自适应式微型直接甲醇燃料电池研究

微型直接甲醇燃料电池（μDMFC）是目前MEMS微能源领域的研究热点，因其结构简单、能量密度高、燃料易于储存携带等特点有望成为未来微系统中最具前途的能源方式。基于MEMS技术的μDMFC研究包括基础理论、制造技术和集成封装等方面，采用新结构是目前提高电池性能的重要手段之一。本课题提出一种自适应式微型直接甲醇燃料电池新结构，旨在提高输出性能与工作稳定性。结合电学、热学、化学以及微流体动力学建立基于微尺度效应的μDMFC多物理场耦合模型对电池结构进行设计，依据甲醇流速、温度和电流密度等参数之间的制衡关系，提出一种"热控流速"微阀结构来自主适应负载变化的需要。对膜电极制备、微纳制造和集成封装等关键技术展开研究，利用MEMS技术实现自适应式μDMFC，进行性能分析并验证新结构。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，研究成果对MEMS技术发展具有重要意义。

本课题结合电学、热学、化学以及微流体动力学等对电池结构进行设计，依据甲醇流速、温度和电流密度等参数之间的制衡关系，提出一种自适应结构并利用微加工技术实现自适应式µDMFC，进行性能分析并验证新结构。主要取得了以下创新性成果：（1）提出了基于响应面方法的微型直接甲醇燃料电池模型，建立了最佳供给速度与甲醇浓度和工作电流的关系，实验测试结果表明：甲醇浓度、溶液流速和工作温度均对电池性能存在显著而复杂的影响，通过对实验作参数的优化可以增强甲醇传质，从而大幅度提高了电池的输出性能；（2）利用微精密加工技术实现了微型直接甲醇燃料电池，有效面积为8×8×1.5 mm3（计划核心尺寸15×15×5mm3），室温下输出开路电压660mV，室温下最大输出功率密度50.59 mW/cm2（计划最大输出功率密度不小于30mW/cm2），已报道文献中性能居于前列；（3）基于响应面分析方法，提出并设计了阳极自适应供给方式，并将其应用于自呼吸式µDMFC单体及电池组，对系统动态性能及稳定性进行了全面的测试与分析。. 项目实施过程中全面完成了申请书各项内容，在国内外期刊发表学术论文21篇（全部被SCI检索），影响因子总和达50以上（计划发表学术论文不少于10篇，其中SCI或EI检索不少于6篇）；申请国家发明专利7项，其中1项获得授权（计划不少于3项）；培养博士研究生4名（其中毕业3名），硕士研究生4名（其中毕业3名）。