硅基微型直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)的研究

曹姍姍

摘 要：文章對(duì)于直接甲醇燃料電池（？滋DMFC）的雙極板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并制作、測(cè)試。設(shè)計(jì)了兩種電極板的結(jié)構(gòu)：點(diǎn)型極板和蛇型極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)用ANSYS進(jìn)行了模擬。采用微機(jī)械加工技術(shù)在硅基上制作了不同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的微型直接甲醇燃料電池并且進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用點(diǎn)型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)作為DMFC的陰陽兩極極板比蛇型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)能夠有效提高甲醇傳輸性能，表現(xiàn)出較好的電池性能。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)點(diǎn)型和蛇型各自的最高電流密度可達(dá)13mA/cm-2和3.9mA/cm-2，而功率密度點(diǎn)型的要比蛇型的高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

關(guān)鍵詞：硅；微機(jī)械加工；ANSYS；？滋DMFC

前言

一直以來，不同種類燃料和結(jié)構(gòu)的各種類型的燃料電池持續(xù)得到關(guān)注，其中微型直接甲醇燃料電池表現(xiàn)出來比較突出的特性，比如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、可在室溫下工作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yuǎn)地區(qū)的居民、哨所供電以及城市重要場(chǎng)所的備用電源，又可以作為移動(dòng)電源應(yīng)用于電動(dòng)汽車、摩托車和自行車，還可以用于許多對(duì)電池性能要求很高的場(chǎng)合，如移動(dòng)電話、航天器、軍用通訊、導(dǎo)航系統(tǒng)等[2]。

極板結(jié)構(gòu)是影響？滋DMFC性能至關(guān)重要的內(nèi)容，它不僅為電池結(jié)構(gòu)提供支撐，提供氧氣與甲醇反應(yīng)的場(chǎng)所，而且還要收集反應(yīng)生成的電子，同時(shí)也要求產(chǎn)生的H2O和CO2能很快離開電池，從而始終保持流場(chǎng)暢通，不存在死區(qū)，所以合理的極板結(jié)構(gòu)對(duì)？滋DMFC性能的影響是非常關(guān)鍵的[3，4]。MEMS加工技術(shù)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的極板結(jié)構(gòu)的制備[5，6]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

陰陽極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)于微型直接甲醇燃料電池的性能影響是很重要的。流場(chǎng)包括溝道和支撐部分，流場(chǎng)用于物質(zhì)的輸運(yùn)與傳輸，提供電化學(xué)反應(yīng)的燃料；支撐部分為反應(yīng)的質(zhì)子交換膜MEA提供支撐。流場(chǎng)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮溝道燃料傳輸?shù)奶匦源_保提供足夠反應(yīng)燃料和MEA膜的支撐部分寬度?；谝陨弦蛩兀恼略O(shè)計(jì)了點(diǎn)型和蛇型兩種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用ANSYS模擬了兩種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的速度和壓力分布，由結(jié)論可知，蛇型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的極板上速度分布比點(diǎn)型流場(chǎng)的更均勻，但是點(diǎn)型流場(chǎng)的流速比蛇型的慢。點(diǎn)型流場(chǎng)的進(jìn)出口壓力差比蛇型流場(chǎng)的要小，所以點(diǎn)型的燃料運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)更有效的反應(yīng)。也就是說極板結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果點(diǎn)型優(yōu)于蛇型。

2 極板制備

（1）清洗。先去有機(jī)雜質(zhì)：將準(zhǔn)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(jī)雜質(zhì)：將去有機(jī)雜質(zhì)后的硅片先用Ⅰ號(hào)液超聲清洗5分鐘；沖洗干凈再用Ⅱ號(hào)液超聲清洗5分鐘。（2）氧化。氧化爐預(yù)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(shí)，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(jiān)膜，腐蝕和去膠。（5）腐蝕。40°C時(shí)，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(xué)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(shí)間10分鐘對(duì)蒸鍍后的硅片進(jìn)行恒溫?zé)崽幚?，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(yù)先設(shè)計(jì)好的尺寸硅片劃片。

3 結(jié)果與討論

對(duì)制備蛇型和點(diǎn)型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的電池的測(cè)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(shí)，點(diǎn)型流場(chǎng)電池的電流密度比蛇型流場(chǎng)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(diǎn)型流場(chǎng)電池的功率密度比蛇型流場(chǎng)電池功率密度峰值高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見，點(diǎn)型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的電池性能要明顯優(yōu)于蛇型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

出現(xiàn)以上結(jié)果主要因?yàn)辄c(diǎn)型流場(chǎng)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(xué)反應(yīng)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(fā)現(xiàn)，盡管蛇型流場(chǎng)比點(diǎn)型的速度分布要均勻一些，但是由于蛇型流場(chǎng)進(jìn)、出液孔的溝道壓差大，速度流動(dòng)相對(duì)就快，從而有部分甲醇燃料未來得及反應(yīng)就排出了出液口，就會(huì)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(chǎng)使陽極的反應(yīng)產(chǎn)物CO2氣泡不容易及時(shí)排出，就會(huì)積蓄在溝道內(nèi)，使得甲醇燃料在溝道內(nèi)無法順暢流動(dòng)，阻礙甲醇與催化層的有效接觸，就降低了電池的性能。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)了微型直接甲醇燃料電池的極板結(jié)構(gòu)，采用ANSYS進(jìn)行了模擬，并用MEMS技術(shù)在硅片上制備了極板結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)點(diǎn)型結(jié)構(gòu)的極板電池性能要優(yōu)于蛇型結(jié)構(gòu)的電池，這與ANSYS仿真結(jié)果一致。

參考文獻(xiàn)

[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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)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(dòng)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(yè)大學(xué)，2015.