基于mems技術(shù)的微小型直接甲酸燃料電池的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直接甲酸燃料電池，尤其是涉及一種基于MEMS技術(shù)的微小型直接甲酸燃料電池的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchange membrane fuel cell，PEMFC)在各類燃料電池的研宄中被認(rèn)為是最具研宄價(jià)值和應(yīng)用前景的。其中，直接甲醇燃料電池(directmethanol fuel cel I，DMFC)又是燃料電池研宄中的熱點(diǎn)。直接甲醇燃料電池具有燃料來(lái)源廣、存儲(chǔ)和運(yùn)輸方便、能量轉(zhuǎn)化效率高和可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是研宄發(fā)現(xiàn)，由于甲醇容易滲透Naf1n膜，所以使用Naf1n膜作為質(zhì)子交換膜的DMFC僅能使用低濃度(l-2mol/L)的甲醇溶液以維持穩(wěn)定工作。同時(shí)甲醇的電催化氧化率也較低。基于甲醇的局限性，近年來(lái)對(duì)甲酸燃料電池的研宄逐步成為熱點(diǎn)。相對(duì)于甲醇，甲酸具有較高的理論開(kāi)路電位(1.45V)，電化學(xué)氧化性能較好，質(zhì)子電導(dǎo)率高，不易使Pt電催化劑中毒。雖然甲酸的能量密度只有2104ffh/L(甲醇4900Wh/L)，但甲酸對(duì)Naf1n膜的滲透率較低，因而用作燃料時(shí)其濃度可高達(dá)lOmol/L，且輸出性能優(yōu)良。
[0003]公開(kāi)號(hào)為CN103219528A的中國(guó)發(fā)明專利采用Pd/IT0_CNTs作為直接甲酸燃料電池陽(yáng)極催化劑，Pd載在ITO-CNTs載體上，提高了導(dǎo)電性，同時(shí)在載體中又加入碳納米管，進(jìn)一步提尚載體的導(dǎo)電性。
[0004]公開(kāi)號(hào)為CN103894189A的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種直接甲酸燃料電池用倍半硅氧烷配合物催化劑的制備方法，為合成高質(zhì)量直接甲酸燃料電池陽(yáng)極氧化催化劑提供了一個(gè)切實(shí)可行的途徑。固載的金屬催化劑能夠有效地阻止金屬物種的聚集，從而表現(xiàn)了較好的活性、選擇性和壽命。
[0005]公開(kāi)號(hào)為CN102136590A的中國(guó)發(fā)明專利通過(guò)在流場(chǎng)板與膜電極、流場(chǎng)板端板之間設(shè)有密封圈來(lái)封裝整體電池。該發(fā)明使用密封圈封裝甲酸燃料電池，電池的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致零部件增多，而且在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，由于流場(chǎng)板材料剛度較大，易發(fā)生變形或是破裂。
[0006]目前，針對(duì)甲酸燃料電池的研宄主要集中于催化劑的合成和制備，整體電池的研發(fā)，尤其是封裝技術(shù)的研宄仍舊比較缺乏。甲酸燃料電池封裝結(jié)構(gòu)能否簡(jiǎn)化，電池整體尺寸能否小型化以實(shí)現(xiàn)可攜帶性，是否具有良好的防腐蝕性能以提高電池的使用壽命，相關(guān)問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研宄和探索。基于此，本發(fā)明以微加工技術(shù)為基點(diǎn)，并結(jié)合傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)，對(duì)甲酸電池的封裝技術(shù)進(jìn)行研宄，著力研發(fā)一種安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小型的甲酸燃料電池，以彌補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域研宄上的空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS技術(shù)的微小型直接甲酸燃料電池的制備方法，所制備的微小型直接甲酸燃料電池可克服現(xiàn)有甲酸燃料電池存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防腐蝕性能較差以及整體尺寸較大等問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]基于MEMS技術(shù)的微小型直接甲酸燃料電池的制備方法，包括以下步驟:
[0010]I)硅片的加工:采用微加工技術(shù)在硅片上制作出蛇形凸起微流道和正方形凸臺(tái)陣列；
[0011]2)帶電極電池陰極流場(chǎng)板和帶電極陽(yáng)極流場(chǎng)板的制備:將步驟I)加工后的硅片裝配在模具中，注入PDMS膠液，將銅箔嵌入未固化的PDMS材料中，固化后銅箔與PDMS材料一體化，得到PDMS材料的電池陰極流場(chǎng)板，然后將Cr濺射到流場(chǎng)區(qū)域和銅箔上，再將Au濺射覆蓋Cr，得到帶電極電池陰極流場(chǎng)板；采用相同制備方法得到帶電極陽(yáng)極流場(chǎng)板；
[0012]3)膜電極(MEA)的制備:將噴涂上陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑的PEM(質(zhì)子交換膜)與碳紙熱壓制成膜電極；
[0013]4)金屬陽(yáng)極壓板和金屬陰極壓板的制備:將切割好的金屬板在濃硫酸中鈍化并濺射PTFE進(jìn)行防腐蝕處理，得到金屬陽(yáng)極壓板；采用相同制備方法得到金屬陰極壓板；
[0014]5)封裝:封裝后得到所述微小型直接甲酸燃料電池。
[0015]步驟I)中，所述蛇形凸起微流道的流道寬度可為200?600 μ m，所述正方形凸臺(tái)陣列的各正方形凸臺(tái)相同，正方形凸臺(tái)的邊長(zhǎng)可為I?2mm。
[0016]步驟2)中，所述PDMS膠液的質(zhì)量比可為PDMS基體:PDMS固化劑=10: (I?3)。
[0017]步驟3)中，所述PEM可選用杜邦公司生產(chǎn)的型號(hào)為Naf1nll5的PEM;所述碳紙可選用日本東麗公司型號(hào)為Toray-90的碳紙，碳紙事先經(jīng)過(guò)清洗、旋涂碳粉、高溫?zé)Y(jié)處理。
[0018]步驟3)中，所述陽(yáng)極催化劑可采用Pt與Ru混合的催化劑粉末，所述陰極催化層可采用Pt和C混合的催化劑粉末；所述熱壓的工藝條件可為:壓力30?60kg/cm2，溫度120?180°C，時(shí)間可為60?120s。
[0019]步驟5)中，所述微小型直接甲酸燃料電池的整體尺寸可不大于40mmX 40mmX 15mm，有效工作面積可不小于1cm2。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0021]本發(fā)明以微加工技術(shù)為基點(diǎn)，在硅片上構(gòu)筑凸起矩形陣列和蛇形微通道，結(jié)合傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)，制作用于成型流場(chǎng)板所需模具，通過(guò)微成型，把凸臺(tái)和微通道轉(zhuǎn)移到PDMS基底上。最后將流場(chǎng)板、膜電極和經(jīng)過(guò)防腐處理的壓板封裝形成全電池。
[0022]本發(fā)明通過(guò)采用PDMS作為流場(chǎng)板材料，避免使用硅基等材料的流場(chǎng)板中發(fā)生流場(chǎng)板變形或破裂的情況，克服甲酸的腐蝕性，簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)，優(yōu)化整體封裝，大幅提升小型燃料電池的輸出性能，并實(shí)現(xiàn)了甲酸燃料電池的便攜性。有效抵御甲酸對(duì)銅箔的腐蝕，達(dá)到對(duì)銅箔的保護(hù)作用。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例所制備的微小型直接甲酸燃料電池的結(jié)構(gòu)分解示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例制備帶電極陰極PDMS流場(chǎng)板的流程示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明實(shí)施例制備帶電極陽(yáng)極PDMS流場(chǎng)板的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例所制備的微小型直接甲酸燃料電池的結(jié)構(gòu)，包括膜電極(MEA) 1、帶有空氣通道21的帶電極陰極PDMS流場(chǎng)板2、帶有蛇形微流道31和進(jìn)出液通道32的帶電極陽(yáng)極PDMS流場(chǎng)板3、帶有空氣通道41的鋁質(zhì)陰極壓板4和帶有進(jìn)出液通道51的鋁質(zhì)陽(yáng)極壓板5，通過(guò)螺栓連接的方式裝配在一起。