微型燃料电池测量技术研究*

钟振忠

（浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院，浙江温州325003）

微型燃料电池测量技术研究*

钟振忠

（浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院，浙江温州325003）

以微机电制程制作微型燃料电池为研究基础，讨论了集电板开孔率、燃料对流方式、以及电池组装时锁紧力对性能之影响。实验结果表明，相同开孔率集电板，电池性能随集电板开孔数增加而提升；强制对流方式的单电池比较适合高电流密度输出使用，而自然对流式电池较适合低电流长时间输出使用；电池组装之锁紧力必须在不使流道结构变型的情况下增加才能有效提升其性能；由于PDMS基材有比较少的积水现象，因此PDMS基材单电池比硅基材更适合用在自然对流式微型燃料电池上。

微机电；燃料电池；开孔率；锁紧力

0 前言

燃料电池的低污染特性，是目前极具潜力的能源之一。微小化的质子交换膜燃料电池更能应用在3C产品及可携式电源供应上，因此将燃料电池微小化已成为不可或缺的技术。王阳华等人[1]为了改善微型质子交换膜燃料电池冷却系统的综合性能，研究了燃料电池冷却通道几何形状的优化设计问题。曾毅波等人在研究[2]堆栈式微型直接甲醇燃料电池(μ-DMFC)中，为了避免硅基流场板因为封装压力过大而破裂，采用了硅和PDMS（聚二甲基硅氧烷）材料分别制作阳极和阴极流场板。实验结果表明，活化后的PDMS阴极流场板与Cr/Au的粘附性能和粘接强度显著提高，同时阳极流场板的流道一半开设为凸台，一半开设为通孔时，其堆栈式μ-DMFC的输出性能最优。采用硅和PDMS材料分别制作流场板，不仅简化了堆栈式μ-DMFC的结构，而且能够缓冲锁紧力，有效保护硅基阳极流场板。同时优化阳极流场板上的流道结构，能够有效提升堆栈式μ-DMFC的输出性能。朴明月[3]利用微生物做催化剂，以空气做阴极的单室微生物燃料电池，研究结果表明，有扩散层时获得的功率密度更高。许桢英等人[4]介绍了微型燃料电池双极板的成形工艺，包括基于微冲压等常规的塑性变形手段，基于MEMS的微加工技术和非传统加工工艺，展望了未来微型燃料电池双极板成形工艺的发展趋势。影响燃料电池性能的因素了解有流场板材料选择、流场几何设计、膜电极组制作技术与电池封装技术，因此针对燃料电池进行单体设计、加工与组装，对单电池进行性能测试，接着改变燃料电池负载，了解电池操作温度、进气湿度、电池背压及电池体特性对燃料电池性能的影响，进而作为设计燃料电池重要参考数据。

1 研究方法

1.1 流场板制作方法

流场板制作方面如图1所示，首先采用6寸厚度为750um之单面抛光硅晶圆为基材，经过RCA标准清洁程序后，镀上一层铝做为保护硅的阻挡层，再利用旋转涂布机旋涂一层厚约7um之光阻剂，然后进行软烤。软烤后之光阻利用曝光机，将事先设计好之光罩如图2所示，在曝光机上校正对准后进行曝光，曝光后之光阻再进行显影以得所需之图形。接着利用铝蚀刻液和ICP，依序把未被光阻覆盖区域的铝、硅蚀刻出所需之第一个图形。由于本制作方法须使用两道光罩之曝光手续得到两种不同深度之图形，因此再重复一次以上制程：镀铝、旋涂光阻、微影、蚀刻，最后我们所需之流场板模具即制作出如图3所示。

接着开始PDMS的翻模制程。将PDMS溶液倒在硅流场版的模具上放入真空烘箱，在真空环境下加热至70℃烘烤2小时后取出，固化之PDMS即成型在硅模具上。此流场版如图4所示，每片尺寸约为2.5cm×2.5cm，流场面积约为2cm×2cm。

1.2 电池的组装与测试

在电池组装及测试方面，首先将一质子交换膜分别在阴极与阳极分别以一集电板及流道板夹住，两端外侧再以压克力端板夹住并锁上螺丝，完成单电池组装。实验进行时，因考虑未来实用之可行性，因此阴极采用呼吸式供给空气、条件为25℃和50%相对湿度，阳极为氢气流量固定在30sccm。因PDMS材质为软性弹性体，在此实验将进行在不同组装锁紧力下的性能测试。

图1 硅流场板模具微制程示意图

图2 两道不同光罩示意图

图3 硅晶圆干蚀刻之模具图

图4 微型PDMS PEMFC之原件图示

2 结果与讨论

由图5及图6之结果可看出，在不同之组装锁紧力下从0.5～2.0 kg.cm，随着锁紧力增加其性能也会有所提升，但若提升至一定的扭力之后其性能增加之幅度则渐于趋缓，表示过大的锁紧力反而会压缩到流道之结构造成流道截面积缩小，导致氢气无法顺利传输产生电化学而性能有所下降。

图5 不同锁紧力下之I-V曲线

图6 不同锁紧力下之I-P曲线

在燃料电池应用上，因单电池电压较低的缘故，无法直接使用于一般3C电器产品上，因此实验设计制作了串联四颗电池的微型平板式PDMS燃料电池堆，藉此使开路电压提升至3.8伏特，而操作电压则为2～3伏特(单电池操作电压为0.5～0.75V)且最大功率可达2瓦特。

为了要更加了解设计制作之平板型燃料电池之特性，故增加了温度分布的探讨，实验设备如图7所示。结果如图8所显示，一开始时电流为0 mA此时还未产生电化学反应，接着电流来到600 mA可以看出四颗电池温度之分布较低且很均匀，最后电流来到1120 mA此时因电流过大导致反应气体未能及时补充造成之浓度极化现象。

图7 红外线热显像分析设备之示意图

图8 不同放电电流之温度分布图

最后再以长时间之稳定性测试，测试条件为定电压放电，分别定于2.0V，2.4V，2.8V等如图9所示，测试时间为每个电位固定电压放电14小时以上，来监测所设计之微型燃料电池是否可以稳定输出而不会有内部积水及性能下降之情况产生，结果显示此微型燃料电池确实能够以长时间稳定的输出性能。

3 结论

PDMS有重量轻、气密性佳、易于观测流场的优点，且易于大量翻制降低其成本。而由实验结果可知PDMS制作的流场板也有良好的性能表现，因此利用微制程技术将PDMS应用于PEMFC上确实为可行的方法。

图9 长时间稳定性测试

参考文献：

[1]王阳华,刘宗辉,杨慧君.基于传热反问题的微型燃料电池冷却通道优化[J].计算机仿真,2013,30(1):169-172.

[2]曾毅波,陈观生,赵祖光,等.采用硅和PDMS的堆栈式微型直接甲醇燃料电池的设计和制作[J].传感技术学报,2013,26(2): 143-149.

[3]朴明月,滕洪辉,石淑云,等.空气阴极微生物燃料电池研究进展[J].辽宁化工,2014,(10):1224-1229.

[4]许桢英,张园园,王匀,等.微型燃料电池双极板成形工艺的研究进展[J].电源技术,2015,(4):861-863.

（责任编辑：张海南）

Investigation on Micro Fuel Cell Measurement Technology

ZHONG Zhen-zhong
（Automotive and Mechanical Engineering College of Zhengjiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou,325003,China）

This study fabricated micro fuel cell by using the MEMS technology.A series of performance experiments on a single fuel cell was carried out.The experimental parameters included current collector shape,convection type and clamping force,respectively.The experimental results show that both the performances of the air-breathing and forced convection cells increase with an increase of the circle numbers from one to twenty-five on the current collector under the same current collector open ratio.The forced convection cell is a better choice for long-time high current-density output whereas the air-breathing cell is more suitable for lower current density output.An appropriate clamping torque should be considered carefully to enhance the performance but without narrowing down the fuel flow channels.The PDMS-based PEMFC has a better performance than that of the silicon-based one under both forced oxygen supply and the air-breathing ways;PDMS is a better material than silicon for micro air-breathing fuel cell because of its less water flooding effects.

MEMS;fuel cell;open ratio;clamping force

TM 911.48

A

1672-0105(2016)04-0050-04

10.3969/j.issn.1672-0105.2016.04.012

2016-10-20

2014年浙江省教育厅科研项目“利用沼气纯化发电系统之建立”（Y201432143）

钟振忠，博士，浙江工贸职业技术学院讲师，主要研究方向：机械工程、热流工程、氢能、生质能。