[发明专利]基于MEMS的直接甲醇燃料电池被动式阳极及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微能源和微机械加工技术领域，特别涉及一种基于MEMS技术的直接甲醇燃料电池被动式阳极结构及其制作方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池能将甲醇的化学能直接转化成电能。同其他微型能源相比，其具有能量密度大，室温工作，环保，无可移动部件，燃料便于存储等优点。微型直接甲醇燃料电池在便携式电子设备(如笔记本电脑，PDA，数码相机)，无线通讯网络(如手机，GPS，传感器网络节点)，微型系统(如片上系统，SOC，MEMS器件组成的微系统)等方面具有突出优势。利用成熟的MEMS技术制作的微型硅基直接甲醇燃料电池具有精度高，重复性好，可以等比例缩放，批量生产成本低等的优点，并有望同其他MEMS器件和IC电路集成，促进自供给、低成本、高性能的微型系统的实现。在燃料电池的工作过程中，阳极甲醇在催化剂作用下与水反应，生成二氧化碳、质子和电子。质子穿过质子交换膜到达阴极，电子通过外电路到达阴极，从而释放出电能。所以在直接甲醇燃料电池工作时阳极的甲醇和水持续不断的消耗，需要采用某种方式进行补充。

根据阳极甲醇和水不同的补充方式，将电池分为主动式和被动式两种。主动式通过外接的泵持续向阳极输送甲醇和水，从而保证电池持续工作。大型的燃料电池一般采用这种方式供给甲醇和水。研究人员也尝试将微型泵或者其他传输结构与电池本身集成来实现微型直接甲醇燃料电池系统。文献1(Cullen R.Buie，Yoav Banin，Chuyang Tang，Juan G.Santiago，Fritz B.Prinz，Beth L.Pruitt，″AMicrofabricated Directmethanol Fuel Cell With Integrated Electroosmotic Pump″，Tech.Digest MEMS Conference 2006，Istanbul，Turkey，Jan 22-26，2006，pp.938-941.)介绍了一种电渗透泵与微型直接甲醇燃料电池的集成。但是，微型泵目前存在工作电压过高，能耗大的问题，目前很难由燃料电池提供的能量驱动，无法实现独立的微型直接甲醇燃料电池系统。

被动式燃料电池直接在阳极一侧制作一个储存甲醇溶液的腔，然后腔内放置一定浓度的甲醇溶液。燃料电池工作时，持续消耗腔内的甲醇溶液，直到消耗完后电池停止工作，通过手动更换储存槽或是注入的方式重新添加溶液可以使电池继续工作。被动式电池的甲醇供给不需要消耗额外的能量，具有简单易集成的优点。文献2(Y.H.Seo，and Y.-H.Cho，MEMS-based direct methanol fuel cells and theirstacks using a common electrolyte sandwiched by reinforced microcolumn electrodes，Tech.Digest MEMS Conference，Maastricht，Netherlands，2004，pp.65-68.)介绍了一种采用硅制作微柱阵列实现的被动式微型直接甲醇燃料电池，溶液中的甲醇只通过扩散到达电池反应区域。而文献3(Dennis Desheng Meng*，C.J.Kim，″An activemicro-direct methanol fuel cell with self-circulation of fuel and built-in removal ofCO₂ bubbles″，Journal of Power Sources 194(2009)445-450.)则采用了反应产生的二氧化碳气体驱动液体在沟道内流动从而实现燃料的更新。由于被动式结构的甲醇存储能力受限于腔的体积，如果采用低浓度甲醇溶液，则工作时间很短；为了延长使用时间，一般会采用比较高浓度的甲醇溶液，这就造成电池甲醇渗透很严重，电池性能迅速下降。

文献(邢巍，冯立纲，刘长鹏，梁亮，一种采用纯甲醇进料方式的被动式直接甲醇燃料电池，CN101645514，2010.02.10)介绍了一种采用纯甲醇进料方式的被动式直接甲醇燃料电池。该电池构成包括纯甲醇贮存腔，甲醇缓冲区和电池工作单元。在纯甲醇贮存腔和甲醇缓冲腔之间采用渗透膜来控制甲醇的传递，实现纯甲醇进料，以满足甲醇燃料电池的长效工作能力。但是，由于采用独立的疏水膜，无法直接在极板上制作，使得其结构复杂，封装也相对困难。

发明内容