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硅基微型直接甲醇燃料电池的研究

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摘要

硅基微型直接甲醇燃料电池(简称μ-DMFC),具有发电效率高、能量密度大、环境污染少、安全、携带方便等优点,在小型民用电源和单兵携带电源上具有广泛的应用前景。本论文研究运用MEMS(微机电系统)技术,对μ-DMFC进行整体设计、制作与测试,并对μ-DMFC的结构进行优化。
　　 首先,详细说明运用MEMS技术制造硅基μ-DMFC的过程,并探讨封装结构对其输出性能的影响。实验结果表明,采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)胶块和夹具相结合的封装结构可以有效避免μ-DMFC中甲醇溶液的渗漏,大大提升流场板的电流收集能力,显著改善μ-DMFC的输出性能。
　　 其次,制作透明流道的μ-DMFC,可以实时观察CO2气泡在流道内的生成和分布状况,并通过实验验证,存在着一个最佳流道宽度和最佳甲醇溶液的流速使得μ-DMFC输出性能最优。合理的流道宽度和甲醇流速对于获得最优的μ-DMFC输出性能有着至关重要的影响。当阳极流场板选用流道宽度为400μm,1mol/L甲醇溶液的流速为1ml/min时,μ-DMFC的输出性能最优,最大输出电压约为0.5V,最大电流密度为49.11mA/cm2,最大输出功率为4.62mW/cm2。
　　 最后,为了避免硅基流场板因为封装压力过大而破裂,在堆栈式μ-DMFC中,采用硅和PDMS材料分别制作阳极和阴极流场板。重点解决基于PDMS阴极流场板金属化能力弱的问题。通过铜箔与阴极流场板一体成型、有机清洗和PDMS表面活化等改进措施显著提升了以PDMS材料所制备的阴极流场板的金属化的能力。并通过实验验证,阳极流场板的流道一半开设有凸台,一半开设为通孔时,其堆栈式μ-DMFC的输出性能最优。其最大输出电压约为0.5V,最大输出电流密度为81.25mA/cm2,最大输出功率为7.73mW/cm2。
　　 通过上述研究不仅对μ-DMFC的结构和相关部件材料的选用进行了有效的优化,而且为今后μ-DMFC整体硅基化,乃至小型化的研究奠定了扎实的基础。

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