硅基微型直接甲醇燃料電池的研究

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1、第26卷第7期半導(dǎo)體學(xué)報(bào)Vol.26No.72005年7月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJuly,20053硅基微型直接甲醇燃料電池的研究王曉紅謝克文姜英琪鐘凌燕劉理天(清華大學(xué)微電子學(xué)研究所,北京100084)摘要:設(shè)計(jì)了一種基于MEMS技術(shù)的硅基微型直接甲醇燃料電池(DMFC),采用流體力學(xué)軟件進(jìn)行了DMFC三維陽極模型的模擬,利用MEMS加工技術(shù)和PDMS封裝工藝實(shí)現(xiàn)了這種燃料電池,并在室溫下對有效面積為8600μm×8600μm的電池樣品進(jìn)行了性能測試.測試得到該DMFC的開路輸出電壓為

2、015V,短路工作電流密度達(dá)到227811mA/cm,最大輸出功率密度為3186mW/cm.主要參數(shù)已達(dá)到了一些電子器件的要求,具有一定的實(shí)用價(jià)值.關(guān)鍵詞:硅基微型燃料電池;直接甲醇燃料電池;PDMS;MEMSEEACC:2575;0580;8410G中圖分類號:TN304105文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:025324177(2005)0721437205國、德國、日本、韓國等研究機(jī)構(gòu)都有相應(yīng)的成果發(fā)[1～8]1引言布.最近,美國UCLA大學(xué)與賓夕法尼亞州立[5]大學(xué)聯(lián)合研制的微型DMFC的測試結(jié)果很好,常2微型能源系統(tǒng)在未來電

3、子科學(xué)技術(shù)中將起著至溫下該電池的最大輸出功率為14127mW/cm,其關(guān)重要的作用,一方面,未來的集成微系統(tǒng)芯片結(jié)果具有一定的實(shí)用價(jià)值.本文設(shè)計(jì)了一種微型三(systemonchip)將包含敏感、計(jì)算、執(zhí)行、控制、通明治結(jié)構(gòu)的DMFC,在對三維DMFC模擬的基礎(chǔ)信等多種功能,這樣的系統(tǒng)中微型能源無疑是重要上,優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù),利用MEMS加工技術(shù)和單元;另一方面,隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的高速發(fā)展,可PDMS(polydimethysiloxane,聚二甲基硅氧烷)封裝移動(dòng)電子產(chǎn)品(如手機(jī)、筆記本電腦、便攜式攝像機(jī)、工藝在硅片上實(shí)現(xiàn)了

4、這種微型DMFC,并完成了常PDA等)對高能量密度電池的要求也愈來愈高,傳溫條件下電池的性能測試.統(tǒng)電池將不能滿足現(xiàn)實(shí)需要.基于MEMS技術(shù)的微型直接甲醇燃料電池(directmethanolfuelcells,2硅基微型DMFC的設(shè)計(jì)DMFC)具有高的能量轉(zhuǎn)換效率,燃料易儲(chǔ)存,可在室溫工作,結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),已成為未來微系統(tǒng)和便2.1DMFC工作原理攜式電子系統(tǒng)能源的下一個(gè)突破口.[6,7]DMFC是將燃料(甲醇溶液)和氧化物(氧氣或DMFC單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由雙空氣)通過化學(xué)反應(yīng)釋放的化學(xué)能連續(xù)直接地轉(zhuǎn)換極板、電極

5、層和電解質(zhì)三部分構(gòu)成.當(dāng)在陽極上連續(xù)成電能的裝置.利用MEMS加工技術(shù),可以在硅片通入甲醇燃料,而在陰極上連續(xù)通入純氧或者空氣上高集成度、可重復(fù)性地進(jìn)行DMFC雙極板的制時(shí),就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),并產(chǎn)生持備,從而實(shí)現(xiàn)硅基微型DMFC.續(xù)的電流.電極層一般由擴(kuò)散層和催化層組成,通常2000年以來,基于MEMS技術(shù)的微型燃料電采用重金屬鉑(Pt)作為電極催化層,在其表面進(jìn)行池已成為研究熱點(diǎn),不僅出現(xiàn)了許多新型結(jié)構(gòu)的燃電極反應(yīng);擴(kuò)散層通常為疏松多孔的材料來增大反料電池,而且燃料電池的性能也有了很大的提高.美應(yīng)界面.電池

6、中間的電解質(zhì)(質(zhì)子交換膜PEM)是固3國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:90207023)王曉紅女,博士,副研究員,主要從事MEMS器件及集成系統(tǒng)的研究.謝克文男,1978年出生,碩士研究生,研究方向?yàn)镸EMS器件的集成和工藝.2004209216收到,2004212201定稿Z2005中國電子學(xué)會(huì)1438半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第26卷態(tài)的高分子聚合物薄膜,目前大多采用美國杜邦公2.3DMFC模擬司研制的Nafion系列產(chǎn)品,它的作用是,為陽極產(chǎn)+為了優(yōu)化DMFC的結(jié)構(gòu),提高電池的性能,本生的H(即質(zhì)子)提供從陽極到陰極的通道,并且研究

7、提出了一個(gè)三維DMFC陽極模型(詳細(xì)的建模作為隔膜隔離兩個(gè)電極的反應(yīng)物.雙極板一般都與過程將在其他論文中闡述),該三維模型同時(shí)描述了膜電極緊密接觸,在其上有許多溝道,可以向電極傳甲醇通過擴(kuò)散層、催化層和PEM的縱向傳輸和甲送反應(yīng)物,并且要求導(dǎo)電性能好,可以收集電流,傳醇從進(jìn)口向出口流動(dòng)過程中的參數(shù)分布.使用計(jì)算送給相串聯(lián)或并聯(lián)的電池單元.流體力學(xué)軟件對該模型進(jìn)行求解,不僅求出了輸出電壓、平均輸出電流密度、平均甲醇滲透量等參量的具體數(shù)值,而且可以得到工作電流密度、甲醇濃度、甲醇滲透量等重要參量在燃料電池內(nèi)部的具體分布.該三維模

8、型對如圖3所示的平行溝道和蛇形溝道兩種流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了求解,兩種溝道的DMFC模擬參數(shù)基本相同,輸入甲醇的濃度均取1mol/L.以蛇形溝道為例,它由14條長8000μm、寬300μm、深400μm、間距300μm的平行溝道通過寬300μm的管道首尾相接連成的.擴(kuò)散層和催化層的面積同樣是860