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1、第26卷第7期半导体学报Vol.26No.72005年7月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJuly,20053硅基微型直接甲醇燃料电池的研究王晓红谢克文姜英琪钟凌燕刘理天(清华大学微电子学研究所,北京100084)摘要:设计了一种基于MEMS技术的硅基微型直接甲醇燃料电池(DMFC),采用流体力学软件进行了DMFC三维阳极模型的模拟,利用MEMS加工技术和PDMS封装工艺实现了这种燃料电池,并在室温下对有效面积为8600μm×8600μm的电池样品进行了性能测试.测试得到该DMFC的开路输出电压为
2、015V,短路工作电流密度达到227811mA/cm,最大输出功率密度为3186mW/cm.主要参数已达到了一些电子器件的要求,具有一定的实用价值.关键词:硅基微型燃料电池;直接甲醇燃料电池;PDMS;MEMSEEACC:2575;0580;8410G中图分类号:TN304105文献标识码:A文章编号:025324177(2005)0721437205国、德国、日本、韩国等研究机构都有相应的成果发[1～8]1引言布.最近,美国UCLA大学与宾夕法尼亚州立[5]大学联合研制的微型DMFC的测试结果很好,常2微型能源系统在未来电
3、子科学技术中将起着至温下该电池的最大输出功率为14127mW/cm,其关重要的作用,一方面,未来的集成微系统芯片结果具有一定的实用价值.本文设计了一种微型三(systemonchip)将包含敏感、计算、执行、控制、通明治结构的DMFC,在对三维DMFC模拟的基础信等多种功能,这样的系统中微型能源无疑是重要上,优化了设计参数,利用MEMS加工技术和单元;另一方面,随着现代通信技术的高速发展,可PDMS(polydimethysiloxane,聚二甲基硅氧烷)封装移动电子产品(如手机、笔记本电脑、便携式摄像机、工艺在硅片上实现了
4、这种微型DMFC,并完成了常PDA等)对高能量密度电池的要求也愈来愈高,传温条件下电池的性能测试.统电池将不能满足现实需要.基于MEMS技术的微型直接甲醇燃料电池(directmethanolfuelcells,2硅基微型DMFC的设计DMFC)具有高的能量转换效率,燃料易储存,可在室温工作,结构简单等优点,已成为未来微系统和便2.1DMFC工作原理携式电子系统能源的下一个突破口.[6,7]DMFC是将燃料(甲醇溶液)和氧化物(氧气或DMFC单元的结构如图1所示,主要由双空气)通过化学反应释放的化学能连续直接地转换极板、电极
5、层和电解质三部分构成.当在阳极上连续成电能的装置.利用MEMS加工技术,可以在硅片通入甲醇燃料,而在阴极上连续通入纯氧或者空气上高集成度、可重复性地进行DMFC双极板的制时,就可以在电极上连续发生电化学反应,并产生持备,从而实现硅基微型DMFC.续的电流.电极层一般由扩散层和催化层组成,通常2000年以来,基于MEMS技术的微型燃料电采用重金属铂(Pt)作为电极催化层,在其表面进行池已成为研究热点,不仅出现了许多新型结构的燃电极反应;扩散层通常为疏松多孔的材料来增大反料电池,而且燃料电池的性能也有了很大的提高.美应界面.电池
6、中间的电解质(质子交换膜PEM)是固3国家自然科学基金资助项目(批准号:90207023)王晓红女,博士,副研究员,主要从事MEMS器件及集成系统的研究.谢克文男,1978年出生,硕士研究生,研究方向为MEMS器件的集成和工艺.2004209216收到,2004212201定稿Z2005中国电子学会1438半导体学报第26卷态的高分子聚合物薄膜,目前大多采用美国杜邦公2.3DMFC模拟司研制的Nafion系列产品,它的作用是,为阳极产+为了优化DMFC的结构,提高电池的性能,本生的H(即质子)提供从阳极到阴极的通道,并且研究
7、提出了一个三维DMFC阳极模型(详细的建模作为隔膜隔离两个电极的反应物.双极板一般都与过程将在其他论文中阐述),该三维模型同时描述了膜电极紧密接触,在其上有许多沟道,可以向电极传甲醇通过扩散层、催化层和PEM的纵向传输和甲送反应物,并且要求导电性能好,可以收集电流,传醇从进口向出口流动过程中的参数分布.使用计算送给相串联或并联的电池单元.流体力学软件对该模型进行求解,不仅求出了输出电压、平均输出电流密度、平均甲醇渗透量等参量的具体数值,而且可以得到工作电流密度、甲醇浓度、甲醇渗透量等重要参量在燃料电池内部的具体分布.该三维模
8、型对如图3所示的平行沟道和蛇形沟道两种流场结构进行了求解,两种沟道的DMFC模拟参数基本相同,输入甲醇的浓度均取1mol/L.以蛇形沟道为例,它由14条长8000μm、宽300μm、深400μm、间距300μm的平行沟道通过宽300μm的管道首尾相接连成的.扩散层和催化层的面积同样是860
