基于MEMS的微型直接甲醇燃料电池的建模、仿真及其检测信号处理

摘要

由于资源的迅速消耗，环境的严重污染，燃料电池以清洁、高效的特性迅速成为二十一世纪解决能源问题的首选课题。而功率低于1W的微型燃料电池(MicroFuelCells-μFCs)除具有燃料电池共有的特点外，还具备能量密度高、体积小、无噪音、组装方便、成本低等优点，特别适用于微电子系统(如微型传感器、机器人胶囊等)和可移动动力源(如移动电话、微型无人机等)，是军民通用的一种新型能源，也是目前商业化前景最好的一种燃料电池。自2000年以来，全球逐渐掀起一股研究μFC的热潮，美、日、欧等国家和地区相继投入大量资金发展该技术，我国也在近期开展了这方面的研究。 MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统，是一种在微/纳米(micro/nanotechnology)尺度上对微/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，其高精度(小于1μm)的加工手段为μFCs的发展提供了技术保证。 基于MEMS技术制备而成的μFCs并不是简单地将传统燃料电池体积缩小。由于在微尺度下电池内部的物质和热传导、微通道流场内反应物的流动、电极比表面积等均表现出与传统理论不同的特性，传统燃料电池数学理论已无法准确地描述μFCs性能。目前关于μFCs的研究仅有少量实验报道，理论分析仍然处于空白状态。本文正是在这一背景下，对μFCs的制作技术、内部反应机理以及电池输出信号的处理这三方面展开理论研究，具体的内容与结果包括： 1.针对目前各种类型μFCs的实验报道，系统地介绍了基于MEMS的μFCs制作过程中运用的各项技术，详述了电池的制备过程；通过比较各型μFCs特性，明确了不同μFCs的应用场合。所得结果为电池模型的建立与简化打下基础。 2.系统地介绍了微尺度流体力学的发展状况，从理论上分析了影响微通道摩擦常量(f·Re)值的各种因素，指出流体与微通道界面上的分子碰撞处于非热力学平衡状态是造成微流体力学特殊性的主要原因。根据已有公开实验数据，首次分别建立了微管道中气相流体和矩形微通道中液相流体的摩擦常量(f·Re)数学模型，定量地分析了影响摩擦常量(f·Re)值的各种因素。经与实验数据以及传统理论预测值的比较验证了模型的准确性和有效性。 3.运用质量、动量守恒定律，依据微尺度流体力学特性，对微型质子交换膜燃料电池(μPEMFCs)内部的速度分布、物质传递等微观过程进行了理论分析，同时根据电池工作过程中的物质与电荷平衡条件，建立了由一组由偏微分和积分方程描述的电池电气输出特性方程，首次系统地给出μPEMFC三维机理模型。通过理论分析指出，传统燃料电池数学模型由于未考虑微通道特性对反应气体在流场中流动的影响，过高地估计了进入扩散层中的反应气体数量，从而给模型计算带来了误差。 4.采用综合的三维数学模型对微型直接甲醇燃料电池(μDMFCs)性能进行数值模拟，并根据微通道中液体流动的特殊性，首次建立了气/液两相流体在阳极侧流场中的速度模型。通过数值计算得到了电池内部流体速度、反应物浓度等物理量的二、三维分布，以及电池的V/I曲线，定量地分析了甲醇浓度、微通道截面形状和微通道表面粗糙度、工作温度、反应气压力等对电池性能的影响。通过模型分析指出：①流体速度主要分布于电池的微通道流场，而在多孔电极(扩散层和催化层)中迅速衰减，其值在微通道中部区域达到最大；②与微通道中部区域对应的MEA处，电池反应最为激烈；③随着电池局部电流密度的增大，从多孔电极扩散进阳极微通道中的CO2气泡逐渐增多，并导致气/液两相流体流速不断提高；④对于μDMFC，以低浓度甲醇溶液为燃料能够获得较好的电池性能；⑤与其它因素相比，微通道几何外貌是影响电池性能的主要因素。随着通道水力直径Dh的减小，微通道对燃料流动的阻力减小，电池性能得到提高；当Dh小到一定程度后，在同样流速下，由于反应流体流量减小，电池无法获得反应所需的足够燃料，性能反而下降；⑥增加微通道表面粗糙度，有利于燃料向扩散层传输，从而提高电池反应效率。 5.以μDMFCs系统为研究对象，首次将小波变换理论引入到电池输出信号的后处理过程中。经过实验、仿真，取得了良好的效果，说明小波变换理论在μFCs检测信号处理中的应用是一个可行、有效的方法。通过模型分析，发现电池的真实输出信号大部分隐藏于检测信号的低频系数中，而微弱的噪声信号则分布于各层高频系数中。小波变换通过各种阀值处理方法，在不同频率层将噪声去除，并经重构获得满意的电池真实信号。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章基于MEMS的微型燃料电池制作技术

第三章微通道摩擦常量研究

第四章微型质子交换膜燃料电池(μPEMFCs)的数学建模

第五章微型直接甲醇燃料电池(μDMFCs)的数学建模

第六章基于小波变换的微型直接甲醇燃料电池检测信号去噪

第七章总结与展望

参考文献

致谢

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