微型燃料电池双极板有序固着研磨工艺与试验研究

论文摘要

随着互联网蓬勃发展以及电子产品体验服务不断升级,传统电池的续航能力和储能量受到了挑战。微型燃料电池除了环境友好、比功率高和可靠性好的优点外,相对于传统蓄电池还具有更高的能量密度且更换燃料方便。双极板作为微型燃料电池的核心组件,寻找高效、批量化、低成本的双极板加工工艺是微型燃料电池商业化的关键因素之一。本文对双极板表面微结构的有序固着研磨加工工艺进行了深入研究,主要研究了有序工艺中固着研磨盘上不同金刚石颗粒排布方式对轨迹成形的影响,采用的方式是对不同的排布方式所对应的轨迹进行均匀性评价和分形特性的研究,最终确定同心圆间距为40mm,颗粒间夹角为30。的经纬排布方式为最优排布,且证明了有序固着工艺有望获得高效传质的双极板表面分叉微结构。此外,对最优排布所对应的轨迹进行分析,结果得出该轨迹是由分叉单元结构旋转阵列而成,将单元结构与传统直行流道叠加从而设计出新型分叉流道结构。为了分析新型流道对电池性能影响,构建了具有电池运行温度控制、阴极气体压力调节、阴极气体加湿控制、阳极甲醇输运控制系统和单电池的燃料电池测试模块的实验装置。实验研究得出燃料电池最优操作参数,以此为基础,对比分析新型分叉流道与传统蛇形流道对电池性能影响。实验结果显示了新型分叉流道在性能和进出口压降上都超越传统蛇形流道。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 微型燃料电池的科学问题和应用前景
• 1.2 微型燃料电池双极板特性
• 1.2.1 微型燃料电池工作原理及其分类
• 1.2.2 微型燃料电池的特性参数
• 1.2.3 双极板材料研究现状
• 1.2.3.1 多孔硅基双极板
• 1.2.3.2 聚合物基双极板
• 1.2.3.3 金属基双极板
• 1.2.4 双极板的制备工艺现状
• 1.2.4.1 硅基极板加工工艺
• 1.2.4.2 金属基极板加工工艺
• 1.2.4.3 聚合物基极板加工工艺
• 1.3 微型燃料电池流场的特性
• 1.4 电池特性的分析测试平台
• 1.5 研究内容及论文结构安排
• 第2章 双极板表面微结构设计方法
• 2.1 分叉型微结构对传热传质的作用
• 2.1.1 仿生分叉微结构的传热传质
• 2.1.2 分形分叉微结构的传热传质
• 2.2 分叉型微结构对反应效率的作用
• 2.3 分叉型微结构设计和优化
• 2.3.1 Murray定律
• 2.3.2 分形几何理论
• 2.3.3 典型分叉微结构设计模型及其优化
• 2.4 本章小结
• 第3章 研磨表面的分叉微结构研究
• 3.1 有序固结研磨加工的轨迹分析
• 3.1.1 有序固着研磨加工方法
• 3.1.2 有序固结研磨轨迹的数学模型
• 3.1.3 有序磨粒的排布形式对轨迹的作用
• 3.1.4 研磨轨迹的均匀性分析
• 3.2 分叉型微结构的分形特征
• 3.2.1 研磨轨迹的数字图像计盒维数计算方法
• 3.2.2 有序磨粒的排布方式对分形维数的作用
• 3.3 分叉微结构的应用研究
• 3.3.1 微流道的单元结构
• 3.3.2 微流道的结构设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 微型燃料电池双极板性能的研究
• 4.1 微型燃料电池测试装置的设计
• 4.1.1 设计目标规划
• 4.1.2 控制系统的规划
• 4.1.2.1 电池运行温度控制
• 4.1.2.2 阴极气体压力调节
• 4.1.2.3 阴极气体加湿控制
• 4.1.3 器件选型
• 4.1.3.1 蠕动泵
• 4.1.3.2 电子负载
• 4.1.3.3 阴极气体加湿
• 4.1.3.4 其他器件
• 4.1.4 微型燃料电池系统及测试装置
• 4.2 操作参数对微电池性能的影响
• 4.2.1 甲醇流量对微电池的影响
• 4.2.2 甲醇浓度对微电池的影响
• 4.2.3 温度对微电池的影响
• 4.3 新型分叉型双极板性能的分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参与的项目与科研成果