MEMS在微型燃料电池中的应用.ppt

MEMS在微型直接甲醇燃料电池中的应用 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。 2、 微型直接甲醇燃料电池的应用前景 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（Micro Direct Methanol Fuel Cell，uDMFC）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。 3.uDMFC的发展现状 目前uDMFC研究工作正处于从基础研究向产业化过渡的阶段，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uDMFC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。 从表中可以看出虽然uDMFC的燃料能量密度非常高，达到780一1800Wh/L远远超过商用锂离子电池，但是 uDMFC的系统能量密度相对较低，在系统体积能量密度、体积功率密度和尺寸上还无法与技术成熟的锂离子电池相比。 尽管现在uDMFC还难以同铿离子电池在市场上竞争，但是uDMFC有其具不可替代的优势：燃料能量密度高，燃料补充便捷。从趋势上看uDMFC的功率密度和能量密度正在逐年提高，体积和重量正在持续地减小，将取代锂离子电池成为下一代便携式电源。 uDMFC的原理及结构 阳极发生甲醇氧化反应： 阴极氧气被还原成水： 总反应： 2.结构 uDMFC主要由阳极集流板板、阴极集流板和膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)构成，其中膜电极包括扩散层、催化层和质子交换膜。 （1） 质子交换膜 质子交换膜是由多孔性的固态高分子构成的，是一种选择透过性膜，具有很好的热稳定性、化学稳定性、高机械强度、高质子传导率。目前质子交换膜多采用全氟磺酸高分子膜，主要功能传导离子和分隔两侧电极分开，防止燃料和氧化剂直接发生反应。当孔内含有水分子时，具有离子传导性，因此膜中必须保持适当的含水量，以避免膜产生局部脱水，从而降低离子传导性。 （2）催化层 催化层介于质子交换膜和扩散层之间，是电化学反应发生的场所。阳极通常采用铂（Pt）作为催化剂，用来增加甲醇反应的活性，加入钌（Ru）是为了防止一氧化碳中毒，便于将铂催化剂氧化甲醇所产生的一氧化碳，再进行氧化成二氧化碳。在阴极通常只用铂作为催化剂。因为Pt和Ru属于贵重金属，为了减少催化剂的使用量同时增加反应面积，采用贵金属粉末与碳粉混合，将其涂布于碳布或质子交换膜上。 （3）扩散层 扩散层为多孔性结构，通常以碳布（carbon cloth）或碳纸（carbon paper）构成。在该层提供反应物并且以扩散的方式传质到催化层，其主要功能是提供阳极侧反应时的电子的输出通道 （4）双极板 双极板（即流场流场板）的主要作用是支撑扩散层、引导流体和传导电流。它是DMFC关键组件之一，而流场则是流场板的核心部分。流场的作用有以下几点： 一、保证电极各部分可以获得充足均匀的燃料与氧化剂，保证电流密度分布均匀，避免局部过热，提高燃料电池的寿命和性能； 二、保证一定的流场线速度和压降，并利用尾气将生成物排出,保证燃料电池正常运行； 三、可以提高燃料和氧化剂的利用率； 四、保证流场板的有效利用面积。 　MEMS技术在uDMFC中的应用 　 MEMS 技术的发展对uDMFC在微型化和性能的提高产生了重要影响。目前MEMS技术uDMFC的研究中主要应用在以下两个方面： 一是流场板的制作工艺 二是uDMFC的封装 三是uDMFC系统集成度的提高 此外，MEMS技术也被用于催化剂、质子交换膜