利用MEMS制作微型攜帶用燃料電池組件

前言

便攜式電子產(chǎn)品大多使用鋰離子電池或是鎳氫電池，不過目前鋰離子電池的能量密度發(fā)展已經(jīng)接近理論極限，比較之下燃料電池還有極大的能量密度發(fā)展空間，例如甲醇與相同體積鋰離子電池蓄電量比較，甲醇擁有20倍左右的發(fā)熱量，若以20%的電力轉(zhuǎn)換效率，它可以產(chǎn)生數(shù)倍的電氣能量，此外燃料電池不需要冗長的充電時(shí)間，而且對資源回收與削減電池使用量都具有正面貢獻(xiàn)，因此微型燃料電池的發(fā)展受到全球重視。

便攜式電子產(chǎn)品用微型燃料電池主要分成:被動(dòng)與主動(dòng)式直接甲醇(Methanol)燃料電池(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)和附設(shè)燃料改質(zhì)器高分子電解質(zhì)燃料電池(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)兩種。本文介紹利用MEMS技術(shù)制作閥、改質(zhì)器、噴射器等微型燃料電池組件，以及微型燃料電池的發(fā)展動(dòng)向。

DMFC的特性

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DMFC分成被動(dòng)式與主動(dòng)式兩種，主動(dòng)式DMFC提供空氣與燃料電池，結(jié)構(gòu)上幾乎沒有任何動(dòng)態(tài)組件，具體方法首先將混合比例調(diào)整過的甲醇水溶液注入燃料槽內(nèi)，接著利用毛細(xì)管現(xiàn)象將燃料輸送到電池，此時(shí)為獲得高能量密度，常用手段是提高甲醇水溶液的濃度，然而如此一來甲醇從陽極通過高分子電解質(zhì)膜層(PEM: Polymer Electrolyte Membrane)到陰極時(shí)，滲出「Methanol Cross Over」現(xiàn)象非常嚴(yán)重，該現(xiàn)象電氣上相當(dāng)于燃料電池內(nèi)部短路，因此輸出與效率會大幅下跌。

主動(dòng)式DMFC則使用泵(Pump)、閥(Value)等動(dòng)態(tài)組件，將空氣與燃料輸送到電池。圖1是主動(dòng)式DMFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具體方法首先將濃度接近100%的甲醇注入燃料槽內(nèi)，再用水稀釋后輸送到電池，甲醇水溶液利用泵循環(huán)，它的濃度被控制在一定范圍內(nèi)(大約數(shù)wt%左右)，如此就可以持續(xù)獲得高能量密度的燃料，同時(shí)還可以抑制Methanol Cross Over現(xiàn)象，換句話說甲醇水溶液是利用泵循環(huán)順利排除碳酸氣體并提燃料，接著再用泵強(qiáng)制將空氣輸送到陰極，生成水則回收再使用(Recycle)。

圖1 主動(dòng)式DMFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微型燃料閥

1W至數(shù)W等級微型燃料電池的燃料供給系統(tǒng)，要求小型、低消費(fèi)電力等特性，可行方法例如以壓縮空氣、或是具備適當(dāng)蒸汽壓力的液態(tài)蒸汽，或是利用彈簧將燃料加壓，燃料槽與電池之間設(shè)置常態(tài)關(guān)閉閥(Normal Cross Value)，它可以隨著電池的需求打開閥門提供適量的燃料給電池，因此閥門必需具備以下要件:a.半導(dǎo)體芯片大小；b.低消費(fèi)電力；c.可以對應(yīng)加壓液體使閥門關(guān)閉；d.高量產(chǎn)性。

有關(guān)上述(b)與(d)項(xiàng)低消費(fèi)電力與量產(chǎn)性等要求，研究人員針對壓電與電磁方式進(jìn)行檢討?；旧蠅弘姺绞?、電磁方式必需使用壓電、磁石等組件，制作上不適合半導(dǎo)體的加工制程；加熱方式結(jié)構(gòu)比較簡單，而且變位與力學(xué)也都符合上述要求，不過液體系統(tǒng)熱能會散逸，不易達(dá)成低消費(fèi)電力目標(biāo)，因此研究人員最后決定采用靜電方式驅(qū)動(dòng)微型閥門。

靜電方式主要課題是低驅(qū)動(dòng)電壓化，雖然靜電動(dòng)作器(Actuator)本身幾乎不會消耗電力，然而一旦提高驅(qū)動(dòng)電壓，升壓電路本身就會消耗電力。

降低驅(qū)動(dòng)電壓的方法除了縮減靜電間隙之外，還需要降低動(dòng)作器的剛性，如此一來低剛性動(dòng)作器就同時(shí)符合上述(b)(d)項(xiàng)，以及(c)項(xiàng)「可以對應(yīng)加壓液體使關(guān)閉閥門動(dòng)作」的要求。

圖2是具備壓力平衡結(jié)構(gòu)微型燃料閥斷面圖，如圖所示已加壓的燃料一旦注入閥門，利用燃料的壓力，靜電動(dòng)作器內(nèi)會出現(xiàn)開啟閥門的力量，如果沒有特殊設(shè)計(jì)，動(dòng)作器的剛性很低時(shí)，燃料一旦流入閥門就會任意打開。

如圖2所示閥門利用燃料的壓力平衡隔膜(Balance Diaphragm)舉升，呈密封狀態(tài)壓力平衡室的體積減少，使壓力上升靜電動(dòng)作器朝下方推擠，此時(shí)靜電動(dòng)作器正、背面的受壓面積差，靜電動(dòng)作器內(nèi)出現(xiàn)關(guān)閉閥門的力量，由此可知微型燃料閥是利用靜電動(dòng)作器正、背面的壓力平衡達(dá)成常態(tài)關(guān)閉(Normal Cross)要求，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示壓力平衡機(jī)構(gòu)可以有效動(dòng)作，入口壓力即使低于20kPa也能夠維持關(guān)閉狀態(tài)，閥門的驅(qū)動(dòng)電壓大約是30~60V。

圖2 具備壓力平衡結(jié)構(gòu)微型燃料閥

附設(shè)燃料改質(zhì)器的PEFC特性

附設(shè)燃料改質(zhì)器的PEFC可以使炭化氫系燃料改質(zhì)產(chǎn)生氫，再將氫輸送到電池發(fā)電。便攜式電子產(chǎn)品用微型燃料電池使用下列反應(yīng)式構(gòu)成的甲醇水蒸汽反應(yīng)改質(zhì)：

由于水蒸汽改質(zhì)反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，因此必需使用觸媒燃燒器當(dāng)作熱源，此外水蒸汽改質(zhì)反應(yīng)的副生成物「一氧化碳」會使PEFC的觸媒毒化，此時(shí)為去除一氧化碳，所以設(shè)置選擇氧化反應(yīng)器或是氫分離膜。圖3是附設(shè)燃料改質(zhì)器PEFC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 附設(shè)燃料改質(zhì)器PEFC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

雖然附設(shè)燃料改質(zhì)器PEFC系統(tǒng)比較復(fù)雜，不過它具備下列優(yōu)點(diǎn):

·以氫作燃料的PEFC輸出密度比DMFC高數(shù)倍甚至1位數(shù)以上，如果整合燃料改質(zhì)器，理論上可以達(dá)成比DMFC系統(tǒng)更高的輸出密度。

·附設(shè)燃料改質(zhì)器PEFC系統(tǒng)還可以使用丁烷(Butane)、乙醇(Athanol)等甲醇以外的碳化氫燃料發(fā)電。

有關(guān)燃料改質(zhì)器的研究開發(fā)，以美國Pacific Northwester國立研究所(PNNL)、LECUNT、日本CASIO、東北大學(xué)等單位最積極，例如日本CASIO公司使用玻璃基板開發(fā)大小約20×20mm甲醇改質(zhì)微型反應(yīng)堆(Reactor)、選擇氧化反應(yīng)堆以及觸媒燃燒器，接著再將這些組件組合成發(fā)電量為2.5W的燃料改質(zhì)器。

圖4是利用MEMS將燃料改質(zhì)反應(yīng)堆、觸媒燃燒器、隔熱結(jié)構(gòu)一體化的燃料改質(zhì)器結(jié)構(gòu)，基本上它是在MEMS技術(shù)制成的自我支撐薄膜上，進(jìn)行改質(zhì)反應(yīng)與觸媒燃燒，甲醇水蒸汽改質(zhì)的場合，它可以使反應(yīng)單元與周圍隔熱獲得200~300℃的溫度，因此大幅縮減它的熱容量，例如寬300μm長7mm的流道加熱至300℃時(shí)，可以降低0.64W左右必要電力，1個(gè)流道利用微型加熱器(Micro Heater)加熱至300℃時(shí)，流道周圍基板的溫度只有室溫左右的熱度而已。