技術(shù)制備而成的

3、μFCs并不是簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)燃料電池體積縮小。由于在微尺度下電池內(nèi)部的物質(zhì)和熱傳導(dǎo)、微通道流場(chǎng)內(nèi)反應(yīng)物的流動(dòng)、電極比表面積等均表現(xiàn)出與傳統(tǒng)理論不同的特性，傳統(tǒng)燃料電池?cái)?shù)學(xué)理論已無(wú)法準(zhǔn)確地描述μFCs性能。目前關(guān)于μFCs的研究?jī)H有少量實(shí)驗(yàn)報(bào)道，理論分析仍然處于空白狀態(tài)。本文正是在這一背景下，對(duì)μFCs的制作技術(shù)、內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理以及電池輸出信號(hào)的處理這三方面展開(kāi)理論研究，具體的內(nèi)容與結(jié)果包括： 1.針對(duì)目前各種類(lèi)型μFCs的實(shí)驗(yàn)報(bào)道，

4、系統(tǒng)地介紹了基于MEMS的μFCs制作過(guò)程中運(yùn)用的各項(xiàng)技術(shù)，詳述了電池的制備過(guò)程；通過(guò)比較各型μFCs特性，明確了不同μFCs的應(yīng)用場(chǎng)合。所得結(jié)果為電池模型的建立與簡(jiǎn)化打下基礎(chǔ)。 2.系統(tǒng)地介紹了微尺度流體力學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r，從理論上分析了影響微通道摩擦常量(f·Re)值的各種因素，指出流體與微通道界面上的分子碰撞處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài)是造成微流體力學(xué)特殊性的主要原因。根據(jù)已有公開(kāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首次分別建立了微管道中氣相流體和矩形微通道中

5、液相流體的摩擦常量(f·Re)數(shù)學(xué)模型，定量地分析了影響摩擦常量(f·Re)值的各種因素。經(jīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)值的比較驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和有效性。 3.運(yùn)用質(zhì)量、動(dòng)量守恒定律，依據(jù)微尺度流體力學(xué)特性，對(duì)微型質(zhì)子交換膜燃料電池(μPEMFCs)內(nèi)部的速度分布、物質(zhì)傳遞等微觀過(guò)程進(jìn)行了理論分析，同時(shí)根據(jù)電池工作過(guò)程中的物質(zhì)與電荷平衡條件，建立了由一組由偏微分和積分方程描述的電池電氣輸出特性方程，首次系統(tǒng)地給出μPEMFC三維

6、機(jī)理模型。通過(guò)理論分析指出，傳統(tǒng)燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型由于未考慮微通道特性對(duì)反應(yīng)氣體在流場(chǎng)中流動(dòng)的影響，過(guò)高地估計(jì)了進(jìn)入擴(kuò)散層中的反應(yīng)氣體數(shù)量，從而給模型計(jì)算帶來(lái)了誤差。 4.采用綜合的三維數(shù)學(xué)模型對(duì)微型直接甲醇燃料電池(μDMFCs)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)微通道中液體流動(dòng)的特殊性，首次建立了氣/液兩相流體在陽(yáng)極側(cè)流場(chǎng)中的速度模型。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了電池內(nèi)部流體速度、反應(yīng)物濃度等物理量的二、三維分布，以及電池的V/I曲線，定量地分析

7、了甲醇濃度、微通道截面形狀和微通道表面粗糙度、工作溫度、反應(yīng)氣壓力等對(duì)電池性能的影響。通過(guò)模型分析指出：①流體速度主要分布于電池的微通道流場(chǎng)，而在多孔電極(擴(kuò)散層和催化層)中迅速衰減，其值在微通道中部區(qū)域達(dá)到最大；②與微通道中部區(qū)域?qū)?yīng)的MEA處，電池反應(yīng)最為激烈；③隨著電池局部電流密度的增大，從多孔電極擴(kuò)散進(jìn)陽(yáng)極微通道中的CO2氣泡逐漸增多，并導(dǎo)致氣/液兩相流體流速不斷提高；④對(duì)于μDMFC，以低濃度甲醇溶液為燃料能夠獲得較好的電池性

8、能；⑤與其它因素相比，微通道幾何外貌是影響電池性能的主要因素。隨著通道水力直徑Dh的減小，微通道對(duì)燃料流動(dòng)的阻力減小，電池性能得到提高；當(dāng)Dh小到一定程度后，在同樣流速下，由于反應(yīng)流體流量減小，電池?zé)o法獲得反應(yīng)所需的足夠燃料，性能反而下降；⑥增加微通道表面粗糙度，有利于燃料向擴(kuò)散層傳輸，從而提高電池反應(yīng)效率。 5.以μDMFCs系統(tǒng)為研究對(duì)象，首次將小波變換理論引入到電池輸出信號(hào)的后處理過(guò)程中。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)、仿真，取得了良好的效果，