微型直接甲醇燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池是直接利用甲醇的水溶液作為燃料，氧氣作為氧化劑的一種燃料電池。本文圍繞微型直接甲醇燃料電池的數(shù)學(xué)模型與結(jié)構(gòu)展開研究，對(duì)工作條件、流場(chǎng)等進(jìn)行優(yōu)化仿真，設(shè)計(jì)了微型直接甲醇燃料電池單體和電池組，采用微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了燃料電池單體和電池組樣品并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，討論了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、工作條件等對(duì)性能的影響。本文所研制的微型直接甲醇燃料電池，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、比能量密度高、容易操作等特點(diǎn)，是移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品、便攜式

2、軍用電子設(shè)備、微型武器系統(tǒng)理想的動(dòng)力源。
　　論文首先綜述了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，詳細(xì)闡述了微型直接甲醇燃料電池的工作機(jī)理，及相關(guān)設(shè)計(jì)原則和要求。建立了直接甲醇燃料電池的數(shù)學(xué)模型，利用直接蒙特卡洛算法、模擬退火算法、遺傳算法等方法對(duì)其工作條件進(jìn)行最優(yōu)化仿真，并且比較了這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)；利用有限元分析方法對(duì)點(diǎn)型、螺旋蛇型和柵型等燃料電池極板幾種典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到了流場(chǎng)內(nèi)部的速度分布、壓力分布等參數(shù)，通過(guò)分析柵型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)要好于其它

3、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)其性能進(jìn)行了仿真，得到電流密度分布、反應(yīng)物濃度分布、生成物濃度分布等參數(shù)，為燃料電池極板的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。
　　其次，利用氧化、光刻、各向異性濕法腐蝕、濺射等 MEMS工藝實(shí)現(xiàn)了不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的活性面積為0.55cm2的硅基微型直接甲醇燃料電池，經(jīng)分析測(cè)試柵型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的燃料電池性能明顯優(yōu)于其它流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，常溫常壓下最大輸出功率密度可達(dá)5.9mW/cm2，從而驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果。由于硅基微型直

4、接甲醇燃料電池內(nèi)阻較大，因此利用微精密加工技術(shù)制作了相同活性面積的不銹鋼微型直接甲醇燃料電池單體，相同條件下測(cè)試其性能要大大優(yōu)于硅基微型直接甲醇燃料電池，其開路電壓可達(dá)到650mV，最大輸出功率密度可達(dá)15.9mW/cm2。
　　最后，在微型直接甲醇燃料電池單體的設(shè)計(jì)與制作基礎(chǔ)上開展了微型直接甲醇燃料電池組的研究。提出了一種基于“扭曲帶狀結(jié)構(gòu)”的硅基平面式微型直接甲醇燃料電池組結(jié)構(gòu)，此連接方式可以有效地減少電連接部分所占用的空間及