基于MEMS的硅基微型燃料电池关键工艺与材料的基础研究

随着便携式电子产品、无线传感网络的迅猛发展，微型能源成为其发展的瓶颈，而环保、高效的微型燃料电池的研究正是其前沿方向之一。直接甲醇燃料电池（DMFC），由于具有能量密度高、可低温工作、环保、且液体燃料供给与储运方便等特点，成为微型能源的最佳候选者。本项目结合MEMS技术与材料、电化学技术，致力解决微型DMFC面临的主要基础问题，从以下几个方面研究基于MEMS技术的微型燃料电池的关键工艺和材料的科学问题：研究硅基质子交换膜的质子传输机理，利用MEMS技术制造穿通的纳米多孔硅膜作质子交换膜的载体，结合Nafion溶液形成硅基质子交换膜；探索新型高催化活性、高稳定性、低载量、阻醇的电催化材料，以及硅基微型DMFC金属催化剂的上载方法；研究阳极微流体燃料自驱动机理及其实现方式，进行阴极排水机理的研究，实现阴极水的收集和排出。在机理和关键工艺研究的基础上，实现基于硅基质子交换膜的微型DMFC。

本项目是微电子学与材料科学，电化学的成功交叉与结合，主要研究基于MEMS的硅基微型燃料电池工艺与材料中的科学问题和关键技术，并在此基础上拓展了硅基微型储能器件的研究。本项目在微型直接甲醇燃料电池和微型超级电容的结构设计、制作，以及相关催化材料、电极材料等方面取得了一定的成果。研究了高性能铂基催化剂，从尺寸控制、电子结构控制、形状控制等方面设计并合成了高性能催化剂，其性能较商用催化剂有明显提高；开展了多孔硅基质子交换膜以及催化剂直接上载的研究工作，针对多孔硅基质子交换膜的关键机理和工艺进行研究，实现了与MEMS工艺兼容的多孔硅基质子交换膜，且性能可与商用Nafion膜相比拟，采用化学镀和表面控制相结合的方法在多孔硅表面原位上载高性能三维铂纳米化催化剂，具有商业碳载催化剂1.82倍的活性；研究并建立了直接甲醇燃料电池阴阳极流场气液两相模型，对结构设计具有指导意义，并探究了微尺度下两极流场传输机理，进而设计被动式供给方式，提高器件综合性能，探索了气相供给机理与实现方法，提高了燃料利用率，基于模型提出阴极水管理的方法；为面向实用供电需求，研究了微型直接甲醇燃料电池的封装技术，减少了封装过程中的活动组件，降低封装难度，并通过电池组设计，实现了电压可调、供电长期稳定的单元，峰值功率达110mW；研究了微型超级电容储能器件的关键要素，提出三维自支撑电极结构，实现了具有良好综合性能的器件，并通过赝电容材料对电容架构的优化以及隔膜对电极厚度和稳定性的优化，实现了具有311mF/cm2，270uWh/cm2高能量密度的器件，并创造性提出了可圆片级加工的直接成型纳米多孔材料到器件的结构体系和加工方法，基于此通过功能材料修饰实现高容量超级电容并在电化学传感器方面拓展了其应用。在本项目执行期间，本项目组在国内外重要期刊和会议上发表论文44篇，其中SCI收录24篇，EI收录20篇，包括MEMS领域高水平会议MEMS和Transducers论文14篇，申请国家专利 项。