基于三角转子发动机和微生物燃料电池的微小型电源研究

论文摘要

随着微机电系统(MEMS)的快速发展,为MEMS提供电能的微小型功率器件(PowerMEMS)逐步得到了广泛的研制。为研制微能源系统,本文提出的微小型三角转子发动机发电装置和微小型微生物燃料电池两个不同的方案:微小型三角转子发动机发电装置以液态烃为燃料的微小型三角转子发动机带动微型电机发电,与其他发电装置相比,具有能量密度高,输出稳定可控等优点。而微小型微生物燃料电池则是通过微生物如酵母菌分解葡萄糖的产电效应来发电的,其特点是:原料容易获得且成本很低可再生无污染,不存在燃烧现象无爆炸等潜在危险,发热量极小,可以长期运行等。论文的主要内容包括两大部分内容:第一部分包括第二到第四章,通过对微尺度燃烧理论研究,分析微尺度条件下燃烧过程中着火和熄火的热力条件和考虑熄火距离对燃烧的影响,结合转子发动机结构原理、工作原理的研究,通过热应力仿真并参照前期实验经验,提出了基于热应力的微小型三角转子发动机型线方程的修复方法。在此基础上成功研制厘米级R.Ⅱ样机和毫米级R.Ⅲ样机。R.Ⅱ样机是国内见报导的稳定运行时间最长的微小型三角转子发动机,其内部核心尺寸最大不超过4cm,外形尺寸最大不超过10cm,最大输出功率可达220W,稳定输出功率为150W,单次运行时间超过一小时,并在航模中试用成功。R.Ⅲ样机是国内能成功点火的最小的转子发动机,输出功率可达2.5W,其内部核心尺寸最大不超过8mm,接近国外最高水平。第二部分包括第五到第七章,通过对双极腔间接型微生物燃料电池的发电机理研究和各影响因素的实验探讨分析验证,首创采用铁电极作为阳电极,以驯化后第四代Y20酵母菌为菌种,研制成能反复充电、长时间工作、原料易得、绿色无污染的微小型微生物燃料电池M.Ⅱ和M.Ⅲ,其工作时间长短取决于原料的添加量。M.Ⅱ每个容腔容积8 ml,最大输出0.38mW,内阻320欧姆,最大开路电压为0.725V,可稳定输出250min。M.Ⅲ每个容腔容积3.2ml,最大输出0.33mW,内阻325欧姆,最大开路电压为0.682V,可稳定输出120min。在此基础上发现一种全新的微生物燃料电池的实现方式:铁阳电极单腔无隔膜微生物燃料电池。为微生物燃料电池开辟了一个新的方向,相对常见双极腔间接型MFC,它具有迅速达到工作状态、最大输出功率高、内阻小等优点,并且小型化之后内阻没有太大的变化,同时它取消了最昂贵的PEM隔膜,结构简单,成本低廉,容易实现,更适合微小化。当然也存在着稳定输出时间较短等缺点。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Power MEMS系统的研究意义
• 1.3 Power MEMS研究现状
• 1.3.1 微发动机方案
• 1.3.2 微型燃料电池
• 1.3.3 微型热电装置
• 1.4 MEMS加工技术
• 1.4.1 硅的体加工技术
• 1.4.2 硅的表面加工技术
• 1.4.3 LIGA与DEM
• 1.4.4 键合技术
• 1.5 课题的研究意义及目的
• 2 基于微燃烧原理的微小型三角转子发动机研究
• 2.1 引言
• 2.2 微型燃烧室理论研究及建模仿真
• 2.2.1 微尺度燃烧稳定性分析
• 2.2.2 微型燃烧室建模仿真
• 2.3 微小型三角转子发动机的机理
• 2.3.1 三角转子发动机构造原理
• 2.3.2 微小型三角转子发动机的工作原理
• 2.3.3 三角转子发动机的特点
• 2.4 微小型三角转子发动机主要零部件的结构原理
• 2.4.1 缸体
• 2.4.2 转子
• 2.4.3 偏心轴
• 2.5 微小型三角转子发动机的密封
• 2.5.1 端面密封
• 2.5.2 径向动密封
• 3 厘米级三角转子发动机的研究和开发
• 3.1 厘米级发动机的初步设计及第一款样机R.Ⅰ研制与测试
• 3.1.1 基本尺寸的拟定
• 3.1.2 主要零部件的设计
• 3.1.3 R.Ⅰ样机加工工艺及加工
• 3.1.4 R.Ⅰ的测试情况
• 3.2 样机R.Ⅱ的优化设计
• 3.2.1 R.Ⅱ样机基本尺寸拟定
• 3.2.2 零部件优化设计和密封的改善
• 3.2.3 缸体型线的修正仿真
• 3.3 R.Ⅱ测试系统的搭建以及测试分析
• 3.3.1 R.Ⅱ样机测试系统设计
• 3.3.2 R.Ⅱ样机测试及数据分析
• 3.4 结论
• 4 毫米级三角转子发动机的研究和开发
• 4.1 毫米级金属三角转子发动机R.Ⅲ设计和研制
• 4.1.1 基本尺寸的拟定
• 4.1.2 主要零部件的设计和加工方法
• 4.1.3 运动仿真和偏心轴的校核验证
• 4.1.4 零部件的精度和配合要求以及加工
• 4.2 R.Ⅲ样机的测试分析
• 4.2.1 气动驱动R.Ⅲ进起口的适应性改动
• 4.2.2 气体驱动型R.Ⅲ样机测试系统
• 4.2.3 气体驱动型R.Ⅲ样机测试及结果分析
• 4.2.4 燃烧型微型转子发动机R.Ⅲ测试
• 4.3 毫米级硅基微型三角转子发动机设计
• 4.3.1 设计思路
• 4.3.2 基本尺寸的拟定
• 4.3.3 主要零部件的设计
• 4.4 结论
• 5 微小型微生物燃料电池原理
• 5.1 引言
• 5.2 微生物燃料电池的定义及种类
• 5.3 微生物燃料电池的工作原理与构成
• 5.3.1 双极室间接型微生物燃料电池的构成
• 5.3.2 双极室间接型微生物燃料电池的工作原理
• 5.3.3 微生物氧化产生生物电机理假说简介
• 5.4 电池性能的评价参数
• 5.4.1 电极电势和开路电压
• 5.4.2 电池功率
• 5.4.3 MFC的内电阻
• 5.5 微生物燃料电池研制的关键点
• 6 双极室间接型微生物燃料电池研制和测试分析
• 6.1 双极室间接型微生物燃料电池实验设备简介
• 6.1.1 反应容器的设计
• 6.1.2 PEM膜对MFC的性能影响及制作工艺
• 6.1.3 需要的主要化学试剂
• 6.2 产电菌种和阳电极材料的优化筛选实验
• 6.2.1 酒精酵母菌种的获得和试验前的培养
• 6.2.2 菌株和阳电极材料优化筛选实验方案
• 6.2.3 菌株和阳电极材料优化筛选实验结果及分析
• 6.3 MFC产电性能机理测定分析
• 6.3.1 MFC阳电极特性分析实验
• 6.3.2 MFC阴电极特性分析实验
• 6.3.3 MFC阳极腔环境特性分析实验
• 6.3.4 PEM透膜面积影响分析
• 6.3.5 MFC阴极腔环境特性分析实验
• 6.4 菌种的产电驯化
• 6.5 结论
• 7 微小型微生物燃料电池的研究和开发
• 7.1 微生物燃料电池的微小型化设计
• 7.1.1 微生物燃料电池的优化设计思路
• 7.1.2 微生物燃料电池的微小化设计思路
• 7.2 微小型微生物燃料电池的设计和研制
• 7.2.1 微小型MFC反应器设计和制造
• 7.2.2 微小型微生物燃料电池的其它配置
• 7.3 M.Ⅱ型微小型微生物燃料电池的性能测试
• 7.3.1 M.Ⅱ型MFC的溶液中亚甲基蓝添加量的测定
• 7.3.2 M.Ⅱ型MFC的溶液中铁氰化钾添加量的测定
• 7.3.3 M.Ⅱ型微小型微生物燃料电池性能测试
• 7.4 M.Ⅲ型微小型微生物燃料电池的性能测试
• 7.4.1 M.Ⅲ型MFC的溶液中亚甲基蓝添加量的测定
• 7.4.2 M.Ⅲ型MFC的溶液中铁氰化钾添加量的测定
• 7.4.3 M.Ⅲ型微小型微生物燃料电池性能测试
• 7.5 微小型双极室间接型微生物燃料电池性能分析总结
• 7.6 新的微小化途径——铁阳电极单腔无隔膜MFC
• 7.6.1 铁阳电极单腔无隔膜MFC的发现
• 7.6.2 铁阳电极单腔无隔膜MFC机理测定分析
• 7.6.3 铁阳电极单腔无隔膜MFC性能测试
• 7.6.4 铁阳电极单腔无隔膜MFC总结
• 7.7 小结
• 8 总结和工作展望
• 参考文献
• 攻博期间主要科研成果