硅基微型直接甲醇燃料電池結構的研究

曹姍姍

摘 要：文章對于直接甲醇燃料電池（？滋DMFC）的雙極板結構進行了設計并制作、測試。設計了兩種電極板的結構：點型極板和蛇型極板流場結構，并且應用ANSYS進行了模擬。采用微機械加工技術在硅基上制作了不同的流場結構的微型直接甲醇燃料電池并且進行了測試。結果發現采用點型流場結構作為DMFC的陰陽兩極極板比蛇型流場結構能夠有效提高甲醇傳輸性能，表現出較好的電池性能。通過測試發現點型和蛇型各自的最高電流密度可達13mA/cm-2和3.9mA/cm-2，而功率密度點型的要比蛇型的高一個數量級。

關鍵詞：硅；微機械加工；ANSYS；？滋DMFC

前言

一直以來，不同種類燃料和結構的各種類型的燃料電池持續得到關注，其中微型直接甲醇燃料電池表現出來比較突出的特性，比如能量轉化效率高、環境友好、可在室溫下工作、結構簡單以及較高的電流密度和功率密度[1]。它既可作為固定電站為邊遠地區的居民、哨所供電以及城市重要場所的備用電源，又可以作為移動電源應用于電動汽車、摩托車和自行車，還可以用于許多對電池性能要求很高的場合，如移動電話、航天器、軍用通訊、導航系統等[2]。

極板結構是影響？滋DMFC性能至關重要的內容，它不僅為電池結構提供支撐，提供氧氣與甲醇反應的場所，而且還要收集反應生成的電子，同時也要求產生的H2O和CO2能很快離開電池，從而始終保持流場暢通，不存在死區，所以合理的極板結構對？滋DMFC性能的影響是非常關鍵的[3，4]。MEMS加工技術對于硅基材料的極板制備提供了良好的制作方法，完全可以實現對于不同結構的極板結構的制備[5，6]。

1 結構設計與仿真

陰陽極板的流場結構對于微型直接甲醇燃料電池的性能影響是很重要的。流場包括溝道和支撐部分，流場用于物質的輸運與傳輸，提供電化學反應的燃料；支撐部分為反應的質子交換膜MEA提供支撐。流場的設計需要綜合考慮溝道燃料傳輸的特性確保提供足夠反應燃料和MEA膜的支撐部分寬度。基于以上因素，文章設計了點型和蛇型兩種流場結構，如圖1所示。采用ANSYS模擬了兩種流場結構的速度和壓力分布，由結論可知，蛇型流場結構的極板上速度分布比點型流場的更均勻，但是點型流場的流速比蛇型的慢。點型流場的進出口壓力差比蛇型流場的要小，所以點型的燃料運動速度比蛇型的速度要慢一些，這樣甲醇燃料可以在極板溝道實現更有效的反應。也就是說極板結構的仿真結果點型優于蛇型。

2 極板制備

（1）清洗。先去有機雜質：將準備好的硅片用甲苯、丙酮、乙醇棉球擦拭，以去掉硅片表面的蠟；再甲苯、丙酮、乙醇分別超聲清洗5分鐘。再去無機雜質：將去有機雜質后的硅片先用Ⅰ號液超聲清洗5分鐘；沖洗干凈再用Ⅱ號液超聲清洗5分鐘。（2）氧化。氧化爐預熱1180°C，清洗后的硅片放入其中，濕氧水浴溫度為97°C，氧氣流量為1L/min。干濕氧交替氧化，分別干20分鐘，再濕5小時，最后干20分鐘。最終氧化層厚度約為1？滋m。（3）制版。采用Protel2004繪制光刻版圖，并制成膠膜，作為光刻的掩膜版。（4）光刻。光刻的工藝流程為：涂膠，前烘，曝光，顯影，堅膜，腐蝕和去膠。（5）腐蝕。40°C時，采用40%的KOH溶液作為各向異性腐蝕液為，使用磁力攪拌器攪拌，得到平均腐蝕速率為6？滋m/h。（6）打孔。室溫，電壓110V下鎢絲作探針，40%KOH溶液為電解液。采用電化學方法在硅上打孔。（7）蒸金。為改善電池極板收集電流的作用，在硅片表面鍍金。先在硅表面鍍厚度約為500nm的Ti作為過渡層，然后鍍厚度大約為1？滋m Au，也能減小極板與MEA之間的接觸電阻。（8）合金化。溫度360℃，時間10分鐘對蒸鍍后的硅片進行恒溫熱處理，確保蒸鍍后的金屬層與硅片極板間的粘附更牢靠，并在金屬層與硅之間形成低阻的歐姆接觸。（9）劃片。按照預先設計好的尺寸硅片劃片。

3 結果與討論

對制備蛇型和點型流場結構的電池的測試，得到電流密度曲線，如圖3（a）所示；和功率密度曲線，如圖3（b）所示。由圖3（a）可知在同一電壓時，點型流場電池的電流密度比蛇型流場電池的電流密度要高很多，其最大值分別為13mA/cm-2和3.9mA/cm-2。在圖3（b）的功率密度曲線中，點型流場電池的功率密度比蛇型流場電池功率密度峰值高近一個數量級。由此可見，點型流場結構的電池性能要明顯優于蛇型流場結構。

出現以上結果主要因為點型流場支撐部分的面積比蛇型的支撐部分的面積小，溝道的面積就大，從而甲醇燃料與MEA催化層的接觸面積就大，電化學反應的有效面積就大，甲醇利用率就高，所以電池性能得到有效提高；通過ANSYS模擬發現，盡管蛇型流場比點型的速度分布要均勻一些，但是由于蛇型流場進、出液孔的溝道壓差大，速度流動相對就快，從而有部分甲醇燃料未來得及反應就排出了出液口，就會降低了甲醇燃料的利用率，從而降低了電池的性能；而且蛇型流場使陽極的反應產物CO2氣泡不容易及時排出，就會積蓄在溝道內，使得甲醇燃料在溝道內無法順暢流動，阻礙甲醇與催化層的有效接觸，就降低了電池的性能。

4 結束語

文章設計了微型直接甲醇燃料電池的極板結構，采用ANSYS進行了模擬，并用MEMS技術在硅片上制備了極板結構。結果發現點型結構的極板電池性能要優于蛇型結構的電池，這與ANSYS仿真結果一致。

參考文獻

[1]張鵬，張宇峰，張博，等. 微型直接甲醇燃料電池陰極集流板多孔結構設計[J].光學精密工程，2011（4）：820-827.

[2]Wei Yuan，Yong Tang，Xiaojun Yang.Renewable Energy Vol，2013.

[3]鄧慧超.被動式微型直接甲醇燃料電池陰極水管理的研究[D].哈爾濱工業大學，2015.