CN104577160B - 基于mems技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法，涉及直接甲酸燃料电池。采用微加工技术在硅片上制作出蛇形凸起微流道和正方形凸台阵列；将加工后的硅片装配在模具中，注入PDMS胶液，将铜箔嵌入未固化的PDMS材料中，固化后铜箔与PDMS材料一体化，得到PDMS材料的电池阴极流场板，然后将Cr溅射到流场区域和铜箔上，再将Au溅射覆盖Cr，得到带电极电池阴极流场板；采用相同制备方法得到带电极阳极流场板；将喷涂上阳极催化剂和阴极催化剂的PEM与碳纸热压制成膜电极；将切割好的金属板在浓硫酸中钝化并溅射PTFE进行防腐蚀处理，得到金属阳极压板；采用相同制备方法得到金属阴极压板；封装后即得。
Description
技术领域
本发明涉及直接甲酸燃料电池，尤其是涉及一种基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)在各类燃料电池的研究中被认为是最具研究价值和应用前景的。其中，直接甲醇燃料电池(directmethanol fuel cell，DMFC)又是燃料电池研究中的热点。直接甲醇燃料电池具有燃料来源广、存储和运输方便、能量转化效率高和可靠性强的优点。但是研究发现，由于甲醇容易渗透Nafion膜，所以使用Nafion膜作为质子交换膜的DMFC仅能使用低浓度(1-2mol/L)的甲醇溶液以维持稳定工作。同时甲醇的电催化氧化率也较低。基于甲醇的局限性，近年来对甲酸燃料电池的研究逐步成为热点。相对于甲醇，甲酸具有较高的理论开路电位(1.45V)，电化学氧化性能较好，质子电导率高，不易使Pt电催化剂中毒。虽然甲酸的能量密度只有2104Wh/L(甲醇4900Wh/L)，但甲酸对Nafion膜的渗透率较低，因而用作燃料时其浓度可高达10mol/L，且输出性能优良。
公开号为CN103219528A的中国发明专利采用Pd/ITO-CNTs作为直接甲酸燃料电池阳极催化剂，Pd载在ITO-CNTs载体上，提高了导电性，同时在载体中又加入碳纳米管，进一步提高载体的导电性。
公开号为CN103894189A的中国发明专利公开了一种直接甲酸燃料电池用倍半硅氧烷配合物催化剂的制备方法，为合成高质量直接甲酸燃料电池阳极氧化催化剂提供了一个切实可行的途径。固载的金属催化剂能够有效地阻止金属物种的聚集，从而表现了较好的活性、选择性和寿命。
公开号为CN102136590A的中国发明专利通过在流场板与膜电极、流场板端板之间设有密封圈来封装整体电池。该发明使用密封圈封装甲酸燃料电池，电池的整体结构复杂，导致零部件增多，而且在长时间的使用过程中，由于流场板材料刚度较大，易发生变形或是破裂。
目前，针对甲酸燃料电池的研究主要集中于催化剂的合成和制备，整体电池的研发，尤其是封装技术的研究仍旧比较缺乏。甲酸燃料电池封装结构能否简化，电池整体尺寸能否小型化以实现可携带性，是否具有良好的防腐蚀性能以提高电池的使用寿命，相关问题还有待进一步的研究和探索。基于此，本发明以微加工技术为基点，并结合传统的机械加工技术，对甲酸电池的封装技术进行研究，着力研发一种安全可靠，结构简单，尺寸小型的甲酸燃料电池，以弥补相关领域研究上的空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法，所制备的微小型直接甲酸燃料电池可克服现有甲酸燃料电池存在的结构复杂、防腐蚀性能较差以及整体尺寸较大等问题。
本发明采用的技术方案如下：
基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法，包括以下步骤：
1)硅片的加工：采用微加工技术在硅片上制作出蛇形凸起微流道和正方形凸台阵列；
2)带电极电池阴极流场板和带电极阳极流场板的制备：将步骤1)加工后的硅片装配在模具中，注入PDMS胶液，将铜箔嵌入未固化的PDMS材料中，固化后铜箔与PDMS材料一体化，得到PDMS材料的电池阴极流场板，然后将Cr溅射到流场区域和铜箔上，再将Au溅射覆盖Cr，得到带电极电池阴极流场板；采用相同制备方法得到带电极阳极流场板；
3)膜电极(MEA)的制备：将喷涂上阳极催化剂和阴极催化剂的PEM(质子交换膜)与碳纸热压制成膜电极；
4)金属阳极压板和金属阴极压板的制备：将切割好的金属板在浓硫酸中钝化并溅射PTFE进行防腐蚀处理，得到金属阳极压板；采用相同制备方法得到金属阴极压板；
5)封装：封装后得到所述微小型直接甲酸燃料电池。
步骤1)中，所述蛇形凸起微流道的流道宽度可为200～600μm，所述正方形凸台阵列的各正方形凸台相同，正方形凸台的边长可为1～2mm。
步骤2)中，所述PDMS胶液的质量比可为PDMS基体∶PDMS固化剂＝10∶(1～3)。
步骤3)中，所述PEM可选用杜邦公司生产的型号为Nafion115的PEM；所述碳纸可选用日本东丽公司型号为Toray-90的碳纸，碳纸事先经过清洗、旋涂碳粉、高温烧结处理。
步骤3)中，所述阳极催化剂可采用Pt与Ru混合的催化剂粉末，所述阴极催化层可采用Pt和C混合的催化剂粉末；所述热压的工艺条件可为：压力30～60kg/cm2，温度120～180℃，时间可为60～120s。
步骤5)中，所述微小型直接甲酸燃料电池的整体尺寸可不大于40mm×40mm×15mm，有效工作面积可不小于1cm2。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明以微加工技术为基点，在硅片上构筑凸起矩形阵列和蛇形微通道，结合传统的机械加工技术，制作用于成型流场板所需模具，通过微成型，把凸台和微通道转移到PDMS基底上。最后将流场板、膜电极和经过防腐处理的压板封装形成全电池。
本发明通过采用PDMS作为流场板材料，避免使用硅基等材料的流场板中发生流场板变形或破裂的情况，克服甲酸的腐蚀性，简化电池结构，优化整体封装，大幅提升小型燃料电池的输出性能，并实现了甲酸燃料电池的便携性。有效抵御甲酸对铜箔的腐蚀，达到对铜箔的保护作用。
附图说明
图1为本发明实施例所制备的微小型直接甲酸燃料电池的结构分解示意图。
图2为本发明实施例制备带电极阴极PDMS流场板的流程示意图。
图3为本发明实施例制备带电极阳极PDMS流场板的流程示意图。
具体实施方式
参见图1，本实施例所制备的微小型直接甲酸燃料电池的结构，包括膜电极(MEA)1、带有空气通道21的带电极阴极PDMS流场板2、带有蛇形微流道31和进出液通道32的带电极阳极PDMS流场板3、带有空气通道41的铝质阴极压板4和带有进出液通道51的铝质阳极压板5，通过螺栓连接的方式装配在一起。
参见图2，带电极阴极PDMS流场板的制备：(a)运用氧化、光刻和各向异性湿法腐蚀微加工技术在硅片制作凸台大小为1600μm×1600μm的正方形凸台阵列1；(b)硅片放入模具型腔中，喷脱模剂和PDMS胶液2(PDMS基体∶PDMS固化剂＝10∶1)，并嵌入铜箔电极3抽真空后固化。固化温度为80℃，时间为60min；(c)将流场板从模具中抽取，在1600μm×1600μm的正方形凹槽中冲孔以形成空气通道4；(d)采用磁控溅射工艺在微流道及铜箔上溅射Cr5，再将Au6溅射覆盖Cr5，形成阴极电流收集层，以收集电化学反应生成的电子。
参见图3，带电极阳极PDMS流场板的制备：(a)运用氧化、光刻和各向异性湿法腐蚀微加工技术在硅片上制作宽度为400μm的蛇形微通道1；(b)硅片放入模具型腔中，喷脱模剂和倒入PDMS胶液2(PDMS基体∶PDMS固化剂＝10∶1)，并嵌入铜箔电极3抽真空并固化。固化温度为80℃，时间为60min；(c)将流场板从模具中抽取，在微通道两端冲孔以形成进液通道4和出液通道4；(d)采用磁控溅射工艺在微流道及铜箔上溅射Cr5，再将Au6溅射覆盖Cr5，形成阳极电流收集层，以收集电化学反应生成的电子。
膜电极(MEA)制备：将Nafion115膜在H2SO4与H2O2混合溶液中下浸泡2h以上，最后将其放入蒸馏水中煮沸1h以上，并反复用去离子水冲洗；将Toray-90碳纸放入质量分数为5％的聚四氟乙烯乳液中浸泡30min后，将碳粉采用旋涂的方法，均匀地涂抹在碳纸上，载量为1mg/cm2，后在350℃高温下反复2次烧结60min；采用CCM的方法，将Pt与Ru(质量比为3:2)的混合催化剂(粉末)喷涂在质子交换膜(PEM)一侧表面作为阳极催化层，载量为2mg/cm2，并在80℃条件下真空烘干；将Pt与C(质量比为2∶3)的混合催化剂(粉末)喷涂在质子交换膜(PEM)另一侧表面作为阴极催化层，载量为1mg/cm2；将质子交换膜(PEM)和两片碳纸在压力为30kg/cm2，温度为150℃下热压90s，获得膜电极(MEA)。
金属阳极压板和金属阴极压板的制备：将切割好的铝板在浓硫酸中钝化并溅射PTFE进行防腐蚀处理，得到铝质阳极压板；采用相同制备方法得到铝质阴极压板。
封装：将上述制备好的各部件进行封装，封装后得到所述微小型直接甲酸燃料电池。
本实施例所制备的微小型直接甲酸燃料电池的整体尺寸不大于40mm×40mm×15mm，最大输出功率不小于15mW。
Claims (5)
1.基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)硅片的加工：采用微加工技术在硅片上制作出蛇形凸起微流道和正方形凸台阵列；所述蛇形凸起微流道的流道宽度为200～600μm；所述正方形凸台阵列的各正方形凸台相同，正方形凸台的边长为1～2mm；
2)带电极电池阴极流场板和带电极阳极流场板的制备：将步骤1)加工后的硅片装配在模具中，注入PDMS胶液，将铜箔嵌入未固化的PDMS材料中，固化后铜箔与PDMS材料一体化，得到PDMS材料的电池阴极流场板，然后将Cr溅射到流场区域和铜箔上，再将Au溅射覆盖Cr，得到带电极电池阴极流场板；采用相同制备方法得到带电极阳极流场板；所述PDMS胶液的质量比为PDMS基体∶PDMS固化剂＝10∶(1～3)；
3)膜电极的制备：将喷涂上阳极催化剂和阴极催化剂的PEM与碳纸热压制成膜电极；所述热压的工艺条件为：压力30～60kg/cm2，温度120～180℃，时间60～120s；
4)金属阳极压板和金属阴极压板的制备：将切割好的金属板在浓硫酸中钝化并溅射PTFE进行防腐蚀处理，得到金属阳极压板；采用相同制备方法得到金属阴极压板；所述压板采用铝质压板；
5)封装：将金属阴极压板、带电极电池阴极流场板、膜电极、带电极阳极流场板、金属阳极压板，通过螺栓连接的方式依次装配在一起，封装后得到所述微小型直接甲酸燃料电池。
2.根据权利要求1所述基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述PEM选用杜邦公司生产的型号为Nafion115的PEM。
3.根据权利要求1所述基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述碳纸选用日本东丽公司型号为Toray-90的碳纸，碳纸事先经过清洗、旋涂碳粉、高温烧结处理。
4.根据权利要求1所述基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述阳极催化剂采用Pt与Ru混合的催化剂粉末，所述阴极催化剂采用Pt和C混合的催化剂粉末。
5.根据权利要求1所述基于MEMS技术的微小型直接甲酸燃料电池的制备方法，其特征在于：步骤5)中，所述微小型直接甲酸燃料电池的整体尺寸不大于40mm×40mm×15mm，有效工作面积不小于1cm2。
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