鐘振忠

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)械工程學(xué)院，浙江溫州325003）

微型燃料電池測量技術(shù)研究*

鐘振忠

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)械工程學(xué)院，浙江溫州325003）

以微機(jī)電制程制作微型燃料電池為研究基礎(chǔ)，討論了集電板開孔率、燃料對(duì)流方式、以及電池組裝時(shí)鎖緊力對(duì)性能之影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同開孔率集電板，電池性能隨集電板開孔數(shù)增加而提升；強(qiáng)制對(duì)流方式的單電池比較適合高電流密度輸出使用，而自然對(duì)流式電池較適合低電流長時(shí)間輸出使用；電池組裝之鎖緊力必須在不使流道結(jié)構(gòu)變型的情況下增加才能有效提升其性能；由于PDMS基材有比較少的積水現(xiàn)象，因此PDMS基材單電池比硅基材更適合用在自然對(duì)流式微型燃料電池上。

微機(jī)電；燃料電池；開孔率；鎖緊力

0 前言

燃料電池的低污染特性，是目前極具潛力的能源之一。微小化的質(zhì)子交換膜燃料電池更能應(yīng)用在3C產(chǎn)品及可攜式電源供應(yīng)上，因此將燃料電池微小化已成為不可或缺的技術(shù)。王陽華等人[1]為了改善微型質(zhì)子交換膜燃料電池冷卻系統(tǒng)的綜合性能，研究了燃料電池冷卻通道幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。曾毅波等人在研究[2]堆棧式微型直接甲醇燃料電池(μ-DMFC)中，為了避免硅基流場板因?yàn)榉庋b壓力過大而破裂，采用了硅和PDMS（聚二甲基硅氧烷）材料分別制作陽極和陰極流場板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，活化后的PDMS陰極流場板與Cr/Au的粘附性能和粘接強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)陽極流場板的流道一半開設(shè)為凸臺(tái)，一半開設(shè)為通孔時(shí)，其堆棧式μ-DMFC的輸出性能最優(yōu)。采用硅和PDMS材料分別制作流場板，不僅簡化了堆棧式μ-DMFC的結(jié)構(gòu)，而且能夠緩沖鎖緊力，有效保護(hù)硅基陽極流場板。同時(shí)優(yōu)化陽極流場板上的流道結(jié)構(gòu)，能夠有效提升堆棧式μ-DMFC的輸出性能。樸明月[3]利用微生物做催化劑，以空氣做陰極的單室微生物燃料電池，研究結(jié)果表明，有擴(kuò)散層時(shí)獲得的功率密度更高。許楨英等人[4]介紹了微型燃料電池雙極板的成形工藝，包括基于微沖壓等常規(guī)的塑性變形手段，基于MEMS的微加工技術(shù)和非傳統(tǒng)加工工藝，展望了未來微型燃料電池雙極板成形工藝的發(fā)展趨勢。影響燃料電池性能的因素了解有流場板材料選擇、流場幾何設(shè)計(jì)、膜電極組制作技術(shù)與電池封裝技術(shù)，因此針對(duì)燃料電池進(jìn)行單體設(shè)計(jì)、加工與組裝，對(duì)單電池進(jìn)行性能測試，接著改變?nèi)剂想姵刎?fù)載，了解電池操作溫度、進(jìn)氣濕度、電池背壓及電池體特性對(duì)燃料電池性能的影響，進(jìn)而作為設(shè)計(jì)燃料電池重要參考數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 流場板制作方法

流場板制作方面如圖1所示，首先采用6寸厚度為750um之單面拋光硅晶圓為基材，經(jīng)過RCA標(biāo)準(zhǔn)清潔程序后，鍍上一層鋁做為保護(hù)硅的阻擋層，再利用旋轉(zhuǎn)涂布機(jī)旋涂一層厚約7um之光阻劑，然后進(jìn)行軟烤。軟烤后之光阻利用曝光機(jī)，將事先設(shè)計(jì)好之光罩如圖2所示，在曝光機(jī)上校正對(duì)準(zhǔn)后進(jìn)行曝光，曝光后之光阻再進(jìn)行顯影以得所需之圖形。接著利用鋁蝕刻液和ICP，依序把未被光阻覆蓋區(qū)域的鋁、硅蝕刻出所需之第一個(gè)圖形。由于本制作方法須使用兩道光罩之曝光手續(xù)得到兩種不同深度之圖形，因此再重復(fù)一次以上制程：鍍鋁、旋涂光阻、微影、蝕刻，最后我們所需之流場板模具即制作出如圖3所示。

接著開始PDMS的翻模制程。將PDMS溶液倒在硅流場版的模具上放入真空烘箱，在真空環(huán)境下加熱至70℃烘烤2小時(shí)后取出，固化之PDMS即成型在硅模具上。此流場版如圖4所示，每片尺寸約為2.5cm×2.5cm，流場面積約為2cm×2cm。

1.2 電池的組裝與測試

在電池組裝及測試方面，首先將一質(zhì)子交換膜分別在陰極與陽極分別以一集電板及流道板夾住，兩端外側(cè)再以壓克力端板夾住并鎖上螺絲，完成單電池組裝。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，因考慮未來實(shí)用之可行性，因此陰極采用呼吸式供給空氣、條件為25℃和50%相對(duì)濕度，陽極為氫氣流量固定在30sccm。因PDMS材質(zhì)為軟性彈性體，在此實(shí)驗(yàn)將進(jìn)行在不同組裝鎖緊力下的性能測試。

圖1 硅流場板模具微制程示意圖

圖2 兩道不同光罩示意圖

圖3 硅晶圓干蝕刻之模具圖

圖4 微型PDMS PEMFC之原件圖示

2 結(jié)果與討論

由圖5及圖6之結(jié)果可看出，在不同之組裝鎖緊力下從0.5～2.0 kg.cm，隨著鎖緊力增加其性能也會(huì)有所提升，但若提升至一定的扭力之后其性能增加之幅度則漸于趨緩，表示過大的鎖緊力反而會(huì)壓縮到流道之結(jié)構(gòu)造成流道截面積縮小，導(dǎo)致氫氣無法順利傳輸產(chǎn)生電化學(xué)而性能有所下降。

圖5 不同鎖緊力下之I-V曲線

圖6 不同鎖緊力下之I-P曲線

在燃料電池應(yīng)用上，因單電池電壓較低的緣故，無法直接使用于一般3C電器產(chǎn)品上，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了串聯(lián)四顆電池的微型平板式PDMS燃料電池堆，藉此使開路電壓提升至3.8伏特，而操作電壓則為2～3伏特(單電池操作電壓為0.5～0.75V)且最大功率可達(dá)2瓦特。

為了要更加了解設(shè)計(jì)制作之平板型燃料電池之特性，故增加了溫度分布的探討，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖7所示。結(jié)果如圖8所顯示，一開始時(shí)電流為0 mA此時(shí)還未產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，接著電流來到600 mA可以看出四顆電池溫度之分布較低且很均勻，最后電流來到1120 mA此時(shí)因電流過大導(dǎo)致反應(yīng)氣體未能及時(shí)補(bǔ)充造成之濃度極化現(xiàn)象。

圖7 紅外線熱顯像分析設(shè)備之示意圖

圖8 不同放電電流之溫度分布圖

最后再以長時(shí)間之穩(wěn)定性測試，測試條件為定電壓放電，分別定于2.0V，2.4V，2.8V等如圖9所示，測試時(shí)間為每個(gè)電位固定電壓放電14小時(shí)以上，來監(jiān)測所設(shè)計(jì)之微型燃料電池是否可以穩(wěn)定輸出而不會(huì)有內(nèi)部積水及性能下降之情況產(chǎn)生，結(jié)果顯示此微型燃料電池確實(shí)能夠以長時(shí)間穩(wěn)定的輸出性能。

3 結(jié)論

PDMS有重量輕、氣密性佳、易于觀測流場的優(yōu)點(diǎn)，且易于大量翻制降低其成本。而由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知PDMS制作的流場板也有良好的性能表現(xiàn)，因此利用微制程技術(shù)將PDMS應(yīng)用于PEMFC上確實(shí)為可行的方法。

圖9 長時(shí)間穩(wěn)定性測試

參考文獻(xiàn)：

[1]王陽華,劉宗輝,楊慧君.基于傳熱反問題的微型燃料電池冷卻通道優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)仿真,2013,30(1):169-172.

[2]曾毅波,陳觀生,趙祖光,等.采用硅和PDMS的堆棧式微型直接甲醇燃料電池的設(shè)計(jì)和制作[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(2): 143-149.

[3]樸明月,滕洪輝,石淑云,等.空氣陰極微生物燃料電池研究進(jìn)展[J].遼寧化工,2014,(10):1224-1229.

[4]許楨英,張園園,王勻,等.微型燃料電池雙極板成形工藝的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù),2015,(4):861-863.

（責(zé)任編輯：張海南）

Investigation on Micro Fuel Cell Measurement Technology

ZHONG Zhen-zhong
（Automotive and Mechanical Engineering College of Zhengjiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou,325003,China）

This study fabricated micro fuel cell by using the MEMS technology.A series of performance experiments on a single fuel cell was carried out.The experimental parameters included current collector shape,convection type and clamping force,respectively.The experimental results show that both the performances of the air-breathing and forced convection cells increase with an increase of the circle numbers from one to twenty-five on the current collector under the same current collector open ratio.The forced convection cell is a better choice for long-time high current-density output whereas the air-breathing cell is more suitable for lower current density output.An appropriate clamping torque should be considered carefully to enhance the performance but without narrowing down the fuel flow channels.The PDMS-based PEMFC has a better performance than that of the silicon-based one under both forced oxygen supply and the air-breathing ways;PDMS is a better material than silicon for micro air-breathing fuel cell because of its less water flooding effects.

MEMS;fuel cell;open ratio;clamping force

TM 911.48

A

1672-0105(2016)04-0050-04

10.3969/j.issn.1672-0105.2016.04.012

2016-10-20

2014年浙江省教育廳科研項(xiàng)目“利用沼氣純化發(fā)電系統(tǒng)之建立”（Y201432143）

鐘振忠，博士，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向：機(jī)械工程、熱流工程、氫能、生質(zhì)能。