微直接乙醇燃料电池用压电供油泵的研究

摘要

提出了一种新颖的乙醇喷射系统设计，该系统由一个泵腔、两个阀和一个中心振动压电装置组成。该系统使用带有压电装置的微隔膜泵用于微直接酒精燃料电池。泵腔的直径分别为31 mm和23 mm，腔的深度分别为1 mm和2 mm。当压电装置启动改变泵腔容积时，阀门被打开/关闭，乙醇由于压力的变化被送入DAFC系统。实验结果表明，气室尺寸、压电振子的振动频率、气门厚度是影响喷醇系统性能的重要参数。实验结果表明，在振动频率为75 Hz的条件下，乙醇的流速可达到170 mL/min。此外，乙醇的流速高于水的流速。

1.介绍

在过去的10年里，人们对直接乙醇/空气质子交换膜燃料电池(pemfc)的发展越来越感兴趣，特别是用于电动汽车的应用。以液体燃料为燃料的低温pemfcs因其在燃料电池汽车、固定应用和便携式电源等方面的巨大潜力而受到越来越多的关注。使用液体燃料而不需要外部笨重的燃料转化系统，可以极大地简化燃料电池系统，从而导致其快速商业化。

DAFC通过液态乙醇燃料的直接氧化以及氧气（空气中）的还原来发电。大多数DAFC使用质子交换膜（PEM）作为电解质，这使其成为PEMFC技术的一个子集。DAFC中使用的燃料包括甲醇、乙醇、乙二醇和n-丙烷，其中甲醇的电化学动力学最高。直接甲醇燃料电池（DMFC）已被广泛研究，并在这类燃料电池的开发方面取得了重大进展。与甲醇相比，乙醇更环保，可以利用农业或生物质中的含糖原料大量生产。因此，DAFC最近受到越来越多的关注。

与以氢为燃料的pemfcs相比，DAFCs具有广泛的优势。如表所示1［1]，所有DAFCs的理论能量转换效率均超过90%，高于pemfcs(83%)。更重要的是,表1表明液态醇的体积能量密度比氢高得多。因此，dafc需要更小的燃料盒，因此，可以更紧凑。此外，dafc易于处理、运输和存储。与氢驱动的pemfcs不同，DAFCs不需要加湿和单独的热管理辅助系统。所有这些特性使dafc特别适合于便携式和移动应用程序。

微泵有许多不同的应用，如电子设备的散热、液体输送系统和燃油喷射。此外，有许多方法来驱动微泵，如电磁、压电、形状记忆合金、静电和热气动装置[2- - - - - -12]．Olsson等[13- - - - - -15]利用计算流体力学(CFD)分析了不同扩压器和喷嘴的流场，提出了集中质量模型来描述膜片与压力变化的关系。Yang等人[16]构建了一种新型双晶片驱动结构的微泵，可以将空气注入dmfc。他们的结果表明，空气隔膜泵在低功耗(低于20伏特)下以85.3 mL/min的流量工作。Ma et al. [17，18提出了一种带有压电(PZT)器件的单侧驱动微隔膜泵;它是利用工作液与泵腔内其他系统部件(阀门和隔膜)的谐波共振而研制成功的。该单侧微型泵也已改进到每分钟250毫升水，具有流量大、结构简单、功率需求低、体积小的优点。张和王[19[]提出了一种用于DMFC装置燃料输送的无阀微泵，并指出大的驱动频率可以降低微泵的功率消耗。

以往的研究表明，吸气式压电质子交换膜燃料电池(PZT-PEMFCs)可以通过具有压电驱动结构的气泵将空气引入阴极通道[20.- - - - - -24]．这种设计可以解决水淹问题，提高电池效率。采用过渡三维模型计算了不同压电陶瓷振动频率下肋片对PEMFCs性能的影响。在本研究中，设计了一种新型的燃料喷射系统，使用压电装置的微隔膜泵将乙醇泵入燃料电池。在对燃油喷射系统性能进行实验研究时，选择乙醇和水作为工作液。最佳运行参数包括腔径、腔深、阀厚和PZT振动频率。

2.燃油喷射系统机理

一种新型的燃油喷射系统，使用带有压电装置的微型隔膜泵，如图所示1设计用于泵送燃料到DAFC。燃油喷射泵由一个泵腔、两个阀门和一个中心振动压电装置组成。数字2指示燃油泵的爆炸视图，其中显示腔径，腔深，和气门厚度。当执行器向外移动时，腔体体积增大，乙醇被吸入腔体。另一方面，当驱动器向内移动时，腔体的体积减小，乙醇被输送到DAFC。

工作流体的驱动力由PZT装置驱动。因此，腔室中的入口速度由PZT振动驱动。假定PZT运动方程为中所示的正弦函数(1）： 另外，正弦函数诱导的通道内流入和流出周期如图所示2．进口液体流量可以用雷诺输运定理表示为 因此，进口速度可由(2）.根据泵的压电装置的振动函数 是压电装置的位移，和为振荡流体质量。是弹性系数。当压电元件的输入强度固定时，压电元件的振动质量减小，振动加速度增大。此外，腔室体积将减小，这意味着压电设备变形所需的驱动流体量将减少，并可提供更大的变形。什么时候增大时，会提高泵的净生产流量，另外，减小泵的体积可以提高流量性能。

在气门分析中，由PDMS制成的被动单向阀是燃油喷射系统设计中的重要装置。被动止回阀的好坏决定着燃油喷射系统的性能。PDMS是一种弹性结构元件，可以表示为存储和释放能量的弹簧运动。当阀门在流体中工作时，阀门的运动受到阻力的影响。当执行机构与气门运动匹配良好时，可以提高燃油喷射系统的性能;因此，阀门的响应在控制系统中起着重要的作用。阻力系数受阀门形状和厚度的影响[17]．

压电装置的振动振幅产生振荡流，并通过改变隔膜的曲率来改变腔体的体积。在图3.，当致动器向下移动以减小腔室容积时，出口将朝一个方向流出，入口阀关闭，出口阀打开。当致动器向上移动以增加腔室容积时，流入将进入腔室，入口阀打开，出口阀关闭。如果阀门与PZT装置不协调振荡，流场可能会受到干扰。当PZT装置向外移动时，阀门功能不正常可能导致入口阀关闭并阻止工作流体流入腔室。

雷诺数的定义是 在哪里=(质量流量)/(燃烧室截面面积)。

3.实验设置

带有压电装置的燃料/乙醇喷射系统由交替正弦波输入驱动。输入信号由函数发生器控制。正弦波信号如图所示4由函数发生器通过放大器送至压电器件，以放大信号。记录流量数据，分析不同输入频率和背压下的燃油喷射性能。各工况参数如表所示2，包括无因次腔室深度和阀门厚度。压电器件的工作交变电压选择在50v，压电器件的振动频率从1hz移到350hz。通过记录流量数据，分析不同频率下的燃油喷射性能。实验流程图如图所示5．

4.结果和讨论

4．1.不同的工作流体

测量的水和乙醇的流速如图所示6. 显然，乙醇的流速比水高。对于C-1，最大乙醇流速为162 毫升/分钟 Hz，但最大水流量仅为87 毫升/分钟赫兹。同理，乙醇的最大雷诺数为569Hz，高于相同频率下水的最大雷诺数459。这是因为乙醇的粘度效应比水小。本研究雷诺数范围为21 ~ 569，可以认为流动为层流。

当PZT振动频率超过100 Hz时，测量了有限的乙醇流速。然而，当PZT振动频率超过300 Hz时，测量了有限的水流速率。在图7，阀门厚度对流量有显著影响。主要原因是阀厚改变了阀的振动，造成了不同的流量。结果还表明，在厚度为0.5 mm的阀门中，乙醇流量最大(170 mL/min)。另外，水的流量在0.2 mm左右的阀壁厚度下发生碰撞赫兹。

4．2．阀门厚度的影响

在数据8和9，水和乙醇的最大雷诺数分别为697和597。比率定义为无量纲参数。两个最大雷诺数都很大值=0.25。对于低= 0.10时，两种工作流体中，低PZT频率下的雷诺数最低。因此，气门厚度是燃油喷射系统的重要参数之一。

4.3.无量纲腔室深度的影响

数据10和11表明乙醇和水的最大雷诺数较小值=0.043，在较高的PZT频率下。乙醇和水的最大雷诺数分别为569和459。为了更高值为0.065和0.087时，两种情况下的雷诺数均显著降低。因此，腔深是腔体设计中最重要的参数之一。

然而，无论腔室深度如何，乙醇的最大流速都大于水的最大流速，如图所示12．乙醇的最大流速为162ml /minC-1的Hz。当PZT振动频率达到65 Hz时，乙醇流量急剧下降至76 mL/min。另一方面，最大水流速率为87 mL/minC-1的Hz。然而，在较高的频率310hz时，水流速率缓慢下降到27ml /min。

4.4。乙醇供应压电泵所需功率

流量与PZT振动有关。基于(1)，则假定PZT振动为正弦函数。当乙醇最大流速为162ml /min时 赫兹和50赫兹 伏，功耗为0.675 因此，微型直接乙醇燃料电池年代输出功率大于0.675 在这种情况下，W适用于PZT器件。

5.结论

利用压电微隔膜泵进行乙醇喷射系统的新设计已经成功开发并进行了测试。主要结论总结如下。（1）乙醇的流速比水高。在C-1情况下，乙醇最大流速为162ml /min Hz，但最大水流量仅为87 毫升/分钟赫兹。(2)阀门厚度对流量有显著影响。在较厚的阀门中乙醇的最大流速为170 mL/min ()赫兹。（3）腔室深度是腔室设计中最重要的参数之一。最大乙醇流速为162 浅层中的mL/min()赫兹。（4）在PZT振动频率为45 Hz的情况下，D-2室最大水流量为132 mL/min。（５）当乙醇最大流速为162ml /min时Hz和50伏时，功耗为0.675 W。

命名法

：	入口区(米2)
：	压电领域(m2)
amp.：	PZT (m)振幅
D：	燃烧室直径（m）
f：	压电陶瓷的频率（Hz）
H：	室深度(米)
P：	压力(N / m2)
再保险:	雷诺数
t：	时间(s)
T：	阀门厚度（m）
：	压电装置的运动方程（m/s）
∀：	体积（m）3.)
米：	质量(千克)
兆瓦:	分子量(g /摩尔)
n：	正常的方向
护士:	运输电码
ρ：	密度(公斤/米3.）.

下标

CS:	控制面
简历:	控制体积
:	入口
压电陶瓷:	压电装置
：	粘度。

承认

本研究由中华民国国家科学委员会资助(NSC 99-2221-E-002-126-MY2)。

参考文献

1. U. B. Demirci，“直接液体燃料电池:热力学和环境问题”，电源杂志第169卷第1期2，页239-246,2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. S. Böhm, W. Olthuis和P. Bergveld，“用传统技术和材料构建的塑料微型泵”，传感器和执行器第77期3，页223-228,1999。视图:出版商的网站|谷歌学者
3. M. Koch, N. Harris, A. G. R. Evans, N. M. White, and A. Brunnschweiler，“基于厚膜压电驱动的新型微机械泵”，刊于固态传感器和致动器国际会议记录，第353-356页，1997年6月。视图:谷歌学者
4. 博。Li，Q.Chen，D.G.Lee，J.Woolman和G.P.Carman，“紧凑型压电驱动泵用大流量、坚固、被动微型止回阀的开发，”传感器和执行器，第117卷，第2期，第325-330页，2004年。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. L.Saggere，N.W.Hagood，D.C.Roberts等人，“压电驱动高流量微型泵的设计、制造和测试”，年第12届IEEE铁电应用国际研讨会论文集，第1卷，第297-300页，2000年8月。视图:谷歌学者
6. H. Suzuki和R. Yoneyama，“集成微流体系统与电化学驱动芯片上的泵和阀门”，B，第96卷，第1-2号，第38-45页，2003年。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. E. Stemme和G. Stemme，“无阀扩散器/喷嘴型流体泵”，传感器和执行器第39卷第3期2，第159-167页，1993。视图:谷歌学者
8. A. Olsson, G. Stemme，和E. Stemme，“无阀泵扩散器元件设计研究”，传感器和执行器(第57卷)2，第137-143页，1996。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. A. Olsson, G. Stemme，和E. Stemme，“无阀微型泵平壁扩散器元件的数值和实验研究”，传感器和执行器(第84卷)1，页165 - 175,2000。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. A.Olsson，P.Enoksson，G.Stemme和E.Stemme，“硅中的无阀平面泵”，年第八届国际固体传感器和执行器会议论文集和欧洲传感器，第291-294页，1995年6月。视图:谷歌学者
11. W. L. Benard, H. Kahn, A. H. Heuer, M. A. Huff，“薄膜形状记忆合金驱动微泵”，微机电系统学报，第7卷，第5期2，页245-251,1998。视图:谷歌学者
12. O. Francais, I. Dufour和E. Sarraute，“静电微泵的分析静态建模和优化”，微型机械与微型工程杂志，第7卷，第3期，第183-185页，1997年。视图:谷歌学者
13. A.Olsson，G.Stemme和E.Stemme，“一种改进的无阀泵，采用深度反应离子蚀刻制造”，在IEEE第九届国际微机电系统研讨会论文集(MEMS’96)，美国加利福尼亚州圣地亚哥，1996年。视图:谷歌学者
14. A. Olsson, G. Stemme，和E. Stemme，“无阀微泵扩散器和喷嘴元件的模拟研究”，刊于国际固态传感器和执行器会议论文集(97换能器)，芝加哥，伊利诺伊州，美国，1997年。视图:谷歌学者
15. A. Olsson, O. Larsson, J. Holm, L. Lundbladh, O. Öhman，和G. Stemme，“使用热塑性复制制造的无阀扩散器微泵”IEEE第十届国际微机电系统研讨会论文集(MEMS’97)，日本名古屋，1997年。视图:谷歌学者
16. 杨旭东，周志刚，赵海华，罗旭东，“用于微燃料电池供气的pzt膜片泵研究”，传感器和执行器，第130-131卷，第531-536页，2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
17. 马宏坤，侯伯仁，吴宏宇，林春英，高建军，寇明昌，“压电薄膜微泵的研制与应用，”微系统技术第14卷第2期7，页1001-1007,2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
18. 马海坤、侯伯仁、林春云和高俊杰，“用于液体冷却系统的单侧驱动隔膜微泵的改进性能，”传热传质领域的国际交流第35期8，第957-966页，2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
19. Zhang和Q.M.Wang，“用于直接甲醇燃料电池（DMFC）装置中燃料输送的无阀压电微泵，”电源杂志号，第140卷。1，页72-80,2005。视图:出版商的网站|谷歌学者
20. 马宏奎，黄圣华，陈伯仁，程立文，“基于压电装置的质子交换膜燃料电池微膜片流动通道的数值研究”，电源杂志，第180卷，第1期。1，第402-409页，2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
21. 马宏奎，“聚合物电解质燃料电池中压电效应的微膜片流动通道的研制”，燃料电池科学与技术，第6卷，文章ID 034501, 2009。视图:谷歌学者
22. “压电式质子交换膜燃料电池的新型肋状阴极极板设计”，电源杂志第185卷第1期2，页1154-1161,2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
23. 马宏奎，黄绍华，王建生，侯传国，余承昌，博。陈瑞，“一种新型压电式质子交换膜燃料电池的实验研究，”电源杂志第195卷第1期5, pp. 1393 - 1405, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
24. H.-K。妈,js。王,Y.-T。“一种新型的带喷嘴和扩散器的双极性压电质子交换膜燃料电池的研制”，电源杂志第196卷第1期8, pp. 3766-3772, 2011。视图:出版商的网站|谷歌学者

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