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1、MEMS在微型直接甲醇燃料电池中的应用报告人：刘士华专业班级：物理电子学2012级指导老师：索春光μDMFC的原理及结构MEMS技术在μDMFC中的应用相关背景介绍相关背景介绍1、燃料电池简介燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。它通过燃料的氧化还原反应直接产生电流来驱动外部电路，具有能量转化效率高，可靠性高，噪音低，绿色无污染等优点。目前燃料电池已经被应用在了航天领域、潜艇方面，燃料电池汽车、电站及便携式电源（像手机、笔记本电脑等日用电子产品用的电池）还处在研究示范阶段。图2燃料电池汽车图3DMFC电子器件充电器(A)和DMFC移动燃料电池系统图1航天用的燃料电池模块微电
2、子机械系统(microelectromechanicalsystems，MEMS)在信息、通信、航空航天、生物、医疗、环保等领域都有广泛的应用前景。同时,MEMS也代表一种全新的工艺技术,具有传统工艺所不具备的特性,如,更高的灵敏度、更高的分辨率和稳定性等。机电系统微型化后,电源装置将决定整个系统的尺寸。鉴于此,基于MEMS技术的微能源(PowerMEMS)技术应运而生。尽管微型燃料电池具有广阔的应用前景与巨大的市场需求,但是传统的加工手段无法满足人们对其便携式以及大批量生产的要求,限制了其进一步的发展。将MEMS技术用于微型燃料电池的研究主要具有以下优势:(1)可以将常规的微型燃料
3、电池结构进行简化,有效减少电池体积;(2)可以制作出微型燃料电池极板复杂的流场结构,控制燃料和空气(氧气)的流动,提高电池的性能;(3)更容易实现微型燃料电池的批量生产,并降低成本；(4)可以将微型燃料电池和功能器件集成到一个芯片上,节省系统体积。2、MEMS微型燃料电池的研究进展因此,以现有的研究成果为基础,将先进的MEMS技术应用于高质量、高性能的MEMS微型燃料电池的研制,必将成为微型燃料电池研究与发展的主要方向。MEMS微型燃料电池主要包括MEMS微型氢氧燃料电池(μPEMFC)、MEMS微型直接甲醇燃料电池(μDMFC)、MEMS微型直接甲酸燃料电池(μDFAFC)和MEM
4、S微型固体氧化物燃料电池(μSOFC)。μPEMFC能量密度高且启动速度快,但燃料不宜储存和携带是限制其发展的关键问题；甲醇来源丰富且便于携带和简易的操作条件是μDMFC的最大优点，缺点是甲醇渗透问题；与前两者相比,μDFAFC则不存在燃料渗透问题,但它的理论能量密度最低,发展空间较小。μSOFC具有最高的能量密度,但其操作温度太高,只适合特殊环境使用。综上所述,μPEMFC和μDMFC更适用于未来的微型武器系统和便携式产品,也是MEMS微型燃料电池领域研究的热点。目前国际上关于μPEMFC和μDMFC的研究方向主要集中在关键组件极板和膜电极两个方面。3、微型直接甲醇燃料电池的应用前
5、景随着电子与信息技术飞速发展，各种微小型便携式电子产品如智能手机、MP3、笔记本电脑、数码影像设备等不断更新新换代，功能日趋多样化，功耗不断增加，然而目前常用的锂离子电池能量密度已接近理论极限，已经无法满足人们对便携式电源的进一步需要。微型直接甲醇直接燃料电池（MicroDirectMethanolFuelCell，μDMFC）具有能量密度高，环境友好，室温启动，结构简单，便于携带以及燃料来源丰富、价格便宜、携带补充便捷等优点，可广泛应用于微机电系统、微机器人、微电子设备、微型医疗器械、个人移动通讯设备等，是一种具有广阔市场应用前景的高新技术。目前μDMFC研究工作正处于从基础研究向
6、产业化过渡的阶段，一些高科技公司已经推出了代表当今世界最高技术水平的μDMFC样机或产品。最具有代表性的公司是MTI、索尼和东芝三家公司的产品。aMTI样机b索尼样机c东芝样机图7μDMFC样机株式会社エムティーアイ，英文名简称同样为MTI，在日本有移动梦工厂的美誉。4.μDMFC的发展现状阳极发生甲醇氧化反应：阴极氧气被还原成水：总反应：1.原理直接甲醇燃料电池——简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。原理如下图所示，电极反应方程式如下：μDMFC的原理及结构图8μDMFC的
7、原理结构图2.结构μDMFC主要由阳极集流板、阴极集流板和膜电极(MembraneElectrodeAssembly，MEA)构成，其中膜电极包括扩散层、催化层和质子交换膜。图9μ结构示意图点型流场由多个“岛”组成，利于生成物从体内排出；但是在“岛”边界容易形成流场“死区”，严重影响电池性能．螺旋蛇型流场入口到出口相对距离较长，且具有多次方向的变化，虽然反应物在催化电极表面分配均匀，但是容易造成生成物CO2气体在体内聚集而难以排出．栅型流场兼顾了前两者结构
