硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究

曹姗姗

摘 要：文章对于直接甲醇燃料电池（？滋DMFC）的双极板结构进行了设计并制作、测试。设计了两种电极板的结构：点型极板和蛇型极板流场结构，并且应用ANSYS进行了模拟。采用微机械加工技术在硅基上制作了不同的流场结构的微型直接甲醇燃料电池并且进行了测试。结果发现采用点型流场结构作为DMFC的阴阳两极极板比蛇型流场结构能够有效提高甲醇传输性能，表现出较好的电池性能。通过测试发现点型和蛇型各自的最高电流密度可达13mA/cm-2和3.9mA/cm-2，而功率密度点型的要比蛇型的高一个数量级。

關键词：硅；微机械加工；ANSYS；？滋DMFC

前言

一直以来，不同种类燃料和结构的各种类型的燃料电池持续得到关注，其中微型直接甲醇燃料电池表现出来比较突出的特性，比如能量转化效率高、环境友好、可在室温下工作、结构简单以及较高的电流密度和功率密度[1]。它既可作为固定电站为边远地区的居民、哨所供电以及城市重要场所的备用电源，又可以作为移动电源应用于电动汽车、摩托车和自行车，还可以用于许多对电池性能要求很高的场合，如移动电话、航天器、军用通讯、导航系统等[2]。

极板结构是影响？滋DMFC性能至关重要的内容，它不仅为电池结构提供支撑，提供氧气与甲醇反应的场所，而且还要收集反应生成的电子，同时也要求产生的H2O和CO2能很快离开电池，从而始终保持流场畅通，不存在死区，所以合理的极板结构对？滋DMFC性能的影响是非常关键的[3，4]。MEMS加工技术对于硅基材料的极板制备提供了良好的制作方法，完全可以实现对于不同结构的极板结构的制备[5，6]。

1 结构设计与仿真

阴阳极板的流场结构对于微型直接甲醇燃料电池的性能影响是很重要的。流场包括沟道和支撑部分，流场用于物质的输运与传输，提供电化学反应的燃料；支撑部分为反应的质子交换膜MEA提供支撑。流场的设计需要综合考虑沟道燃料传输的特性确保提供足够反应燃料和MEA膜的支撑部分宽度。基于以上因素，文章设计了点型和蛇型两种流场结构，如图1所示。采用ANSYS模拟了两种流场结构的速度和压力分布，由结论可知，蛇型流场结构的极板上速度分布比点型流场的更均匀，但是点型流场的流速比蛇型的慢。点型流场的进出口压力差比蛇型流场的要小，所以点型的燃料运动速度比蛇型的速度要慢一些，这样甲醇燃料可以在极板沟道实现更有效的反应。也就是说极板结构的仿真结果点型优于蛇型。

2 极板制备

（1）清洗。先去有机杂质：将准备好的硅片用甲苯、丙酮、乙醇棉球擦拭，以去掉硅片表面的蜡；再甲苯、丙酮、乙醇分别超声清洗5分钟。再去无机杂质：将去有机杂质后的硅片先用Ⅰ号液超声清洗5分钟；冲洗干净再用Ⅱ号液超声清洗5分钟。（2）氧化。氧化炉预热1180°C，清洗后的硅片放入其中，湿氧水浴温度为97°C，氧气流量为1L/min。干湿氧交替氧化，分别干20分钟，再湿5小时，最后干20分钟。最终氧化层厚度约为1？滋m。（3）制版。采用Protel2004绘制光刻版图，并制成胶膜，作为光刻的掩膜版。（4）光刻。光刻的工艺流程为：涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶。（5）腐蚀。40°C时，采用40%的KOH溶液作为各向异性腐蚀液为，使用磁力搅拌器搅拌，得到平均腐蚀速率为6？滋m/h。（6）打孔。室温，电压110V下钨丝作探针，40%KOH溶液为电解液。采用电化学方法在硅上打孔。（7）蒸金。为改善电池极板收集电流的作用，在硅片表面镀金。先在硅表面镀厚度约为500nm的Ti作为过渡层，然后镀厚度大约为1？滋m Au，也能减小极板与MEA之间的接触电阻。（8）合金化。温度360℃，时间10分钟对蒸镀后的硅片进行恒温热处理，确保蒸镀后的金属层与硅片极板间的粘附更牢靠，并在金属层与硅之间形成低阻的欧姆接触。（9）划片。按照预先设计好的尺寸硅片划片。

3 结果与讨论

对制备蛇型和点型流场结构的电池的测试，得到电流密度曲线，如图3（a）所示；和功率密度曲线，如图3（b）所示。由图3（a）可知在同一电压时，点型流场电池的电流密度比蛇型流场电池的电流密度要高很多，其最大值分别为13mA/cm-2和3.9mA/cm-2。在图3（b）的功率密度曲线中，点型流场电池的功率密度比蛇型流场电池功率密度峰值高近一个数量级。由此可见，点型流场结构的电池性能要明显优于蛇型流场结构。

出现以上结果主要因为点型流场支撑部分的面积比蛇型的支撑部分的面积小，沟道的面积就大，从而甲醇燃料与MEA催化层的接触面积就大，电化学反应的有效面积就大，甲醇利用率就高，所以电池性能得到有效提高；通过ANSYS模拟发现，尽管蛇型流场比点型的速度分布要均匀一些，但是由于蛇型流场进、出液孔的沟道压差大，速度流动相对就快，从而有部分甲醇燃料未来得及反应就排出了出液口，就会降低了甲醇燃料的利用率，从而降低了电池的性能；而且蛇型流场使阳极的反应产物CO2气泡不容易及时排出，就会积蓄在沟道内，使得甲醇燃料在沟道内无法顺畅流动，阻碍甲醇与催化层的有效接触，就降低了电池的性能。

4 结束语

文章设计了微型直接甲醇燃料电池的极板结构，采用ANSYS进行了模拟，并用MEMS技术在硅片上制备了极板结构。结果发现点型结构的极板电池性能要优于蛇型结构的电池，这与ANSYS仿真结果一致。

参考文献

[1]张鹏，张宇峰，张博，等. 微型直接甲醇燃料电池阴极集流板多孔结构设计[J].光学精密工程，2011（4）：820-827.

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

[3]邓慧超.被动式微型直接甲醇燃料电池阴极水管理的研究[D].哈尔滨工业大学，2015.