利用MEMS制作微型攜帶用燃料電池組件

上述微型燃料改質(zhì)器的甲醇水蒸汽改質(zhì)與氫之間可以作自立性觸媒燃燒，不過(guò)受限于觸媒的性能，因此氫的發(fā)生量相當(dāng)于200mW，熱效率也只有6%左右。

圖4 具備自我支撐薄膜結(jié)構(gòu)的燃料改質(zhì)器

圖5的微型燃料改質(zhì)器主要特征是在觸媒燃燒器兩側(cè)設(shè)置甲醇水蒸汽改質(zhì)反應(yīng)堆與燃料蒸發(fā)器，改質(zhì)器整體大小為25×20×5.6mm，以2.4ml/min速度提供甲醇水溶液(水蒸汽/甲醇比S/C=1.9)，可以產(chǎn)生相當(dāng)于4.7W的氫。

圖5 微積化微燃料改質(zhì)器

微型燃料改質(zhì)器必須有熱源，即燃燒器，除此之外還需要有可以將燃料與空氣的混合氣輸送到燃燒器的組件，因此研究人員利用液態(tài)瓦斯蒸氣壓力，開(kāi)發(fā)可以有效將混合氣輸送到燃燒器的微型噴射器(Micro Ejector)。

以丁烷為例為了使丁烷(Butane)完全燃燒，必需提供丁烷31倍體積的空氣，如果使用一般微型泵輸送如此大量空氣，微型泵的外形體積與消費(fèi)電力都非?？捎^而且不實(shí)用。

噴射器利用一次流體的噴流慣性產(chǎn)生的負(fù)壓，與粘性拉扯效應(yīng)吸引二次流體。圖6是利用MEMS技術(shù)制成的微型噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，異丁烷(Isobutane)的流量相當(dāng)于20W時(shí)，微型噴射器可以吸入35倍的空氣，不過(guò)空氣吸入量隨著出口壓力的增加急遽降低，因此燃燒器的壓力損失必需非常低。

上述微型燃料改質(zhì)器內(nèi)部的微型燃燒器，10W燃燒時(shí)只有數(shù)十Pa壓力損失，改用微型噴射器的話必需大幅降低壓力損失，因此研究人員正利用CFD(Computational Fluid Dynamics)試圖開(kāi)發(fā)更高性能的結(jié)構(gòu)。

微型噴射器使用具備液化瓦斯蒸汽壓力的Exergie吸引空氣，這意味著微型噴射器必需整合低壓力損失高耐壓微型閥。圖7是微型噴射器用微型閥的構(gòu)造與動(dòng)作原理，本微型閥使用靜電控制大流體驅(qū)動(dòng)閥，主要特征如下:

·開(kāi)啟狀態(tài)低壓力損失

·高Leak耐壓Normal Cross動(dòng)作

·低消費(fèi)電力

流體驅(qū)動(dòng)閥的壓力源亦即控制對(duì)象是液態(tài)瓦斯，所以不需要外部壓力。圖7(a) 的微型閥呈關(guān)閉狀，左側(cè)是靜電驅(qū)動(dòng)閥呈開(kāi)啟狀，右側(cè)的靜電驅(qū)動(dòng)閥一旦關(guān)閉，液態(tài)瓦斯就會(huì)傳送到連接于微型噴射器的中央流體驅(qū)動(dòng)閥上下，利用受壓面積差中央流體驅(qū)動(dòng)閥被擠壓至閥膜上形成關(guān)閉狀，值得一提的是兩靜電驅(qū)動(dòng)閥都是設(shè)置在施加液態(tài)瓦斯就會(huì)關(guān)閉的位置上而且閥徑只有20μm(驅(qū)動(dòng)電壓為30V)，這意味著MEMS技術(shù)非常適合制作流體驅(qū)動(dòng)閥。

圖7(b)的微型閥呈開(kāi)啟狀，左側(cè)是靜電驅(qū)動(dòng)閥呈關(guān)閉狀，右側(cè)靜電驅(qū)動(dòng)閥一旦開(kāi)啟，連接于微型噴射器的中央流體驅(qū)動(dòng)閥下側(cè)就會(huì)開(kāi)放大氣，接著利用空氣中央流體驅(qū)動(dòng)閥朝下方擠壓變成開(kāi)啟狀。

由于支撐該閥的隔膜(Diaphragm)被加工成可以大幅變位的皺折狀(Corrugation)，所以可以達(dá)成「開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)低壓力損失」預(yù)期目標(biāo)，壓力損失10cc/min時(shí)只有1.7kPa，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)壓力差即使160kPa也未檢測(cè)出刻意的Leak。

圖6 微型噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 微型噴射器內(nèi)部微型閥結(jié)構(gòu)

微型燃料電池的發(fā)展動(dòng)向

2000年初美、日等國(guó)外研究單位相續(xù)采用MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)微型燃料電池，其中以Kelly氏發(fā)表的硅隔板(Silicon Separator)微型燃料電池(圖8)結(jié)構(gòu)最單純，接著其它研究單位也陸續(xù)推出同類(lèi)型燃料電池，這些電池的Cell心臟部位亦即‘陽(yáng)極觸媒’、‘離子傳導(dǎo)薄膜’、‘陰極觸媒’，都是沿用傳統(tǒng)PEFC的薄膜?電極組合(MEA: Membrane Electrode Assembly)，所謂MEA是利用熱壓縮(Hot Press)技術(shù)將觸媒薄膜粘貼在PEM兩面。

傳統(tǒng)PEFC以隔板將MEA挾持鎖定，結(jié)構(gòu)上必需組合復(fù)數(shù)組件，因此不適合利用MEMS技術(shù)制作，因此Morse氏在硅基板上依序制作陽(yáng)極、PEM、陰極薄膜，進(jìn)而構(gòu)成圖8(b)所示微型燃料電池，陽(yáng)極與陰極薄膜利用濺鍍法制作，PEM薄膜則利用旋轉(zhuǎn)涂布法(Spin Coating)制作，因此可以獲得一體化(Monolithic)結(jié)構(gòu)，該微型燃料電池以氫作為燃料，90℃時(shí)可以達(dá)成3.8mW/cm2的輸出密度。

圖8 微型燃燒電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于燃料電池單Cell電壓通常只有0.4~0.8V左右，因此復(fù)數(shù)Cell串聯(lián)連接成為提高電壓常用手段。如圖9所示主要電池連接方法有四種，圖9(a)是一般燃料電池采用的連接方式，這種連接方式又稱(chēng)為「雙極儲(chǔ)備(Bipolar Stocking)」。

圖9(b)~(d)的連接方式在基板上制作微細(xì)結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為這種方式比較適合使用MEMS加工制作。

圖9(c)復(fù)數(shù)Cell串聯(lián)連接構(gòu)成的燃料電池，雖然這種方式必需將燃料傳送到電池兩側(cè)，不過(guò)從電池一端到對(duì)向側(cè)相異基板之間卻不需要導(dǎo)線連接，若與圖9(b)連接方式比較，它的組裝與布線等作業(yè)相對(duì)比較容易，因此Lee氏的微型燃料電池也采用這種稱(chēng)為「Flip Flop Interconnection」串聯(lián)連接方式。

圖9(d)是將復(fù)數(shù)Cell串聯(lián)連接成一體狀的另一種連接方式，由于試作時(shí)與PEM觸媒電極的密著性不足，所以只能獲得1μW/cm2等級(jí)的輸出密度，不過(guò)Mayers與Maynard氏針對(duì)陰極與陽(yáng)極對(duì)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示種方式必可以獲得40%左右的體積輸出密度，Motokawa氏根據(jù)上述結(jié)構(gòu)試作微型DMFC，使用添加硫酸的甲醇水溶液時(shí)，可以獲得0.78mW/cm2的輸出密度。