微型甲醇燃料电池环氧封装结构力学特性及其性能影响研究

论文摘要

高聚物封装微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell, μDMFC）是借鉴微电子及MEMS器件塑封工艺的基础上发展起来的,该封装工艺在减小电池体积和提高电池比能量等方面取得了进步。但是在热.机械循环载荷的作用下,封装结构内部应力分布状况发生改变,对电池的性能和寿命产生重要影响。本文针对这一问题,进行了相关的材料力学实验,设计、分析并制作了不同结构的环氧树脂封装μDMFC,并在热循环载荷条件下对μDMFC界面裂纹扩展行为进行了初步研究。首先,通过标准材料实验,测定了封装用环氧树脂的力学参数。采用时间硬化蠕变理论描述封装环氧树脂的蠕变特性,实验获取了蠕变理论模型的相关参数。通过标准材料拉伸实验,获得了环氧树脂的弹性模量、泊松比、热膨胀系数和蠕变曲线,为后续封装结构特性数值模拟提供了相关材料参数。模拟与实验对照结果表明,采用本文实验测定的材料参数和力学模型计算的环氧树脂蠕变特性与实验结果有较高的吻合度。其次,采用ANSYS软件,模拟了不同隔板结构形式和几何参数的μDMFC在热。机械循环载荷作用下极板.膜电极接触界面法向应力分布情况。进一步根据界面接触电阻的微元并联半经验模型,获得了极板－膜电极界面接触电阻随循环载荷变化的规律。结果表明环氧封装结构的蠕变特性对应力分布影响较为显著,而对接触电阻的影响较小。采用4点及25点凸起阵列封装结构的μDMFC封装后应力分布均匀,界面接触电阻较小,其综合封装性能最佳。第三,采用环氧树脂热固化工艺实现了不同结构μDMFC的封装。对比分析了点状凸起阵列和三角形对称凸起封装结构的μDMFC在热－机械循环载荷作用下接触电阻和电池总体电阻的迁变规律。结果表明,采用点状凸起阵列封装结构的μDMFC由于应力分布均匀,在初期电阻增大后始终保持阻值平稳；而采用三角形对称凸起封装结构的μDMFC由于应力分布不均,导致其电阻一直增大直至破坏。最后,研究了热循环载荷对高聚物封装MEMS燃料电池界面裂纹扩展的影响。采用有限元方法求解了三种不同热循环周期的条件下封装界面裂尖前沿的J积分变化规律。结果表明,裂纹尖端J积分值随着热循环载荷进程有明显变化,在。25℃-+55℃、3660s循环周期的热循环载荷作用下,18个热循环后J积分值最大变化了49.65%；热循环周期的长短对J积分值影响较小,而热循环加载周次和载荷大小对J积分值影响明显；封装材料的蠕变特性在高温时可减缓裂纹的扩展,但在低温时这种减缓作用大为削弱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 直接甲醇燃料电池
• 1.2 燃料电池的封装技术
• 1.2.1 封装压力对燃料电池的影响
• 1.2.2 燃料电池的组装方法
• 1.2.3 高聚物封装燃料电池的研究现状
• 1.3 封装结构力学特性对燃料电池性能的影响
• 1.5 本论文的主要工作
• 2 μDMFC封装用环氧树脂力学参数的实验测定
• 2.1 环氧树脂弹性模量、泊松比和热膨胀系数的测试
• 2.1.1 试样的制备及实验设备
• 2.1.2 实验原理与步骤
• 2.1.3 实验数据及处理
• 2.2 环氧树脂的拉伸蠕变特性实验
• 2.2.1 环氧树脂蠕变特性描述
• 2.2.2 蠕变特性实验步骤
• 2.2.3 实验数据及处理
• 2.3 环氧树脂力学特性参数验证
• 2.4 本章小结
• 3 热-机械载荷作用下μDMFC封装结构力学特性研究
• 3.1 μDMFC封装结构设计
• 3.1.1 流场板的设计
• 3.1.2 隔板的设计
• 3.2 μDMFC封装结构力学特性的有限元模拟
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 载荷及约束处理
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 封装结构对MEA工作平面法向应力的影响
• 3.3.2 封装结构对μDMFC接触电阻的影响
• 3.4 本章小结
• 4 热－机械载荷作用下μDMFC欧姆内阻迁变实验研究
• 4.1 环氧封装μDMFC的制备
• 4.1.1 零件的制造
• 4.1.2 燃料电池的封装
• 4.2 热－机械载荷疲劳试验系统
• 4.3 封装结构对μMFC性能的影响
• 4.3.1 接触电阻实验结果
• 4.3.2 μDMFC欧姆内阻实验结果
• 4.4 本章小结
• 5 环氧封装μDMFC界面分层断裂的初步研究
• 5.1 断裂力学基础（J积分、Paris方程）
• 5.2 热循环载荷作用下μDMFC封装结构界面分层数值模拟
• 5.3 封装结构界面分层对μDMFC裂纹J积分的影响
• 5.3.1 路径选取的验证
• 5.3.2 热循环载荷对裂纹J积分值的影响
• 5.3.3 封装高聚物蠕变特性对J积分的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢