哈工大微電子開(kāi)題報(bào)告課件

研究生論文開(kāi)題被動(dòng)式微型燃料電池陽(yáng)極自適應(yīng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)導(dǎo)師：張宇峰教授學(xué)生：付文婷2013.07.10研究生論文開(kāi)題被動(dòng)式微型燃料電池陽(yáng)極自適應(yīng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)導(dǎo)

主要內(nèi)容主要內(nèi)容及研究方案可能存在的問(wèn)題及解決方法進(jìn)度安排論文背景及研究目的和意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀完成課題已具備和所需要的條件經(jīng)費(fèi)主要內(nèi)容主要內(nèi)容及研究方案可能存在的問(wèn)題及解決方法進(jìn)度安排論文背景及研究的目的和意義本課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金?；鹛?hào)：61076105和61176109微小型直接甲醇燃料電池（

μDMFC）由于具有能量密度高、操作簡(jiǎn)單、啟動(dòng)速度快、環(huán)保清潔等優(yōu)點(diǎn)，能有效解決目前限制微小型電子器件發(fā)展的供能問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景。被動(dòng)式不需要外界有源的輔助設(shè)備供給燃料，利用擴(kuò)散和自然對(duì)流對(duì)電池進(jìn)行供料，有利于手機(jī)、筆記本電腦等便攜式用電設(shè)備的集成，并且能有效的提高體積能量密度。論文背景及研究的目的和意義本課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金?；鸸ぷ髟鞟nodeCathodeOverall陽(yáng)極陰極MEAMethanolCO2e-

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H2O直接甲醇燃料電池（DMFC）基本結(jié)構(gòu)主要由陽(yáng)極極板、膜電極（MEA）和陰極極板組成，其中MEA由擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜（PEM）組成。

甲醇溶液+CO2O2（空氣）+水工作原理AnodeCathodeOverall陽(yáng)極陰極MEA

主要內(nèi)容本論文主要內(nèi)容對(duì)提高甲醇工作性能進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)被動(dòng)式直接甲醇燃料電池性能測(cè)試被動(dòng)式甲醇燃料電池的國(guó)內(nèi)外研究論文背景及研究目的和意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀主要內(nèi)容本論文主要內(nèi)容對(duì)提高甲醇工作性能進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)被動(dòng)式直國(guó)內(nèi)外應(yīng)用概況軍用方面三星研制的軍用電池民用方面應(yīng)用于iphone的燃料電池新加坡銷售的燃料電池日本KDDI公司研制的燃料手機(jī)電池東芝的折疊式超薄手機(jī)燃料電池

科研方面直徑只有3mm的燃料電池打火機(jī)大小的燃料裝備國(guó)內(nèi)外應(yīng)用概況軍用方面三星研制的軍用電池民用方面應(yīng)用于iphGholami等人研究了極流板對(duì)被動(dòng)式燃料電池的性能的影響和CO2氣體的運(yùn)動(dòng)特性。當(dāng)陽(yáng)極采用開(kāi)孔率為53.76%的非均勻平行流場(chǎng)時(shí)，供給濃度為4mol/L時(shí)達(dá)到最大功率密度20mW/cm2。Torres等人采用體硅工藝，性能可達(dá)9mW/cm2

是硅基被動(dòng)式的較高水平。Chan等人采用線切割加工技術(shù)，不銹鋼表面濺射Pt進(jìn)行防腐蝕處理。性能可達(dá)8.5mW/cm2

。Weinmueller等人采用硅基底，SU-8作為基電極，沉積Au作為電流收集層。

然而性能較低。被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池研究現(xiàn)狀Gholami等人研究了極流板對(duì)被動(dòng)式燃料電池的性能的影響和被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池陽(yáng)極供給方式研究現(xiàn)狀用低濃度甲醇溶液進(jìn)行陽(yáng)極供給用高濃度甲醇溶液進(jìn)行陽(yáng)極供給通過(guò)甲醇汽化對(duì)陽(yáng)極甲醇溶液進(jìn)行供給利用毛細(xì)材料對(duì)陽(yáng)極甲醇溶液進(jìn)行供給被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池陽(yáng)極供給方式研究現(xiàn)狀用低濃度甲醇溶研究單位、人員研究年份甲醇濃度功率密度(mW/cm2)溫度℃燃料供給形式主要研究?jī)?nèi)容Song20073M————50-70℃液體通過(guò)計(jì)算水傳質(zhì)系數(shù)和甲醇效率得出被動(dòng)式DMFC的水滲透能力。Xu20071-4M110（2M）30、50、70℃液體研究氣體擴(kuò)散層材質(zhì)、膜厚、電流密度、溫度、甲醇濃度和CO2氣體流速對(duì)電池性能的影響。Jewett20071-5M25（3M）室溫下液體在直接甲醇燃料電池的陰極多加一層氣體擴(kuò)散層來(lái)提高水管理。Zhao20070.25、1M————75℃液體設(shè)計(jì)一種新的流場(chǎng)來(lái)提高脊下傳質(zhì)和提高甲醇均勻通過(guò)氣體擴(kuò)散層。Xu

20102-4M50（3M）室溫液體基于不同電流下的電池放電情況精確計(jì)算被動(dòng)式DMFC的甲醇和水滲透情況。國(guó)內(nèi)外低濃度甲醇供給對(duì)比研究單位、人員研究年份甲醇濃度功率密度(mW/cm2)溫度℃研究單位、人員研究年份甲醇濃度功率密度（mW/cm2）溫度℃燃料供給形式主要研究?jī)?nèi)容Wu2011純甲醇70（60℃）30、45、60蒸汽研究了MEA膜電極的設(shè)計(jì)參數(shù)和在性能較好的MEA膜電極下水從陰極到陽(yáng)極的傳質(zhì)。Wang20111-8M12.5（7M）室溫液體設(shè)計(jì)出由平行流場(chǎng)和點(diǎn)狀流場(chǎng)組合而成的陰極流場(chǎng)。Kang20121-8M78(8M)60℃液體采用陽(yáng)極憎水微孔層來(lái)降低甲醇滲透。He20128M,16M,純甲醇18(純甲醇)室溫液體介紹陽(yáng)極甲醇阻擋層的影響和陰極水管理層的應(yīng)用。Park201250-95vol%35.1(95vol%甲醇)室溫液體制作具有多層電極的MEA用來(lái)限制高濃度甲醇的滲透。Wu2012純甲醇————室溫蒸汽陽(yáng)極催化層內(nèi)水含量對(duì)甲醇氧化反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響。Yuan20120.5-8M3.5(8M)室溫液體陽(yáng)極用具有陣列式圓孔的有一定開(kāi)孔率的集流板來(lái)降低甲醇滲透現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外高濃度甲醇供給對(duì)比研究單位、人員研究年份甲醇濃度功率密度（mW/cm2）溫度℃Guo將一根毛細(xì)管連接在純甲醇容器與稀釋后的甲醇溶液之間，然后接上電池的膜電極。由于甲醇和水的毛細(xì)力不同，從而將純甲醇運(yùn)輸?shù)较♂尩募状既芤褐小Ｔ撗b置的優(yōu)點(diǎn)是在電池工作過(guò)程中純甲醇能夠隨時(shí)混合到稀釋的甲醇溶液中。Steffen將一層滲透汽化膜放置在存儲(chǔ)甲醇燃料的多孔介質(zhì)層和MEA之間，純甲醇溶液或高濃度甲醇溶液透過(guò)汽化膜變成甲醇?xì)怏w，甲醇?xì)怏w透過(guò)陽(yáng)極擴(kuò)散層擴(kuò)散至陽(yáng)極催化層進(jìn)行反應(yīng)。其他進(jìn)液方式上述方法雖然對(duì)陽(yáng)極甲醇濃度進(jìn)液具有一定可行性，然而儲(chǔ)液腔體積增大不易攜帶，且不能精確控制甲醇濃度，且隨時(shí)間累積輸出電流逐漸降低，因此設(shè)定穩(wěn)定的陽(yáng)極供液系統(tǒng)非常有必要。Guo將一根毛細(xì)管連接在純甲醇容器與稀釋后的甲醇溶液之間，然

主要內(nèi)容進(jìn)度安排可能存在的問(wèn)題及解決辦法完成課題已具備和所需要的條件經(jīng)費(fèi)研究?jī)?nèi)容和方案論文背景及研究目的和意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀主要內(nèi)容進(jìn)度安排可能存在的問(wèn)題及解決辦法完成課題已具備和所本論文主要圍繞被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池的陽(yáng)極濃度自適應(yīng)反饋供給模式進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)一種溫控裝置，使電池在低溫啟動(dòng)，通過(guò)電池反應(yīng)放出的熱量使電池始終在最佳溫度環(huán)境中工作，以提高電池性能。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)化的高濃度甲醇溶液對(duì)低濃度甲醇溶液的補(bǔ)給。主要研究?jī)?nèi)容和方案實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)研究不同甲醇溶液濃度和工作溫度等運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池性能的影響。設(shè)計(jì)程序控制微泵，使微泵在電流下限點(diǎn)開(kāi)啟，運(yùn)行短時(shí)間后自行關(guān)閉。通過(guò)微泵將高濃度甲醇溶液對(duì)低濃度甲醇溶液進(jìn)行補(bǔ)給。本論文主要圍繞被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池的陽(yáng)極濃度自適應(yīng)反饋前期工作進(jìn)展20℃，40℃，60℃和80℃工作條件下濃度對(duì)電池性能的影響20℃下濃度為1-4mol/L對(duì)電池性能的影響40℃下濃度為1-4mol/L對(duì)電池性能的影響前期工作進(jìn)展20℃，40℃，60℃和80℃工作條件下濃度對(duì)80℃下濃度為1-4mol/L對(duì)電池性能的影響60℃下濃度為1-4mol/L對(duì)電池性能的影響前期工作進(jìn)展80℃下濃度為1-4mol/L對(duì)電池性能的影響60℃下濃度為溫度20℃40℃60℃80℃濃度1mol/L19.44375

mW/cm2

31.84375mW/cm266.90938mW/cm258.3875mW/cm2濃度2mol/L22.29063mW/cm241.25625mW/cm285.92656mW/cm272.84063mW/cm2濃度3mol/L25.57813mW/cm245.25312mW/cm265.63906mW/cm256.90625mW/cm2濃度4mol/L25.97031mW/cm244.38437mW/cm246.725mW/cm253.8125mW/cm2不同運(yùn)行參數(shù)下最大功率密度比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：溫度：最佳為60℃溫度過(guò)高，甲醇滲透嚴(yán)重，PEM缺水，質(zhì)子傳導(dǎo)率下降。溫度過(guò)低，電化學(xué)反應(yīng)速率慢，催化劑活性低。濃度：最佳為2mol/L濃度過(guò)高：甲醇滲透嚴(yán)重濃度過(guò)低：大電流下會(huì)產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象前期工作進(jìn)展溫度20℃40℃60℃80℃濃度1mol/L19.44375針對(duì)前期工作，對(duì)燃料電池性能影響很大的兩個(gè)因素：溫度和濃度，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)電池系統(tǒng)溫控加熱裝置和陽(yáng)極自適應(yīng)供給系統(tǒng)。由前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出微型被動(dòng)式直接甲醇燃料電池在60℃時(shí)工作性能最佳，設(shè)計(jì)溫度加熱裝置系統(tǒng)，常溫啟動(dòng)電池后，根據(jù)電池在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)放出熱量，將放出的熱量應(yīng)用在正在工作的電池上，使電池在沒(méi)有恒溫箱條件下通過(guò)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)使其能夠工作在最佳溫度的環(huán)境下。后期工作進(jìn)展通過(guò)溫度控制提高燃料電池工作性能針對(duì)前期工作，對(duì)燃料電池性能影響很大的兩個(gè)因素：溫度和濃度，被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的儲(chǔ)液腔內(nèi)的甲醇溶液濃度隨著反應(yīng)進(jìn)行濃度逐漸降低，輸出電流也隨之逐漸減小。電池可工作時(shí)間逐漸變少。設(shè)計(jì)出一種對(duì)儲(chǔ)液腔內(nèi)的甲醇濃度補(bǔ)給方案，用高濃度甲醇溶液對(duì)低濃度甲醇溶液進(jìn)行補(bǔ)給。設(shè)計(jì)程序控制微泵，并且考慮到微泵所消耗的能量，在電流達(dá)到輸出下限時(shí)微泵自行啟動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)將高濃度甲醇溶液補(bǔ)給到低濃度的甲醇溶液中，然后微泵自行關(guān)斷。通過(guò)此種方法延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。后期工作進(jìn)展實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極濃度自適應(yīng)穩(wěn)定供給，延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于電池堆的組裝和設(shè)計(jì)中，提高電池堆的工作性能。被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的儲(chǔ)液腔內(nèi)的甲醇溶液濃度隨著反應(yīng)進(jìn)行濃

主要內(nèi)容進(jìn)度安排可能存在的問(wèn)題及解決辦法完成課題已具備和所需要的條件經(jīng)費(fèi)研究?jī)?nèi)容和方案論文背景及研究目的和意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀主要內(nèi)容進(jìn)度安排可能存在的問(wèn)題及解決辦法完成課題已具備和所13.06

查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，深入了解國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況。13.07對(duì)被動(dòng)式直接甲醇燃料電池進(jìn)行前期安裝與測(cè)試工作。13.08-13.10設(shè)計(jì)電池加熱溫控系統(tǒng)。13.11-14.02測(cè)試電池反應(yīng)時(shí)間、輸出電流、濃度補(bǔ)給、儲(chǔ)液腔體積之間動(dòng)態(tài)關(guān)系。14.03-14.05篩選測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)程序控制微泵.將整個(gè)研究系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證并應(yīng)用于電池組設(shè)計(jì)。14.06-14.07撰寫(xiě)論文，準(zhǔn)備答辯。通過(guò)低溫啟動(dòng)溫控系統(tǒng)和甲醇溶液自適應(yīng)設(shè)計(jì)，使被動(dòng)式微型燃料電池始終在最佳工作環(huán)境中運(yùn)行，并且延長(zhǎng)其運(yùn)行時(shí)間。預(yù)期達(dá)到的目的進(jìn)度安排13.0613.0713.08-13.1013.11

主要內(nèi)容