“螺旋桨式”阴极结构的被动式微型直接甲醇燃料电池研究

微型燃料电池是目前MEMS微能源领域的研究热点，被动式微型直接甲醇燃料电池（μDMFC）因其结构简单、燃料易于储存携带、无需辅助器件等特点有望成为便携式电子系统中最具吸引力的能源。基于MEMS技术的被动式μDMFC研究处于萌芽阶段，在系统设计、燃料供给和膜电极制备等方面存在不足。本课题将对以上问题展开深入研究，旨在提高被动式μDMFC的性能与长期工作稳定性。结合微尺度学、电化学以及流体动力学建立被动式μDMFC多场耦合模型，提出一种"螺旋桨式"阴极自呼吸新型结构并实现结构优化设计；提出基于界面效应的燃料供给系统新方法，提高能量密度；制备被动式μDMFC用膜电极新结构，提高性能和稳定性；在上述基础上利用MEMS技术实现被动式μDMFC，进行性能测试和验证模型。本课题研究涉及到微机电系统、电化学、材料、新能源等研究领域，是典型的多学科交叉前沿课题，研究成果对微型燃料电池实用化具有重要的意义。

微型直接甲醇燃料电池有望成为未来微系统和便携式电子系统中最具吸引力的新型微能源，具有广泛的应用价值。针对目前微型燃料电池输出性能低、传质效能差等问题，本课题主要围绕被动式微型直接甲醇燃料电池结构设计、燃料供给、加工制造方法和性能表征等展开深入研究，在以下几个方面取得了重要成果：（1）建立了被动式微型直接甲醇燃料电池二维两相传质模型，可以很好地分析电池内部电流、温度和甲醇浓度等参数对性能的影响，实验数据与模型仿真结果吻合较好；（2）建立了微型直接甲醇燃料电池阴极三维结构模型，提出了一种“螺旋桨”式阴极流场结构，不仅可以改善反应物的传质效率，还可加快水排除速度；（3）提出了基于传质阻挡层的微型直接甲醇燃料电池阳极燃料供给结构，可以实现被动式微型甲醇燃料电池输出性能的稳定并大大延长工作时间； （4）采用微加工技术完成了有效尺寸为8mm×8mm×1.5mm的被动式微型直接甲醇燃料电池，室温下最大输出功率密度可达25.97mW/cm2，性能与近几年国内外同类器件相比达到了国际领先水平。项目实施过程中在国内外期刊和会议上发表学术论文26篇，其中SCI检索19篇、EI检索24篇；申请国家发明专利6项；培养博士研究生3名（其中毕业1名），硕士研究生6名（其中毕业4名）。课题研究成果对MEMS微能源技术进一步发展具有重要的理论意义和应用价值。