基于MEMS的微型直接甲醇燃料電池的建模、仿真及其檢測信號處理.pdf

1、由于資源的迅速消耗，環(huán)境的嚴重污染，燃料電池以清潔、高效的特性迅速成為二十一世紀解決能源問題的首選課題。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外，還具備能量密度高、體積小、無噪音、組裝方便、成本低等優(yōu)點，特別適用于微電子系統(tǒng)(如微型傳感器、機器人膠囊等)和可移動動力源(如移動電話、微型無人機等)，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，全球

2、逐漸掀起一股研究μFC的熱潮，美、日、歐等國家和地區(qū)相繼投入大量資金發(fā)展該技術(shù)，我國也在近期開展了這方面的研究。 MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)，是一種在微/納米(micro/nanotechnology)尺度上對微/納米材料進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(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)、微通道流場內(nèi)反應(yīng)物的流動、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)燃料電池數(shù)學(xué)理論已無法準確地描述μFCs性能。目前關(guān)于μFCs的研究僅有少量實驗報道，理論分析仍然處于空白狀態(tài)。本文正是在這一背景下，對μFCs的制作技術(shù)、內(nèi)部反應(yīng)機理以及電池輸出信號的處理這三方面展開理論研究，具體的內(nèi)容與結(jié)果包括： 1.針對目前各種類型μFCs的實驗報道，

4、系統(tǒng)地介紹了基于MEMS的μFCs制作過程中運用的各項技術(shù)，詳述了電池的制備過程；通過比較各型μFCs特性，明確了不同μFCs的應(yīng)用場合。所得結(jié)果為電池模型的建立與簡化打下基礎(chǔ)。 2.系統(tǒng)地介紹了微尺度流體力學(xué)的發(fā)展狀況，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)已有公開實驗數(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)與實驗數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)理論預(yù)測值的比較驗證了模型的準確性和有效性。 3.運用質(zhì)量、動量守恒定律，依據(jù)微尺度流體力學(xué)特性，對微型質(zhì)子交換膜燃料電池(μPEMFCs)內(nèi)部的速度分布、物質(zhì)傳遞等微觀過程進行了理論分析，同時根據(jù)電池工作過程中的物質(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、機理模型。通過理論分析指出，傳統(tǒng)燃料電池數(shù)學(xué)模型由于未考慮微通道特性對反應(yīng)氣體在流場中流動的影響，過高地估計了進入擴散層中的反應(yīng)氣體數(shù)量，從而給模型計算帶來了誤差。 4.采用綜合的三維數(shù)學(xué)模型對微型直接甲醇燃料電池(μDMFCs)性能進行數(shù)值模擬，并根據(jù)微通道中液體流動的特殊性，首次建立了氣/液兩相流體在陽極側(cè)流場中的速度模型。通過數(shù)值計算得到了電池內(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)氣壓力等對電池性能的影響。通過模型分析指出：①流體速度主要分布于電池的微通道流場，而在多孔電極(擴散層和催化層)中迅速衰減，其值在微通道中部區(qū)域達到最大；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，從多孔電極擴散進陽極微通道中的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，微通道對燃料流動的阻力減小，電池性能得到提高；當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，電池無法獲得反應(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)為研究對象，首次將小波變換理論引入到電池輸出信號的后處理過程中。經(jīng)過實驗、仿真，取得了良好的效果，