MEMS燃料電池?zé)帷獧C械疲勞測試系統(tǒng)研究.pdf

1、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)燃料電池是結(jié)合MEMS微細加工技術(shù)和燃料電池工作原理的新型微電源，具有高比能、高效率、易使用、低污染等優(yōu)點。MEMS燃料電池在周期性啟停中產(chǎn)生的溫度和物料運輸內(nèi)壓變化，會對其封裝結(jié)構(gòu)施加低頻的熱-機械交變載荷，造成燃料電池封裝結(jié)構(gòu)蠕變及界面分層等缺陷，使電池內(nèi)阻增大、性能劣化直至疲勞失效。為了對MEMS燃料電池工作過程中的熱-機械疲勞特性進行試驗和評價

2、，本文在分析電池?zé)?機械載荷形成規(guī)律的基礎(chǔ)上，研發(fā)了可對MEMS燃料電池在線施加熱-機械疲勞載荷并對電池性能進行在線表征的專用測試系統(tǒng)。
　　首先，從MEMS燃料電池結(jié)構(gòu)所受載荷的角度，分析MEMS燃料電池?zé)彷d荷和機械載荷的來源及其對燃料電池性能的影響，確定燃料電池?zé)彷d荷對應(yīng)的溫度變化范圍及機械載荷對應(yīng)的燃料和氧化劑的流量范圍。其次，確定熱-機械載荷的實現(xiàn)方法及疲勞測試系統(tǒng)的設(shè)計指標，并通過對溫度子系統(tǒng)和流量子系統(tǒng)的設(shè)計及集成，完

3、成總體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在溫度子系統(tǒng)設(shè)計中，為了提高電池試樣溫度高低溫交變響應(yīng)速度，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于循環(huán)換熱管路的新穎控溫結(jié)構(gòu)。第三，研究了溫度子系統(tǒng)和流量子系統(tǒng)的控制及系統(tǒng)集成方法，完成了二者控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并開發(fā)了基于LabVIEW的上位機控制程序。最后，對本系統(tǒng)進行了輸出性能指標驗證和實際電池試樣的應(yīng)用驗證。性能指標驗證結(jié)果表明，測試系統(tǒng)對試樣的溫度控制范圍為:5℃～85℃，實驗溫度曲線可取值范圍10～65℃，試驗箱升溫速率≥5

4、℃/min，降溫速率≥5℃/min，溫度穩(wěn)態(tài)偏差≤±1℃;陽極液體的流量控制范圍和控制精度分別為0.1～99.9ml/h和±0.1 ml/h，陰極氣體的流量控制范圍和控制精度分別為0.2-100L/min和±0.1L/min，滿足設(shè)計指標要求。系統(tǒng)實際應(yīng)用驗證結(jié)果表明，MEMS燃料電池試樣在熱-機械疲勞測試系統(tǒng)的測試下，隨著疲勞測試次數(shù)的增加，電池內(nèi)阻增大，電池輸出功率密度呈下降趨勢，直至電池失效。
　　本文研發(fā)的MEMS燃料熱-