微型直接甲醇燃料電池

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1、MEMS在微型直接甲醇燃料電池中的應(yīng)用報(bào)告人：劉士華專業(yè)班級：物理電子學(xué)2012級指導(dǎo)老師：索春光μDMFC的原理及結(jié)構(gòu)MEMS技術(shù)在μDMFC中的應(yīng)用相關(guān)背景介紹相關(guān)背景介紹1、燃料電池簡介燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它通過燃料的氧化還原反應(yīng)直接產(chǎn)生電流來驅(qū)動(dòng)外部電路，具有能量轉(zhuǎn)化效率高，可靠性高，噪音低，綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)。目前燃料電池已經(jīng)被應(yīng)用在了航天領(lǐng)域、潛艇方面，燃料電池汽車、電站及便攜式電源（像手機(jī)、筆記本電腦等日用電子產(chǎn)品用的電池）還處在研究示范階段。圖2燃料電池汽車圖3DMFC電子器件充電器(A)和DMFC移動(dòng)燃料電池系統(tǒng)圖1航天用的燃料電池模塊微電

2、子機(jī)械系統(tǒng)(microelectromechanicalsystems，MEMS)在信息、通信、航空航天、生物、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí),MEMS也代表一種全新的工藝技術(shù),具有傳統(tǒng)工藝所不具備的特性,如,更高的靈敏度、更高的分辨率和穩(wěn)定性等。機(jī)電系統(tǒng)微型化后,電源裝置將決定整個(gè)系統(tǒng)的尺寸。鑒于此,基于MEMS技術(shù)的微能源(PowerMEMS)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。盡管微型燃料電池具有廣闊的應(yīng)用前景與巨大的市場需求,但是傳統(tǒng)的加工手段無法滿足人們對其便攜式以及大批量生產(chǎn)的要求,限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。將MEMS技術(shù)用于微型燃料電池的研究主要具有以下優(yōu)勢:(1)可以將常規(guī)的微型燃料

3、電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,有效減少電池體積;(2)可以制作出微型燃料電池極板復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu),控制燃料和空氣(氧氣)的流動(dòng),提高電池的性能;(3)更容易實(shí)現(xiàn)微型燃料電池的批量生產(chǎn),并降低成本；(4)可以將微型燃料電池和功能器件集成到一個(gè)芯片上,節(jié)省系統(tǒng)體積。2、MEMS微型燃料電池的研究進(jìn)展因此,以現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ),將先進(jìn)的MEMS技術(shù)應(yīng)用于高質(zhì)量、高性能的MEMS微型燃料電池的研制,必將成為微型燃料電池研究與發(fā)展的主要方向。MEMS微型燃料電池主要包括MEMS微型氫氧燃料電池(μPEMFC)、MEMS微型直接甲醇燃料電池(μDMFC)、MEMS微型直接甲酸燃料電池(μDFAFC)和MEM

4、S微型固體氧化物燃料電池(μSOFC)。μPEMFC能量密度高且啟動(dòng)速度快,但燃料不宜儲存和攜帶是限制其發(fā)展的關(guān)鍵問題；甲醇來源豐富且便于攜帶和簡易的操作條件是μDMFC的最大優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是甲醇滲透問題；與前兩者相比,μDFAFC則不存在燃料滲透問題,但它的理論能量密度最低,發(fā)展空間較小。μSOFC具有最高的能量密度,但其操作溫度太高,只適合特殊環(huán)境使用。綜上所述,μPEMFC和μDMFC更適用于未來的微型武器系統(tǒng)和便攜式產(chǎn)品,也是MEMS微型燃料電池領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前國際上關(guān)于μPEMFC和μDMFC的研究方向主要集中在關(guān)鍵組件極板和膜電極兩個(gè)方面。3、微型直接甲醇燃料電池的應(yīng)用前

5、景隨著電子與信息技術(shù)飛速發(fā)展，各種微小型便攜式電子產(chǎn)品如智能手機(jī)、MP3、筆記本電腦、數(shù)碼影像設(shè)備等不斷更新新?lián)Q代，功能日趨多樣化，功耗不斷增加，然而目前常用的鋰離子電池能量密度已接近理論極限，已經(jīng)無法滿足人們對便攜式電源的進(jìn)一步需要。微型直接甲醇直接燃料電池（MicroDirectMethanolFuelCell，μDMFC）具有能量密度高，環(huán)境友好，室溫啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶以及燃料來源豐富、價(jià)格便宜、攜帶補(bǔ)充便捷等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)、微機(jī)器人、微電子設(shè)備、微型醫(yī)療器械、個(gè)人移動(dòng)通訊設(shè)備等，是一種具有廣闊市場應(yīng)用前景的高新技術(shù)。目前μDMFC研究工作正處于從基礎(chǔ)研究向

6、產(chǎn)業(yè)化過渡的階段，一些高科技公司已經(jīng)推出了代表當(dāng)今世界最高技術(shù)水平的μDMFC樣機(jī)或產(chǎn)品。最具有代表性的公司是MTI、索尼和東芝三家公司的產(chǎn)品。aMTI樣機(jī)b索尼樣機(jī)c東芝樣機(jī)圖7μDMFC樣機(jī)株式會社エムティーアイ，英文名簡稱同樣為MTI，在日本有移動(dòng)夢工廠的美譽(yù)。4.μDMFC的發(fā)展現(xiàn)狀陽極發(fā)生甲醇氧化反應(yīng)：陰極氧氣被還原成水：總反應(yīng)：1.原理直接甲醇燃料電池——簡稱DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇為燃料，通過與氧結(jié)合產(chǎn)生電流的，優(yōu)點(diǎn)是直接使用甲醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲。原理如下圖所示，電極反應(yīng)方程式如下：μDMFC的原理及結(jié)構(gòu)圖8μDMFC的

7、原理結(jié)構(gòu)圖2.結(jié)構(gòu)μDMFC主要由陽極集流板、陰極集流板和膜電極(MembraneElectrodeAssembly，MEA)構(gòu)成，其中膜電極包括擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜。圖9μ結(jié)構(gòu)示意圖點(diǎn)型流場由多個(gè)“島”組成，利于生成物從體內(nèi)排出；但是在“島”邊界容易形成流場“死區(qū)”，嚴(yán)重影響電池性能．螺旋蛇型流場入口到出口相對距離較長，且具有多次方向的變化，雖然反應(yīng)物在催化電極表面分配均勻，但是容易造成生成物CO2氣體在體內(nèi)聚集而難以排出．柵型流場兼顧了前兩者結(jié)構(gòu)