电流体驱动雾化层-层纳米结构可控沉积的一体化MEMS燃料电池膜电极研究

在项目组前期工作基础上，以MEMS燃料电池膜电极为研究对象，针对基于热压工艺的传统膜电极各功能结构层之间界面分层导致的燃料电池性能衰减问题，首次提出基于电流体驱动雾化机理的层-层纳米结构可控沉积方法，用于获得具有内部材料和结构有序梯度渐变的一体化MEMS燃料电池膜电极。深入研究一体化膜电极各功能层预混悬浮液/溶液的电流体驱动雾化机理，探明雾化参数、材料成份等因素对成膜结构及其性能的影响规律；研究基于电流体驱动雾化成型的一体化膜电极沉积结构与性能之间的对应关系，为提高一体化膜电极性能提供科学依据。目前国内外尚未见有同类研究报道，研究成果将对MEMS燃料电池设计及制备具有理论参考及实际应用价值。

在国家自然科学基金项目资助下， 利用电流体驱动雾化层-层纳米结构可控沉积技术，制造了具有材料和结构有序渐变的一体化膜电极。构建了电流体驱动雾化层-层沉积实验加工平台，研究了雾化参数对功能层悬浮液/溶液稳定锥柱模式的影响关系，获得了雾化参数对锥柱模式几何特征的影响规律，得到了功能层纳米悬浮液/溶液锥柱模式的边界条件；研究了雾化参数与沉积滴尺寸的关系，并基于Gañan-Calvo纯液体雾化理论，获得了雾化参数与纳米悬浮液沉积滴尺寸预测方程，得到了功能层纳米级沉积滴的可控沉积方法；研究了雾化参数与扩散微孔层、催化层、质子交换膜结构的影响关系，获得了各功能层的电流体驱动雾化层-层沉积成型控制方法，建立了雾化参数与催化功能层孔隙率的预测方程并沉积成型各种结构催化层，测试结果表明，阴阳极催化层随着孔隙率的增大，电化学活性面积增大，电池性能增强，催化剂的比功率达45.5mW mg-1，接近当前国际先进水平，显示出良好的应用前景；结合各功能层的电流体驱动雾化层-层沉积成型规律，沉积成型了具有材料和结构渐变的一体化膜电极，并组装成MEMS甲醇燃料电池，结果表明，电池工作40小时无明显电压下降，疲劳试验后膜电极各功能层能仍保持紧密结合结构，普遍存在的膜电极功能层分层现象得到明显改进，可靠性得到提高。项目研究成果将对微型燃料电池相关技术和理论的发展具有重要推动作用。