基於MEMS的矽基微型燃料電池關鍵工藝與材料的基礎研究

《基於MEMS的矽基微型燃料電池關鍵工藝與材料的基礎研究》是依託清華大學，由王曉紅擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：基於MEMS的矽基微型燃料電池關鍵工藝與材料的基礎研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王曉紅
• 項目類別：重點項目

項目摘要

隨著攜帶型電子產品、無線感測網路的迅猛發展，微型能源成為其發展的瓶頸，而環保、高效的微型燃料電池的研究正是其前沿方向之一。直接甲醇燃料電池（DMFC），由於具有能量密度高、可低溫工作、環保、且液體燃料供給與儲運方便等特點，成為微型能源的最佳候選者。本項目結合MEMS技術與材料、電化學技術，致力解決微型DMFC面臨的主要基礎問題，從以下幾個方面研究基於MEMS技術的微型燃料電池的關鍵工藝和材料的科學問題：研究矽基質子交換膜的質子傳輸機理，利用MEMS技術製造穿通的納米多孔矽膜作質子交換膜的載體，結合Nafion溶液形成矽基質子交換膜；探索新型高催化活性、高穩定性、低載量、阻醇的電催化材料，以及矽基微型DMFC金屬催化劑的上載方法；研究陽極微流體燃料自驅動機理及其實現方式，進行陰極排水機理的研究，實現陰極水的收集和排出。在機理和關鍵工藝研究的基礎上，實現基於矽基質子交換膜的微型DMFC。

結題摘要

本項目是微電子學與材料科學，電化學的成功交叉與結合，主要研究基於MEMS的矽基微型燃料電池工藝與材料中的科學問題和關鍵技術，並在此基礎上拓展了矽基微型儲能器件的研究。本項目在微型直接甲醇燃料電池和微型超級電容的結構設計、製作，以及相關催化材料、電極材料等方面取得了一定的成果。研究了高性能鉑基催化劑，從尺寸控制、電子結構控制、形狀控制等方面設計併合成了高性能催化劑，其性能較商用催化劑有明顯提高；開展了多孔矽基質子交換膜以及催化劑直接上載的研究工作，針對多孔矽基質子交換膜的關鍵機理和工藝進行研究，實現了與MEMS工藝兼容的多孔矽基質子交換膜，且性能可與商用Nafion膜相比擬，採用化學鍍和表面控制相結合的方法在多孔矽表面原位上載高性能三維鉑納米化催化劑，具有商業碳載催化劑1.82倍的活性；研究並建立了直接甲醇燃料電池陰陽極流場氣液兩相模型，對結構設計具有指導意義，並探究了微尺度下兩極流場傳輸機理，進而設計被動式供給方式，提高器件綜合性能，探索了氣相供給機理與實現方法，提高了燃料利用率，基於模型提出陰極水管理的方法；為面向實用供電需求，研究了微型直接甲醇燃料電池的封裝技術，減少了封裝過程中的活動組件，降低封裝難度，並通過電池組設計，實現了電壓可調、供電長期穩定的單元，峰值功率達110mW；研究了微型超級電容儲能器件的關鍵要素，提出三維自支撐電極結構，實現了具有良好綜合性能的器件，並通過贗電容材料對電容架構的最佳化以及隔膜對電極厚度和穩定性的最佳化，實現了具有311mF/cm2，270uWh/cm2高能量密度的器件，並創造性提出了可圓片級加工的直接成型納米多孔材料到器件的結構體系和加工方法，基於此通過功能材料修飾實現高容量超級電容並在電化學感測器方面拓展了其套用。在本項目執行期間，本項目組在國內外重要期刊和會議上發表論文44篇，其中SCI收錄24篇，EI收錄20篇，包括MEMS領域高水平會議MEMS和Transducers論文14篇，申請國家專利 項。