（控制理论与控制工程专业论文）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.pdf

岁声麦鱼声訾博士学位论文 摘要 基于m e m s 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1 w 的微型燃料电池 ( m i c r of u e lc e l l s 肛c s ) 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2 0 0 0 年以来，全球逐 渐掀起一股研究肛c 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。 m e m s 是英文m i c r oe i e c 们m e c h a n i c a ls y s t e m s 的缩写，即微电子机械系统， 是一种在微纳米( m i c r 0 n a n o t e c l l l l o l o g ”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1 i m ) 的加工手段为f c s 的发展提供 了技术保证。 基于m e m s 技术制备而成的肚c s 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 描述肛c s 性能。目前关于肛c s 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，对肚c s 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 针对目前各种类型肛c s 的实验报道，系统地介绍了基于m s 的肛c s 制 作过程中运用的各项技术，详述了电池的制备过程；通过比较各型肛c s 特性， 明确了不同肺c s 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( 厂皿) 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( 厂m ) 数学模 型，定量地分析了影响摩擦常量( 厂船) 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( p e c s ) 内部的速度分布、物质传递等微观过程进行了理论分析，同 j 厣麦鱼天訾博士学位论文 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p e c 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0 d c s ) 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，以及电池的川曲线，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：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；与微通道中部区域 对应的a 处，电池反应最为激烈；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c 0 2 气泡逐渐增多，并导致气液两相流体流速不 断提高；对于d m f c ，以低浓度甲醇溶液为燃料能够获得较好的电池性能； 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d 1 1 的减小，微通道对燃料流动的阻力减小，电池性能得到提高；当瑰 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；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d c s 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腰c s 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。 关键词：微型燃料电池，直接甲醇燃料电池，质子交换膜燃料电池，微流体力学， 微通道，数学模型，两相流动，计算流体力学，小波变换 岁厣支鱼声警博士学位论文 a b s t r a c t m o d e l i n gs i m u l a t l 0 na n d t e s t i n gs i g n a l p r o c e ss i n go f 匝m sb a s e dm i c r od i r e c t m e t h a n o lf u e lc e l l a b s t a c t b e c a u s er e s o u r c ei sc o n s u m e dr 印i d l ya n de n v i r o n m e n ti sp o l l u t e ds e r i o u s l y ，如e i c e l l sw i t hh i g he m c i e n c ya n dn o n - p o l l u t i o nh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o i r t a n t s o l u t i o n s ，w h i c hs o l v ee n e 唱yc r i s i ss i n c e2 l t h c e n t u r y m i c r of u e lc e l l s f c s ) p o s s e s s e st h ec h a r a c t e r ss u c ha sh i g he n e 唱yd e n s i 吼s m a l lv o l u m e ，q u i e t ，g o o d f l e x i b i l i t y ，l o wc o s te t c ，e x c e p tt h ec o m m o nc h a r a c t e r so f 如e lc e l l s i ti ss u i t a b l ef o r m i c r oe l e c t r d n i cs y s t e m s ( f o re x 锄p l e ，m i c r os e n s o rs y s t e ma n dm i c r 0r o b o tc a p s u l e ) a i l dm o b i l ep o w e rs o u r c e s ( f o re x a m p l e ，m o b i l ep h o n e ，m i c r ou n p i l o t e dp l a n e ) ，a n di s t h em o s th o p e 如lc l e a ng e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi nm ec o m m e r c i a lp e r s p e c t i v e s i n c e 2 0 0 0 ，a m e r i c a ，j a p a na n dm a n yc o u n t r i e si ne u r o p eh a v ef o c u s e do nd e v e l o p i n gt h i s t e c h n i q u e ，a n di ta l s oa t t r a c t sm a n yr e s e a r c h e r si nc h i n aw h oh a v eb e g u nt od o r e s e a r c ho ni ti nr e c e n ty e a r s m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s - m e m si sad e s i g na n df a b r i c a t i o nt e c i l n o l o g y a tm em i c r o n a n o t e c l l i l o l o g yw i t hah i g hd e g r e eo fp r e c i s i o n ( 1 e s st h a n1 m ) ni s i d e a lf o rt l l em i n i a t u r i z a t i o no ff u e lc e l l sb e c a u s eo fi t sw e l l - p r 0 v e dc o s t - e a e c t i v e n e s s ， 嘲) r o d u c i b i l i t y ，a 1 1 dc o n t r 0 1 肛c st h a ta r ef j 如r i c a t e dw i t ht h em e m st e c l l n i q u e sn e v e rm e a nt oj u s tc o m p a c t t h ev o l u m eo ft l l ec o n v e n t i o n a l 如e lc e l l s t h em e c h a n i s m sa n dd i s c i p l i n a r i a n so f 肛c s ，s u c ha st h em a s sa n dh e a tt r a n s f e r ，t l l ef l u i dc h a r a c t e r i s t i c so fr e a c t 锄ti n t e m a l t h ec e l l ，t h es p e c m ca r e ao ft h ee l e c 打o d e ，s h o wd i f f e r e n tp h e n o m e n aw i t ht h e t r a d i t i o n a lt h e o w s o “i sn o ta v a i l a b l et op r e d i c tt h ep e r f o m a n c e so f f c sw i t ht h e t r a d i t i o n a lt h e o 巧o ff u e lc e l l s t h e r ea r eo n l ys o m el a b o r a t o 叫r e p o r t sa b o u tt h e f i a b r i c a t i o no f 胪c sn o wi n t ot h eo p e n ，a n di t i sj u s ta tt h eb e g i 彻i n gt os t u d yt h e t h e o r yo f f c s i no r d e rt or e a l i z et h et e c h n i q u e so ft h e 肛c s f a b r i c a t i o na 1 1 dt h e m e c h a n i s m so ft h e f c s r e a c t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h ek i n d so fm e m s t e c h n i q u e sa n dm i c r o c o s m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e f c s a d d i t i o n a l l y ，a n o t h e rm e t h o d i i i j 厣交鱼天警博士学位论文 i na n a l y z i n gt h eo u t p u t t e s t i n gs i g n a l so ft h e 肛c ss y s t e m u s i n gt h ew a v e l e tm e o ui s a l s op r e s e n t e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n da c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s en a _ t i o na r es t a t e d a sf o l l o w s ： 1 a l lk i n d so ft h em e m s t e c h n i q u e st h a tu s e dt of a b r i c a t ed i 妇f e r e n tt y p e so f ，正c s a r ef i r s t l yi n 仰d u c e dr o u n d l y ，a i l dt h ep r o g r e s s e so fm a k i n gu pm e f c sa r en l e n d e s c r i b e di n d e t a i la c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l lt h e 胪c s 1 1 1 ep m p o s e d i n v e s t i g a t i o ni s 印p l i c a b l et od e s i g na n ds i m p l i 矽t l l em o d e lo ft i l e f c s 2 a r e ri n 仃o d u c e dt i l ed e v e l o p m e n to ft h em i c r of l u i dm e c h a n i c s ，t h ef i a c t o r st h a t e 任e c tt h e 衔c t i o nc o n s t a n t 厂r po fm i c r o c h a 肌e l sa r e 锄a l y z e di nt h e o r y t h er e s u l t s s h o wt h a tm o l e c u l a rc o n i s i o na tt h es u m c eb e t w e e nt h en u i da n dm i c r oc h a n n e l si s 印a r tf r o mt h et h e r n l o d y n 锄i c sb a l 锄c e ，a n di ti sj u s tt i l ec a s et h a tm a i n l yl e a d st ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fm i c r oc h a n n e l s 1 1 1t h ed i s s e r t a t i o n ，t w of i t t e dm a t hm o d e l so f 厂r p a r ef i r s t l yp r e s e n t e da tt h eb a s eo f l o t so f 叩e nd a t a o n eo f t l l e mi sf o rm eg a sn o wi n m i c r 0t u b e s ，a n dt h eo t h e ri sf o rt h el i q u i dn o wi nm i c r oc h a r 】1 1 1 e l sw i t i ld i 任e r e n tc r o s s s e c t i o n s a tl a s t ，aq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sh a sb e e nd o n ea b o u tt h o s ee n e c tf a c t o r so n 厂r p 3 a tt h eb a s eo fa b o v er e s u l t s ，a3 dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i c r op r o t o ne x c h 锄g e m e m b r a l l ef h e lc e l l s 胛e m f c si se s t a b l i s h e d ，锄dt h em a s s ，m o m e n t u mc o n s e r v a t i o n e q u a t i o n si nt h ec e l la r ed i s t i n c t l yd e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h eb a l a n c ec o n d i t i o n so f m a s s 锄de l e c t r i c c h a 唱e i nt i l eg e n e r a t i o np r o c e s s ，a ne l e 嘶co u t p u tm o d e li s p r e s e n t e d ，锄de ) 【p r e s s e da sag r o u po fp a r t i a ld i 行e r e n t i a la n di n t e g r a le q u a t i o n s a r e r t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，t h ev e l o c i 钾d i s 仃i b u t i o n ，t h em a s st r a n s f e ri nt h ec e l l ，a n d o t h e rp h y s i c a lp h e n o m e n ah a v eb e e n i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l i ti sf o u n dt h a tt h e c o n v e n t i o n a lm a t h e n l a t i c a lm o d e lt h a t d o e s n tc o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o c h 猢e l sh a sc o u n t e dm o r er e a c t a n tw h e nc o m p u t i n gt h em a s st 1 a n s f e ri nt h e e l e c 仃o d e a n di tl e a d st ot h ee r r o rb e t w e e nt h e e x p e r i m e n t a l d a t aa n dt h e n l a t h e m a t i c a lm o d e l 4 b yd e v e l o p i n g a3 dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i c r od i r e c tm e t h a l l o l如e l c e l l s 叫d m f c st h a th a s c o n s i d e r e d t 1 1 ee f f e c to ft 1 1 em i c r oc h a l l n e l so nt h e p e r f 0 n n a i l c eo ft h ec e l l ，廿1 ev e l o c 时d i s 仃i b u t i o ni n2 do r3 d ，a 1 1 dt l l ev 仃c u r 、，e ，t h e c o n c e n t i i a t i o nd i s n i b u t i o no fr e a c t a l l t sa r ea l ln u m e r i c a lc a l c u l a t e dw i t hac f d s o f t w a r e - f l u e n t6 1 2 2 a tt h es a m et i m e ，t l l ee f f e c t so ft h ec o n c e n 缸a t i o no ft h e m e t h a j l o ls o l u t i o n ，a n dt h ec r o s ss e c t i o n s ，t h ed e 铲e eo ft h es u r f ：犯er o u g l i l e s so ft h e m i c r oc h a 姗e l s ，t h ew o r kt e m p e r a n 鹏，锄dt h eg a sp r e s s u r eo nt h ep e r f o n n a n c eo f j 厣支叠天挚博士学位论文 a b s t r a c t d m f c sa r ea l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ev e l o c i t ym a i n l yl i e si nt h e m i d d l eo ft h em i c r oc h a n n e l s ，a n dr e a c h e st h ec l i m a xa tt h es a m ea r e a t h en u m b e ro f t h ev e l o c i t yo ft h ef l u i di nt h ep o r o u sa r e ai sa l m o s te q u a lt oz e r o ( 多t h er e a c t i o n e m c i e n c yr e a c h e st h ec l i m a xi nt h em 匣aw h e r et h ee l e c t r o d ec o n t a c t sw i t ht h e m i d d l er e g i o no fm i c r 0c h a l l l l e l s ( 9 w i t ht h el a g e ro ft h el o c a lc u r r e n td e n s i 吼t h e a d 2g a sb u b b l e sb e c o m em o r ea n dm o r ei nt h em i c r oc h a l l n e l s ，a n dt l l ev e l o c i 锣o ft h e 觚o - p h a s ef l o wi st h e ne l e v a t e d t l l e 归伍c su s i n gl o wc o n c e n t r a t i o nm e t h a n o l s o l u t i o nh a v eb e 慨rp e 墒m a n c et h a nt h a tu s i n gh i 曲c o n c e n t r a t i o nm e t h a n o is o l u t i o n t h er e s i s t a n c ec a u s e db yt h em i c r oc h a n n e l so nt h ef l u i di st h em a i n l yf a c t o rt h a t a 虢c t st h ep e 渤n i l a j l c eo ft h e d m f c si nc o n t r a s tt ot h ea 位c t i o no fw h e t h e rm e r ei s s u f f i c i e n t 如e l i nt h em i c r oc h 锄e l st or e a c tw h e nt h ec h 锄e l sh a v eh i 曲h y d r a u l i c d i a m e t e r s w i t ht h ed e c r e a s eo fd i i ，t h er e s i s t a n c eb e c o m e sw e a k e ra n dt h ee m c i e n to f t h ee l e c t r o c h e m i s t 巧i n c r e a s e sa c c o r d i n g l y w h e n 上) i ir e a c h e st h et u m i n gp o i n t ，t h e l a t t e rf a c t o ra 疏c t st h ep e 而m l a n c eo ft h ec e l l g r e a t e rt h a l lt h ef b 呻e r t h e p e 墒n n a n c ew 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n t s a r e r p r o c e s s e dw i t hk i n d so fv a l v ev a l u et e c l l l l i q u e s ，t h er e a ls i g n a l sw i l lb er e c o n s t r i j c t e d k e y w o r d s ：m i c r of u e lc e l l s f c s ) ，d i r e c tm e t h a n o lf u e lc e l l s ( d m f c s ) ，p r o t o n e x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l s ( p e m f c s ) ，m i c r on u i dm e c h a l l i c s ，m i c r oc h a 衄e l s ， m a t h e m a t i c a lm o d e l ， 觚o - p h a s en o w ，c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c st e c h n o l o g y ( c f d ) ，w a v e l 吼 v j 厨支鱼天訾博士学位论文 符号表 符号说明 彳 口 c h c 眈 d f 哦 d e f ，r p 4g 。 j ) h z 焉 旷 七 m ，竹 尬 m j n 九d p r 尺e s 符号表 截面积 水的活度 通道亲水性系数 摩尔浓度 水力直径 组分i 的扩散系数 混和气体中组分i 、j 间的相互扩散系数 直径 电压 法拉第常数，9 6 4 8 7 摩擦因子 摩擦常量 标准g i b b s 自由能 质量扩散通量 传递电流密度 微通道深度 局部电流密度 勋m d s e n 数 质量传输系数 微通道表明粗糙度 长度 质量流速 质量 组分i 的分子质量 组分i 的质量分数 摩尔流量 电迁移系数 压力 气体常数，8 3 1 4 r c o l d s 数 源项 一x m 0 1 i n _ 3 m m 2 s 。1 m 2 s 1 m v c 。e q u i v a l e n t j m o l 。1 埏m 2 s 1 a m - 3 m a m - 2 m k g s 。1 k g 蚝m o m 0 1 m s 。1 p a j m o l k j 厨支鱼天訾博士学位论文 丁 f “ v 形 w 而 z i 希腊字母 n 0 【b b ) ， 6 s 珂 口 k 士 西 ， 盯 f z w 上标 e 仃 s a t t 下标 a a v g b c 温度 厚度 沿x 方向的速度 沿y 方向的速度 通道宽度 沿z 方向的速度 组分i 的摩尔分数 固定离子的电荷数 每一流的水净通量 阳极传递系数 阴极传递系数 扩散层渗透系数 反应级数 误差 孔隙率 时间 电势 误差 水力渗透系数 电动力渗透系数 粘性系数 电位 密度 电导率 粘性应力张量矩阵 比能 微通道纵横比 小波函数 时问系数 有效的 饱和的 项部 阳极 平均 底部 阴极 x i k m m s 。l m s l m m s l v l 旷 m 2 p a s v k g q m - 1 w h 埏1 j 厣麦鱼声警博士学位论文 符号表 催化层 电池 扩散层 干的 有效的 气体 水力的 组分i 液体 膜 质量 平均的 运行 传质 总的 动量 x 方向或x 分量 y 方向或y 分量 z 方向或z 分量 电位的 欧姆 x i i 嘣础船衄m g，。m一一叩。洲v x y z 咖q 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：责编 日期：o 啪 年f 。己月艿日 指导教师签名：多钦移 日期：铷潮a 月够曰 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：黼 日期：o 啪多年似月彭日 j 厣支鱼声訾博士学位论文 第一章绪论 1 1 燃料电池概述 第一章绪论 经济发展、能源供应和环境保护是2 1 世纪世界各国面临的主要问题。能源是国民经济发展的 动力，也是衡量综合国力、国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标。环境保护已成为当代 人类社会可持续发展战略的核心，是影响各国能源决策和科技导向的关键因素，也是促进能源科 技发展的巨大推动力。能源专家指出，随着石油、煤炭等不可再生能源的日趋枯竭，2 1 世纪将成 为氢能的时代。氢是一种洁净的二次能源载体，燃料电池( f u e lc e l l ) 技术则是高效、洁净利用氢 能的新技术平台。 1 1 1 燃料电池的工作原理 人类社会发展至今，绝大部分的能量转化都是通过热机过程来实现的。由于受卡诺循环的限 制，热机过程不但转化效率低，造成严重的能源浪费，而且产生大量的粉尘、二氧化碳、氮的氧 化物和硫的氧化物等有害物质以及噪声。由此所造成的大气、水质、土壤等污染，严重威胁着人 类的生存环境【l 。3 j 。 燃料电池是一种新型的能量转换装置。不同于传统火力发电方式( 化学能专热能专机械能专 电能) ，燃料电池将贮存在燃料和氧化剂中的化学能以电化学方式直接转换为电能( 化学能( 燃料) 专电能) ，反应生成物主要是水，同时产生一定的热量。电池内部，阳极侧的燃料( 如氢气、甲醇 和天然气等) 在催化剂作用下发生氧化反应，产生的质子通过电解质迁移到电池阴极，与氧化剂 ( 氧气或空气) 发生催化还原反应，电子则通过外电路构成回路。电池的燃料和氧化剂不是存储在 电池内部，而是类似于汽油或柴油发电机，在电池工作时通过外部贮存装置连续不断地输入电池 内部。 1 1 2 燃料电池的优点 与其它发电方式相比，燃料电池具有以下优点： ( 1 ) 燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能，整个反应不通过热机过程，因此不 受卡诺循环的限制，理论热电转化效率可达8 5 9 0 。但由于受各种极化影响，实际工作 中各类电池实际能量转化效率均在4 0 嗡0 的范围( 传统的火力发电效率不超过3 0 ) ；若 进行余热回收等辅助措施，可获得更高的转化效率。图1 1 【4 】为不同发电方式发电效率的比 较。 ( 2 ) 高温燃料电池( 熔融碳酸盐燃料电池m c f c 、固体氧化物燃料电池s o f c ) 可实现热电联供， j 厣交鱼天謦博士学位论文 发电系统效率进一步提高，燃料的利用率可高达8 0 。 ：l坩1 i 白0 0t o ol 饿 0 帅 o u 蛭珊tp 口w 神k w 图1 1 不同发电方式的发电效率 f 培1 1e f f i c i e n c yo fd i 侬淝n te l e c t r i cp 0 、) l ，c rg e n e r 撕o n s ( 3 ) 由于燃料气在反应前必须脱硫，按电化学原理反应后，生成物仅为水和二氧化碳等，几乎不 排放氮的氧化物和硫的氧化物，整个系统洁净、污染小。其具体数值如表1 1 阁所示。 表1 1 燃料电池与火力发电的大气污染情况比较( 单位k g 1 0 巧( k w h ) 1 ) 1 曲1 1c o i n p 撕s o i l so f l ea i r p o l l 嘶o nb 咖e c i ld i 妇 柏l te l e c t r i cp o w e rg c n a t i o 璐 ( 4 ) 系统模块化结构，积木性强，设计、制造和组装简单，可适应不同的功率要求。 ( 5 ) 系统机械转动部件少，工作安静，噪声很低，如距离4 0 k w 的磷酸型燃料电池电站4 6 m 处 的噪声水平仅为6 0 d b ，相当于家用电冰箱的工作噪声。 ( 6 ) 比能量大，降载弹性佳，运行质量高。 1 1 3 燃料电池的分类 目前，世界各国已研发出多种类型的燃料电池，依据使用电解质的不同，电池可分为碱性燃 料电池( a f c ) 、磷酸燃料电池( p i f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池0 讧c f c ) 、固体氧化物燃料电池 ( s o f c ) 、质子交换膜燃料电池口e m f c ) 和直接甲醇燃料电池( 】d m f c ) 等。各种燃料电池的基本特 性如表l 一2 所示，其具体结构和工作原理可参考文献【6 - l o 。 2 娥 孵 艘 | 妻 謇吝墨。点 j 厣支鱼天謦博士学位论文 第一章绪论 表1 2 各种燃料电池的基本特性 t h b 1 2b a s i cc h 扣盈c t e r i s t i c so ff 沁lc e u s 1 2m e m s 技术 删s 是英文m i c r oe l e c 廿om e c h a l l i c a ls y s t e m s 的缩写，即微电子机械系统，是一种在微纳 米( i i l i c r o n a n o t c c l l l l o l o 鳓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。利用 m e m s 的高精度( 小于1 加工技术可优化电池内部的管路结构，微型泵的使用则可进一步提高 燃料和氧化剂的供给效率，一些外围微电子器件( 如控温、控流元件等) 还可与电池集成，使系统 体积大大减小，因此探索基于m e m s 的微型燃料电池成为近期国际研究的热点【1 1 1 。 1 9 5 9 年，美国物理学家r f r e y n 删衄提出了制造微型机械的设想。1 9 6 2 年，世界上第一个硅 微型压力传感器问世，其后微梁、微齿轮等微型机构相继开发成功。随着二十世纪7 0 年代体微机 3 j 厣支鱼天訾博士学位论文 械加工技术、8 0 年代表面微机械加工技术的产生，m e m s 技术得到迅猛发展。1 9 8 9 年，n s f 召开 了年度研讨会，其总结报告中提出“微电子技术应用于电子、机械系统”的概念，自此m e m s 成为一个新的学术用语。现有成熟的m 卧嗄s 加工工艺主要包括：淀积、光刻、表面微机械加工、 体微机械加工、晶体键合以及l i g a 加工等，这些技术在各种微型燃料电池的制作过程中都将会 用到，具体内容将在第二章中详述。 1 3 微型燃料电池 随着微电子系统，如微型传感器、机器人胶囊、移动电话、p d a ( 个人数字助手) 等的迅猛发 展，对微型能源提出了越来越高的性能指标，而传统化学电源，如n 淝d ( 镉镍电池) 、n 以r m ( 镍 锌电池) 以及l m ( 锂离子电池) 等因各自的原因已越发不能满足系统的要求。基于m e m s 技术制 备而成的微型燃料电池0 垤i c r of u e lc e l l s 掣f c s ) ，特别是微型直接甲醇燃料电池( 】i c r od i r e c t m e 廿l 蛆o lf u e lc e u s 一埘州限c s ) 和微型质子交换膜燃料电池0 订i c r 0p r o t o ne x c l m l g em e n l t 腑n ef u e l c e l l s 一p e m f c s ) 以其高能量密度、高效率、体积小、无噪音、组装方便、成本低等优点，迅速 成为国内外竞相研发的一种全新微型能源，其与常规化学电源性能比较如表l 一3 所示【1 1 6 】。 表1 3 常规化学电源与微型燃料电池的性能比较 ，i a b 1 - 3c o i i 】p a r i s o l l so fm ep e r f o 彻a n c eb e 帆e i lc 彻v e i l t i o m lc l 圮1 1 1 i c a lc e l l s 锄d f c 【注】p e c s 和d c s 的性能均为室温下测得。 f p e c s 和d 1 c s 的充电时间是指电池更换燃料时间。 1 3 1 微型燃料电池的特点 除了具备常规燃料电池共有的优点，微型燃料电池还具有以下特点【1 7 ，1 8 】： ( 1 ) 电池比表面积大幅增大，内部传质、传热速度提高； ( 2 ) 制作精度高，能够满足系统中其它数字设备的工艺要求； ( 3 ) 系统体积小，辅助设备少，燃料添加方便，集成度高； ( 4 ) 可在室温下工作，尾气排放少，系统安全、可靠； 4 j 厣支鱼名挚博士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 固态膜电解质无污染，抗振性好； ( 6 ) 使用成熟的m e m s 技术，制作成本低，易于大规模生产，实现产业化、商业化。 因此微型燃料电池成为微传感器等微电子系统最具潜力的替代能源。 1 3 2 微型燃料电池的基本结构 利用微电子工业中的m 卧嗄s 技术，如光刻、薄层淀积、离子刻蚀以及键合等，可方便地在 无机材料( 如硅) 上制作出各种微型燃料电池协2 1 1 。图1 2 是目前微型燃料电池的四种典型结构， 分别称为传统型、紧凑型、平板型和自呼吸型微型燃料电池。 圆1 s _ ii m 匡圈s 渤lc 抛