哈工大微电子开题报告

研究生论文开题研究生论文开题被动式微型燃料电池阳极自适应设计与实现导师：张宇峰教授学生：付文婷2013.07.10研究生论文开题主要内容主要内容及研究方案可能存在的问题及解决方法进度安排论文背景及研究目的和意义国内外研究现状完成课题已具备和所需要的条件经费研究生论文开题论文背景及研究的目的和意义•本课题来源于国家自然科学基金。基金号：61076105和61176109•微小型直接甲醇燃料电池（µDMFC）由于具有能量密度高、操作简单、启动速度快、环保清洁等优点，能有效解决目前限制微小型电子器件发展的供能问题，具有广阔的应用前景。•被动式不需要外界有源的辅助设备供给燃料，利用扩散和自然对流对电池进行供料，有利于手机、笔记本电脑等便携式用电设备的集成，并且能有效的提高体积能量密度。研究生论文开题工作原理32266CHOHHOCOHeAnodeCathode2236632OHeHOOverall3222322CHOHOCOHO阳极阴极MEAMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2OMethanolCO2e-H+O2H2O直接甲醇燃料电池（DMFC）基本结构主要由阳极极板、膜电极（MEA）和阴极极板组成，其中MEA由扩散层、催化层和质子交换膜（PEM）组成。甲醇溶液+CO2O2（空气）+水研究生论文开题主要内容本论文主要内容对提高甲醇工作性能进行设计对被动式直接甲醇燃料电池性能测试被动式甲醇燃料电池的国内外研究论文背景及研究目的和意义国内外研究现状研究生论文开题国内外应用概况军用方面三星研制的军用电池民用方面应用于iphone的燃料电池新加坡销售的燃料电池日本KDDI公司研制的燃料手机电池东芝的折叠式超薄手机燃料电池直径只有3mm的燃料电池打火机大小的燃料装备研究生论文开题Gholami等人研究了极流板对被动式燃料电池的性能的影响和CO2气体的运动特性。当阳极采用开孔率为53.76%的非均匀平行流场时，供给浓度为4mol/L时达到最大功率密度20mW/cm2。Torres等人采用体硅工艺，性能可达9mW/cm2是硅基被动式的较高水平。Chan等人采用线切割加工技术，不锈钢表面溅射Pt进行防腐蚀处理。性能可达8.5mW/cm2。Weinmueller等人采用硅基底，SU-8作为基电极，沉积Au作为电流收集层。然而性能较低。被动式微型直接甲醇燃料电池研究现状研究生论文开题被动式微型直接甲醇燃料电池阳极供给方式研究现状用低浓度甲醇溶液进行阳极供给用高浓度甲醇溶液进行阳极供给通过甲醇汽化对阳极甲醇溶液进行供给利用毛细材料对阳极甲醇溶液进行供给研究生论文开题研究单位、人员研究年份甲醇浓度功率密度(mW/cm2)温度℃燃料供给形式主要研究内容Song20073M————50-70℃液体通过计算水传质系数和甲醇效率得出被动式DMFC的水渗透能力。Xu20071-4M110（2M）30、50、70℃液体研究气体扩散层材质、膜厚、电流密度、温度、甲醇浓度和CO2气体流速对电池性能的影响。Jewett20071-5M25（3M）室温下液体在直接甲醇燃料电池的阴极多加一层气体扩散层来提高水管理。Zhao20070.25、1M————75℃液体设计一种新的流场来提高脊下传质和提高甲醇均匀通过气体扩散层。Xu20102-4M50（3M）室温液体基于不同电流下的电池放电情况精确计算被动式DMFC的甲醇和水渗透情况。国内外低浓度甲醇供给对比研究生论文开题研究单位、人员研究年份甲醇浓度功率密度（mW/cm2）温度℃燃料供给形式主要研究内容Wu2011纯甲醇70（60℃）30、45、60蒸汽研究了MEA膜电极的设计参数和在性能较好的MEA膜电极下水从阴极到阳极的传质。Wang20111-8M12.5（7M）室温液体设计出由平行流场和点状流场组合而成的阴极流场。Kang20121-8M78(8M)60℃液体采用阳极憎水微孔层来降低甲醇渗透。He20128M,16M,纯甲醇18(纯甲醇)室温液体介绍阳极甲醇阻挡层的影响和阴极水管理层的应用。Park201250-95vol%35.1(95vol%甲醇)室温液体制作具有多层电极的MEA用来限制高浓度甲醇的渗透。Wu2012纯甲醇————室温蒸汽阳极催化层内水含量对甲醇氧化反应产物分布的影响。Yuan20120.5-8M3.5(8M)室温液体阳极用具有阵列式圆孔的有一定开孔率的集流板来降低甲醇渗透现象。国内外高浓度甲醇供给对比研究生论文开题Guo将一根毛细管连接在纯甲醇容器与稀释后的甲醇溶液之间，然后接上电池的膜电极。由于甲醇和水的毛细力不同，从而将纯甲醇运输到稀释的甲醇溶液中。该装置的优点是在电池工作过程中纯甲醇能够随时混合到稀释的甲醇溶液中。Steffen将一层渗透汽化膜放置在存储甲醇燃料的多孔介质层和MEA之间，纯甲醇溶液或高浓度甲醇溶液透过汽化膜变成甲醇气体，甲醇气体透过阳极扩散层扩散至阳极催化层进行反应。其他进液方式上述方法虽然对阳极甲醇浓度进液具有一定可行性，然而储液腔体积增大不易携带，且不能精确控制甲醇浓度，且随时间累积输出电流逐渐降低，因此设定稳定的阳极供液系统非常有必要。研究生论文开题主要内容进度安排可能存在的问题及解决办法完成课题已具备和所需要的条件经费研究内容和方案论文背景及研究目的和意义国内外研究现状研究生论文开题本论文主要围绕被动式微型直接甲醇燃料电池的阳极浓度自适应反馈供给模式进行研究。设计一种温控装置，使电池在低温启动，通过电池反应放出的热量使电池始终在最佳温度环境中工作，以提高电池性能。通过大量实验得出最优化的高浓度甲醇溶液对低浓度甲醇溶液的补给。主要研究内容和方案实验方法系统研究不同甲醇溶液浓度和工作温度等运行参数对电池性能的影响。设计程序控制微泵，使微泵在电流下限点开启，运行短时间后自行关闭。通过微泵将高浓度甲醇溶液对低浓度甲醇溶液进行补给。研究生论文开题前期工作进展20℃，40℃，60℃和80℃工作条件下浓度对电池性能的影响20℃下浓度为1-4mol/L对电池性能的影响40℃下浓度为1-4mol/L对电池性能的影响研究生论文开题80℃下浓度为1-4mol/L对电池性能的影响60℃下浓度为1-4mol/L对电池性能的影响前期工作进展研究生论文开题温度20℃40℃60℃80℃浓度1mol/L19.44375mW/cm231.84375mW/cm266.90938mW/cm258.3875mW/cm2浓度2mol/L22.29063mW/cm241.25625mW/cm285.92656mW/cm272.84063mW/cm2浓度3mol/L25.57813mW/cm245.25312mW/cm265.63906mW/cm256.90625mW/cm2浓度4mol/L25.97031mW/cm244.38437mW/cm246.725mW/cm253.8125mW/cm2不同运行参数下最大功率密度比较实验结果分析：温度：最佳为60℃温度过高，甲醇渗透严重，PEM缺水，质子传导率下降。温度过低，电化学反应速率慢，催化剂活性低。浓度：最佳为2mol/L浓度过高：甲醇渗透严重浓度过低：大电流下会产生浓差极化现象前期工作进展研究生论文开题针对前期工作，对燃料电池性能影响很大的两个因素：温度和浓度，进行优化设计，分别对应电池系统温控加热装置和阳极自适应供给系统。由前期实验数据得出微型被动式直接甲醇燃料电池在60℃时工作性能最佳，设计温度加热装置系统，常温启动电池后，根据电池在反应过程中会放出热量，将放出的热量应用在正在工作的电池上，使电池在没有恒温箱条件下通过设计的温度控制系统使其能够工作在最佳温度的环境下。后期工作进展通过温度控制提高燃料电池工作性能研究生论文开题被动式直接甲醇燃料电池的储液腔内的甲醇溶液浓度随着反应进行浓度逐渐降低，输出电流也随之逐渐减小。电池可工作时间逐渐变少。设计出一种对储液腔内的甲醇浓度补给方案，用高浓度甲醇溶液对低浓度甲醇溶液进行补给。设计程序控制微泵，并且考虑到微泵所消耗的能量，在电流达到输出下限时微泵自行启动，短时间内将高浓度甲醇溶液补给到低浓度的甲醇溶液中，然后微泵自行关断。通过此种方法延长电池的工作时间。后期工作进展程序控制高浓度甲醇溶液微泵被动式燃料电池实现阳极浓度自适应稳定供给，延长电池的工作时间将实验系统应用于电池堆的组装和设计中，提高电池堆的工作性能。研究生论文开题主要内容进度安排可能存在的问题及解决办法完成课题已具备和所需要的条件经费研究内容和方案论文背景及研究目的和意义国内外研究现状研究生论文开题13.06查阅相关的文献资料，深入了解国内外发展情况。13.07对被动式直接甲醇燃料电池进行前期安装与测试工作。13.08-13.10设计电池加热温控系统。13.11-14.02测试电池反应时间、输出电流、浓度补给、储液腔体积之间动态关系。14.03-14.05筛选测试结果，设计程序控制微泵.将整个研究系统进行验证并应用于电池组设计。14.06-14.07撰写论文，准备答辩。通过低温启动温控系统和甲醇溶液自适应设计，使被动式微型燃料电池始终在最佳工作环境中运行，并且延长其运行时间。预期达到的目的进度安排研究生论文开题主要内容进度安排可能存在的问题及解决办法完成课题已具备和所需要的条件经费研究内容和方案论文背景及研究目的和意义国内外研究现状研究生论文开题为完成课题已具备和所需要的条件2.本人于前期已经完成了一些规律性的实验，得到了具有一定参考价值的实验数据，为课题的顺利进行打下了基础。由于本课题是国家自然科学基金项目的一部分，因此论文工作具有足够的经费支持。1.哈工大MEMS中心从事微型燃料电池研究多年，具有完善的软件和硬件条件，并有足够的经费支撑。研究生论文开题主要内容进度安排可能存在的问题及解决办法完成课题已具备和所需要的条件经费研究内容和方案论文背景及研究目的和意义国内外研究现状研究生论文开题可能存在的问题及解决办法1.由于用于测试的电池阴极采用自呼吸形式，所以在组装电池的过程中和实验过程中会受到周围环境和人为因素影响，导致测量数据不稳定。解决方法是需要在相同条件下进行多次测量，确保数据的准确性。2.电池内部反映情况复杂，尤其是高浓度甲醇对低浓度甲醇的供给方面，涉及的变量很多，具体测量部分参数变化之间的规律性不好掌握，其相对工作量较大，需要在实验设计过程中考虑全面。研究生论文开题谢谢各位老师！