化石能源紧张以及环境严重恶化等问题促进了燃料电池技术的研究与推进,微电子机械系统技术的发展也为微型燃料电池的产生带来了机遇。作为燃料电池的关键部分,双极板在极板材料、流场结构、加工工艺等方面仍存在许多问题,限制了该技术的发展和应用。玻璃碳具有抗渗透、质量轻、导热性高、导电性强、抗腐蚀等优势,是制作微型燃料电池双极板的比较完美的候选材料,而皮秒激光加工是一种适用于所有材料微细加工的先进特种加工工艺,可用于双极板流场结构的微细加工。因此,本文提出以玻璃碳作为极板材料,以皮秒激光作为微流道的加工手段,采用流场仿真与加工试验相结合的研究方法,对流场结构和皮秒激光刻蚀玻璃碳微流道的过程进行了优化分析。本文的研究内容如下:1.研究了皮秒激光与非金属材料相互作用的基本机理。对激光光束的独特性质进行了分析;探讨了激光是如何利用这种特性实现与材料的相互作用的,同时重点阐述了激光与材料作用的典型物理过程;最后分析了皮秒激光烧蚀非金属材料的具体过程,并探讨了光致电离和雪崩电离对非金属材料吸收光能过程的影响。2.借助多物理场耦合软件,对μPEMFC的阴极工作过程进行了模拟分析。模型包括阴极流场通道、阴极气体扩散层阴极催化层三个部分,其中,阴极催化层假定为气体扩散层底部的边界条件,将其厚度设定为无限薄。传质过程的控制方程主要涉及质量守恒方程、动量守恒方程和电化学反应方程。在不同的流场结构(流道宽度、流道高度和流道间距)下,对模型进行运算处理之后,得到了μPEMFC的平均电流密度、输出电压以及功率密度、氧气浓度分布以及流道内部压强和速度等性能参数,分析得到优化后的流场结构参数,其结果可以为接下来的加工实验研究提供具体参数。3.根据优化后的阴极流场结构参数,进行了皮秒激光刻蚀玻璃碳微流道加工试验研究。主要探讨了激光功率、扫描速度、元素次数和离焦量对玻璃碳微流道加工尺寸(深度、宽度和锥度)和表面形貌的影响。其结果表明:激光功率和元素次数对微流道加工尺寸的综合影响最为显著,扫描速度和离焦量的影响相对较小;在一定范围内提高激光功率、元素次数、正离焦量或者降低扫描速度,能够有效改善微流道表面形貌质量,同时增大微流道的深宽比,并且提高侧壁的垂直度,然而激光功率太大或者元素次数太多都会致使流道质量的急剧恶化。本课题基于玻璃碳的微型燃料电池阴极流场设计及制备研究,最终目标在于为微型燃料电池双极板的制备工艺提供新的研究思路和实现途径,同时深入探究并丰富皮秒激光与玻璃碳材料之间的作用机理,具有一定的理论意义和实际应用价值。