MEMS微型燃料电池堆结构设计与系统集成技术研究

As a most potential micro power source device, micro fuel cell become an emphasis of MEMS technology due to their advantages of high power density, long operating time, short start-up time and so on. Though micro fuel cell stack assembles single micro fuel cell units and forms a stack structure to meet the demand of practice application, there are still many defects in theory models, structure designs and system integrations which limit the development of practicality. This project comes up with an equivalent circuit model of micro fuel cell stack structure based on the mathematical of micro fuel cell unit and optimizes the connecting methods, fuel supply modes and so on. Moreover, it also ameliorates the fabrication and the encapsulation technology, the fuel cell stack sample was both validated in theory and tested practically. What's more, a comprehensive design method based on micro fuel cell system is found and the micro power source system based on the micro fuel cell is tested. This task involves in electronic, chemistry, material and new energy. As an advanced multi-subject task, it will be very important in the new MEMS micro power source technology.

微型燃料电池是MEMS技术领域的研究热点，因其能量密度高、持续工作能力强、快速启动等优点有望成为微系统中最具前途的微能源方式。MEMS微型燃料电池堆是将各个单体集成形成堆结构来满足实际应用需求，目前在理论建模、结构优化和系统集成等方面的不足限制了实用化的发展。本课题在微型燃料电池单体数学模型的基础上提出了MEMS微型燃料电池堆结构的等效电路模型,对级联方式和燃料供给模式等进行优化设计；突破MEMS微型燃料电池堆集成结构加工、封装等关键技术，对电池堆样品进行了性能测试与模型验证；提出了一种基于MEMS微型燃料电池的微能源系统综合设计方法，实现基于MEMS微型燃料电池的微能源系统，进行系统测试并验证设计方法。本课题研究涉及到电子、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，将为新一代MEMS微能源技术在微系统和电子系统的应用奠定坚实的科学与技术基础。

微型燃料电池是MEMS 技术领域的研究热点，因其能量密度高、持续工作能力强、快速启动等优点有望成为微系统中最具前途的微能源方式。MEMS 微型燃料电池堆是将各个单体集成形成堆结构来满足实际应用需求，目前在理论建模、结构优化和系统集成等方面的不足限制了实用化的发展。课题研究目标是在前期工作基础上提出MEMS 微型燃料电池堆结构模型并进行优化设计，突破集成结构加工、封装等关键技术，实现电池堆样品进行了 性能测试与模型验证；在此基础上实现基于MEMS 微型燃料电池的微能源系统，进行系统测试。. 本项目首先采用“灰匣子模型”理论方法建立 MEMS微型燃料电池堆的等效电路模型；利用模型进行仿真分析了燃料浓度、温度等参数对电池堆极化特性的影响，对微型燃料电池堆结构进行了优化设计；在此基础上采用微加工方法实现了微型燃料电池堆微反应腔及微沟道并完成电池堆封装，进行性能分析并验证理论模型；实现了基于MEMS微型燃料电池的微能源系统并完成了性能测试分析。MEMS微型燃料电池堆样品有效尺寸20×20×10 mm3（计划核心尺寸20×20×10mm3），室温下输出电压1.8——5V多路稳定输出，室温下最大输出功率密度545mW（计划最大输出功率不小于500mW）。在国际SCI检索期刊发表学术论文 19 篇，影响因子总和达60以上（计划发表学术论文不少于 12 篇，其中 SCI 或 EI 检索不少于 8篇）；专著两篇；申请国家发明专利8项，其中获得专利授权5 项（计划申请发明专利不少于4 项）；培养博士研究生毕业 4 名（其中1人获得2016年中国电子学会优秀博士论文提名奖），硕士研究生毕业5 名。本项目全面地超额完成了计划书所规定的各项任务。. 本课题研究涉及到电子、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，所取得研究成果将为MEMS 微能源技术在微系统和电子系统的应用奠定坚实的科学与技术基础。