隨著移動(dòng)便攜式電子產(chǎn)品(如筆記本電腦、移動(dòng)dianhua等)的普及及其功能的增強(qiáng)，對電源系統(tǒng)的性能提出更高的要求，傳統(tǒng)電源已經(jīng)逐漸無法滿足科技發(fā)展的需要。而具有微小尺寸與高能量密度的微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro-mechanical system，MEMS)微能源技術(shù)日益受到各國研究機(jī)構(gòu)的更多關(guān)注。MEMS微能源在體積、質(zhì)量、壽命、能量密度、補(bǔ)給速度、可靠性、成本等方面均具有顯著優(yōu)勢，能有效解決目前限制微小型電子產(chǎn)品發(fā)展的供能問題。按照能量轉(zhuǎn)換方式，MEMS微能源主要分為基于MEMS技術(shù)的微型發(fā)電機(jī)、微型太陽能電池、微型熱電池、微型核電池、微型鋰電池以及微型燃料電池等種類. 相比于其他類型微能源，微型燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、大功率持續(xù)供電能力強(qiáng)、環(huán)境友好、低溫快速啟動(dòng)、可靠性高及便于集成化等優(yōu)點(diǎn)，是具有廣闊應(yīng)用前景的新型微能源。目前，微型燃料電池的研究工作主要集中于微型質(zhì)子交換膜燃料電池 ( micro proton exchange membrane fuel cell，μPEMFC) 、微型直 接甲酸燃料電池(micro direct formic acid fuel cell，μDFAFC) 、微型固體氧化物燃料電池( micro solid oxide fuel cell，μSOFC)和微型直接甲醇燃料電池(micro direct methanol fuel cell，μDMFC)等4個(gè)方面。μDMFC具有甲醇來源豐富且價(jià)格低廉、燃料易于儲存攜帶且安全性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且不需要燃料重整和凈化以及操作條件簡易等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于便攜式電子產(chǎn)品和微型武器系統(tǒng)的應(yīng)用，也是上微型燃料電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
時(shí)至今日，可充電的鋰離子和鎳氫電池在日常便攜式應(yīng)用領(lǐng)域仍有很強(qiáng)的競爭力，這主要體現(xiàn)在技術(shù)成熟度和生產(chǎn)成本上。但在軍yong單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中，輕量化的微型燃料電池憑借超長的續(xù)航時(shí)間和 快速補(bǔ)給的優(yōu)勢則可完成很多“二次”充電電池?zé)o法完成的任務(wù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，在無人值守傳感網(wǎng)絡(luò)中，微型燃料電池也可作為傳感節(jié)點(diǎn)供電的解決方案。同時(shí)也看到，隨著MEMS微能源技術(shù)的日益成熟，微型燃料電池這一綠色能源已在充電電池、備用電池等領(lǐng)域以低廉的價(jià)格占領(lǐng)市場。
本文針對在產(chǎn)物管理、制造方法、膜電極制備、燃料供給和工作效能等方面與常規(guī)直接甲醇燃料電池的差異，對目前微型直接甲醇燃料電池的國內(nèi)外研究狀況進(jìn)行深入分析，后指出了微型直接甲醇燃料電池面向未來應(yīng)用所需要解決的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。
1 微型直接甲醇燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)
當(dāng)直接甲醇燃料電池整體尺寸縮小至厘米級、組件特征尺寸降低至毫米或微米級、功率范圍處于毫瓦量級時(shí)，稱之為微型直接甲醇燃料電池。但實(shí)際上微型直接甲醇燃料電池不僅在尺寸大小與常規(guī)燃料電池有所不同，而且在產(chǎn)物管理、制造方法、膜電極制備、燃料供給和工作效能等諸多方面都有著很多不同之處，如表 1 所示.
1. 1 氣液兩相流
從工作效能來看，微型直接甲醇燃料電池在輸出功率密度方面與常規(guī)燃料電池并未表現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢。這主要是由于隨著燃料電池反應(yīng)空間的縮小，在常規(guī)設(shè)計(jì)方法中所忽略的一些因素對微型直接甲醇燃料電池性能的影響凸現(xiàn)出來，其中生成產(chǎn)物管理就是其設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素。直接甲醇燃料電池在工作反應(yīng)過程中，陽極是以液相(甲醇溶 液)為主、氣相(生成的CO2)為輔的氣液兩相體; 而陰極相反是以氣相(O2)為主、液相(生成的水和陽極質(zhì)子傳遞攜帶的水)為輔的氣液兩相體。對于常規(guī)直接甲醇燃料電池而言，由于流場溝道尺寸較大，并且在陽極和陰極處配備有泵、風(fēng)扇等輔助設(shè)備來處理生成物，因此對輸出性能影響甚小。而對于微型直接甲醇燃料電池而言，考慮到便攜式應(yīng)用的需要，往往要省去這些輔助設(shè)備或者希望將耗能減至 低，因此表面力等微尺度因素對生成產(chǎn)物的排除和電池性能影響較大。
對于陽極極板流場而言，由于某些區(qū)域會(huì)出現(xiàn) CO2 氣泡堵塞現(xiàn)象，從而會(huì)影響甲醇分子向催化層的傳質(zhì)效率。Lu等深入研究了CO2氣泡的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)表面張力對于陽極氣泡運(yùn)動(dòng)有重要的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明陽極氣液兩相流存在一定的不穩(wěn)定性，如圖1所示。Liao等通過記錄CO2氣泡產(chǎn)生、生長、合并和排放的全過程得出了同樣的 結(jié)論。另外一些學(xué)者也研究了陽極擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)對氣泡行為的影響。Argyropoulos等和Lu等比較 了CO2氣泡在2種常用的擴(kuò)散層(碳布和碳紙) 的生長特性。結(jié)果表明，由于結(jié)構(gòu)和可濕度的不同，氣泡在碳布表面生長速度更均勻、尺寸更小，在碳紙表面則極易出現(xiàn)阻塞流道的大尺寸氣泡。Yoshizawa等認(rèn)為出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是由于碳布和碳紙孔徑大小以及分布不同造成的。Zhang 等的報(bào)道中指出，相對于憎水型擴(kuò)散層，親水型擴(kuò)散層更易獲得均勻分布的小尺寸 CO2氣泡。同樣對于陰極極板來說，由于沒有風(fēng)扇等輔助設(shè)備協(xié)助排水從而造成“水淹”，氧氣向陰極催化劑的傳質(zhì)效率減小，從而降低輸出性能。Jung等的研究表明，在點(diǎn)型或平行流場都會(huì)出現(xiàn)一定的液態(tài)水積聚現(xiàn)象，從而降 低電池的輸出性能。Yang 等發(fā)現(xiàn)普遍使用的圓孔式自呼吸陰極結(jié)構(gòu)無法有效排除生成水。Chen等和 Arisetty等發(fā)現(xiàn)在空氣自呼吸式陰極中，支撐脊下對應(yīng)的擴(kuò)散層區(qū)域生成水含量多，是導(dǎo)致陰極“水淹”現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。另外，相關(guān)研究表明不同的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)和參數(shù)同樣會(huì)對氧氣和水分子的輸運(yùn)產(chǎn)生一定的影響。
國內(nèi)外學(xué)者希望通過對μDMFC流場結(jié)構(gòu)的參 數(shù)優(yōu)化和新型結(jié)構(gòu)的提出從而提高傳質(zhì)效率。Yang 等利用實(shí)驗(yàn)方法研究了陽極流場結(jié)構(gòu)( 平行和單蛇形) 和參數(shù)對電池性能的影響，結(jié)果表明單蛇形流場優(yōu)于平行流場，50%的開孔率和足夠長的流道可以促使電池獲得更高的輸出性能。Wong等同樣通過實(shí)驗(yàn)比較了平行和單蛇形2種不同陽極流場結(jié)構(gòu)對電池性能的影響，并對流道深度進(jìn)行優(yōu)化。Zhang等設(shè)計(jì)并制作了一種具有“microblock”結(jié)構(gòu)單元的新型流場，主要作用是迫使甲醇溶液在陽極進(jìn)行波浪式流動(dòng)，提高傳質(zhì)效率和燃料利用率。Jung等利用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方式分析了點(diǎn)型、平行和單蛇形3種流場結(jié)構(gòu)對電池陰極性能的影響，結(jié)果顯示單蛇形流場表現(xiàn)出jia的輸出性能和穩(wěn)定性，主要原因是它可以保證氧氣均勻傳質(zhì)以及生成水快速的排出。Xu 等設(shè)計(jì)了一 種改進(jìn)型單蛇形流場，在保證流場有效面積不變的情況下增加了相鄰流道之間的壓降，測試結(jié)果表明這種流場結(jié)構(gòu)可以有效增加擴(kuò)散層中反應(yīng)分子的傳質(zhì)系數(shù)，并可以加快陰極生成水的排放速度。Peng等在微型直接及甲醇燃料電池陰極側(cè)添加水管理設(shè)備，利用MEMS工藝在其上制作微溝道以及氣 窗，對溝道表面進(jìn)行親水處理，氣窗孔壁進(jìn)行疏水處理。測試結(jié)果表明可以有效排出和收集陰極的水。類似的方法和成果也在Wang的研究工作中得以體現(xiàn)，如圖 2 所示。
1. 2 材料和加工技術(shù)
微型直接甲醇燃料電池的加工費(fèi)用占整個(gè)燃料電池費(fèi)用的60%～70%，所以對加工技術(shù)進(jìn)行研究著眼于降低成本的同時(shí)提高電池的輸出性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。MEMS技術(shù)是聯(lián)合電子和機(jī)械元件組成集成化微器件或系統(tǒng)的一種加工技術(shù)，它采用可大批量制造的微電子工藝和微機(jī)械加工技術(shù)，并且特征尺寸在μm到mm之間。MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展為微型直接甲醇燃電池的加工與制作提供了新的實(shí)現(xiàn)途徑。經(jīng)過10年來的技術(shù)發(fā)展，微型直接甲醇燃料電池極板的加工方式已不局限于傳統(tǒng)的硅基MEMS技術(shù)。越來越多的研究機(jī)構(gòu)正采用石墨、不銹鋼、聚合物等材料利用微機(jī)械加工、激光雕刻、真空濺射、化學(xué)刻蝕、陽極氧化等復(fù)合工藝方法實(shí)現(xiàn)陰、陽極的流場和多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)。
硅是微型直接甲醇燃料電池常用的極板材料。因?yàn)楣璨牧系目垢g性和抗氧化性都很好，基于硅的MEMS加工技術(shù)(氧化、光刻、腐蝕、濺射等)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且硅基微型燃料電池更容易和其 他器件集成在芯片上，硅基微型直接甲醇燃料電池極板的基本制作過程如圖3所示。美國 Minnesota大學(xué)Kelly等和朗訊公司Bell實(shí)驗(yàn)室Meyers等首先發(fā)表了硅基MEMS微型燃料電池的研究成果: Kelly 等采用MEMS工藝加工硅片制成有效面積為0. 25cm2的μDMFC極板，但性能不高; Meyers 等則分別制作了“三明治”和“平面集成式”( 陰陽極在同側(cè)) 2 種結(jié)構(gòu)的硅基微型燃料電池。早期的硅基MEMS微型燃料電池與常規(guī)燃料電池相比性能偏低，其中主要原因是硅極板與膜電極接觸電阻過大，造成的損耗過多，針對這一問題各國的研究機(jī)構(gòu)開展了一系列相應(yīng)的研究。2004 年，Pennsylvania 大學(xué)Lu等報(bào)道的硅基μDMFC性能有了較大提高，他們利用電子束蒸鍍法在硅極板表面沉積了Cr/Cu /Au的厚金屬復(fù)合層，成功降低了接觸電阻，電池功率密度常溫下達(dá)到16mW/cm2左右，60 ℃達(dá)到50mW/cm2左右。另外還提出了一些新結(jié)構(gòu)和制作方法的微型直接 甲醇燃料電池。2004 年Motokawa等利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新型微型直接甲醇燃料電池，將陰極和陽極催化劑都置于質(zhì)子交換膜的同一側(cè)，反應(yīng)面積為0. 018cm2。此方法可以有效降低甲醇滲透，但大缺點(diǎn)是DMFC需要有固定的放置方式，而且大輸出功率密度僅為0. 78mW/cm2。2007年，Zhang 等利用濕法刻蝕與濺射工藝制成具有Cr/Pt(20nm/150nm)金屬薄膜的硅基μDMFC極板，電池開路電壓可達(dá)0.74V，另外它們還利用納米壓印(nanoimprint)技術(shù)對PEM進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)了PEM與催化劑層之間的結(jié)合力，但輸出性能和穩(wěn)定性較差。
以聚合物為極板材料的微型直接甲醇燃料電池的興起源于近幾年非硅 MEMS 技術(shù)以及復(fù)合材料技術(shù)的成熟發(fā)展。例如: 表面微加工工藝、熱壓技術(shù)、軟光刻技術(shù)以及激光加工技術(shù)等非硅MEMS技術(shù)，主要 應(yīng)用的材料有聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA) 、聚二甲基硅氧烷 ( polydimethylsloxane，PDMS) 、光敏玻璃以及SU-8感光膠等。Takeshi等以光敏玻璃為極板材料提出一種新穎的微型直接甲醇燃料電池的制作方法，實(shí)驗(yàn)證明這種新型制作工藝可以很好地減小接觸電阻，并且能防止燃料的泄露。但是聚合物極板的瓶頸在于它的導(dǎo)電性較差，會(huì)影響進(jìn)一步應(yīng)用。韓國成均館大學(xué)Cha等利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)以SU-8感光膠為極板材料的微型直接甲醇燃料電池，總體厚度只有500μm(包括膜電極的厚度) ，依靠濺射在SU-8極板表面的Pt線來收集電流，如圖4所示. 實(shí)驗(yàn)測試表明其大輸出功率密度可達(dá)8mW/cm2。Weinmueller等也利用 SU-8為極板材料，表面濺射Au來收集電流，其考察了電池在2種彎曲情況下(C型彎曲和S型彎曲) 的性能曲線。結(jié)果顯示在 2 種彎曲情況下電池性能沒有明顯的下降。
隨著微精密機(jī)械加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，近幾年采用金屬作為微型直接甲醇燃料電池極板材料逐漸進(jìn)入國內(nèi)外學(xué)者的視線. Lu 等利用光化學(xué)刻蝕技術(shù)加工500μm厚不銹鋼板制作μDMFC極板，并在其表面淀積0.5 μm的Au來降低內(nèi)阻和防止腐蝕，常溫情況下電池大功率密度可以達(dá)到34mW/cm2，優(yōu)于硅基μDMFC的性能，但沒有提及電池的具體封裝過程。Zhang等利用微chong壓技術(shù)在不銹鋼材料加工出陰、陽極板，制作了有效面積為0.64cm2的微型直接甲醇燃料電池，如圖5所示，40 ℃時(shí)gao輸出功率密度可達(dá)65. 66mW/cm2。Chen等、Chan 等近幾年來在基于不銹鋼材料的被動(dòng)式μDMFC研究方面也取得了很大的進(jìn)展，他們利用線切割技術(shù)制作的不銹鋼材料極板用于μDMFC單體及電池組中均獲得良好性能輸出。
1. 3 膜電極組件制備
膜電極制備的好壞與微型直接甲醇燃料電池性能緊密相關(guān)，因此一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前微型直接甲醇燃料電池膜電極的制備方法可以分為兩大類: 一類是在傳統(tǒng)尺寸燃料電池膜電極制備工藝基礎(chǔ)上(如CCM和GDE法) ，對尺寸進(jìn)行等比例縮小，并考慮產(chǎn)物排除和甲醇滲透等問題進(jìn)行工藝改進(jìn); 另一類是直接采用MEMS工藝進(jìn)行膜電極的制備，尤其當(dāng)微型燃料電池縮小到毫米級甚至更小時(shí)，傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)，需要采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)膜電極的制備工藝.
膜電極是由質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM) 、電催化劑以及氣體擴(kuò)散層三大部分構(gòu)成，其中質(zhì)子交換膜是膜電極的核心部件。目前上普遍使用的PEM是Dupont公司生產(chǎn)的Nafion系列全氟磺酸型PEM，然而這種膜存在甲醇滲透問題在陰極處會(huì)形成附加反壓，對電池性能產(chǎn)生很大的影響。因此，進(jìn)行改性處理以得到高阻醇性能的PEM成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。Hobson等采用低能電子束轟擊Nafion膜表面的方法，在PEM表面形成了一個(gè)1. 5μm厚的阻醇薄層，薄層中孔徑較小，選擇透過水分子而抑制了較大的甲醇分子，有效降低了甲醇滲透率。Kim等將Nafion膜放入 PbCl2溶液中浸泡后再放入NaBH4溶液還原制得Pd-Nafion復(fù)合膜，阻醇性能比原來大大提高， 只是電導(dǎo)率略有下降。Liu等利用 γ-射線輻照結(jié)合表面化學(xué)鍍鈀方法對Nafion117膜進(jìn)行改性處理，有效降低了甲醇滲透率，同時(shí)又保證了PEM的質(zhì)子電導(dǎo)率.
電化學(xué)催化劑直接影響燃料電池的性能、壽命以及穩(wěn)定性，在微型直接甲醇燃料電池中廣泛使用的電催化劑一般是Pt/C( 陰極)和Pt-Ru /C( 陽 極)。Liu等設(shè)計(jì)并制作了一種新型雙催化層膜電極并將其應(yīng)用于微型直接甲醇燃料電池，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相同的催化劑載量，采用雙催化層結(jié)構(gòu)膜電極的電池要比采用單催化層的性能好，而且還能有 效地抑制甲醇滲透以及促進(jìn)CO2氣體的排放。Ahmad等優(yōu)化了催化劑載量，與傳統(tǒng)催化劑載量相比，將陽極催化劑載量提高到5mg /cm2，陰極催化劑載量降低到0. 5mg/cm2，大大提高了被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池的性能。近些年來，碳納米管 ( carbon nanotubes，CNTs)以其*的結(jié)構(gòu)、良好的物理和化學(xué)特性被越來越多的用于微型直接甲醇燃料電池的催化劑載體來代替碳黑材料。Ocampo等發(fā)現(xiàn)應(yīng)用多壁碳納米管比傳統(tǒng)的碳黑材料電催化活性更高，得到的電池性能也更好。Guo 等用電化學(xué)方法將單壁CNTs表面氧化形成含氧官能團(tuán)，并將Pt粒子沉積在單壁CNTs上，發(fā)現(xiàn)該催化劑增強(qiáng)了陽極電催化活性，并且增加了Pt的利用率。Chen 等同樣利用碳納米管作為催化劑載體制作電極，成功限制了CO2氣泡的生長，并加速了這種微氣泡的排放.
氣體擴(kuò)散層一般以碳紙、碳布等材料為主，但針對微型直接甲醇燃料電池的特點(diǎn)也有學(xué)者研究采用新型材料和結(jié)構(gòu)來作為氣體擴(kuò)散層。Gao等利用碳納米管作為氣體擴(kuò)散層的主材料，通過掃描電鏡、交流阻抗測試等手段，證明此擴(kuò)散層具備更好的傳質(zhì)和電傳導(dǎo)特性。Kamitani等將催化層與氣體擴(kuò)散層之間增加一層大孔徑憎水層，不但起到了甲醇的緩釋效應(yīng)，還增強(qiáng)了CO2氣泡的排放速率，提高了電池性能以及燃料利用率。Zhang等利用不銹鋼網(wǎng)為附加擴(kuò)散層，大大提 高了微型直接甲醇燃料電池性能，并分析了不同 目數(shù)的不銹鋼網(wǎng)對電池性能的影響。另外考慮到多孔硅具有多孔結(jié)構(gòu)和大的表面體積比、適合MEMS工藝等特點(diǎn)，成為了氣體擴(kuò)散層的備選材料。鄭丹等使用單晶硅為原材料來加工多孔硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳布和碳紙作為擴(kuò)散層，其厚度可以控制到幾十微米。在相同催化劑載量下與碳紙比 較，循環(huán)伏安測試曲線表明性能要優(yōu)于碳紙. 由于 多孔硅可以通過硅片的電化學(xué)腐蝕方法直接得 到，因此擴(kuò)散層與流場板可以直接集成在同一個(gè)硅片上. Feng等在高摻雜硅片的表面利用化學(xué)氣相沉積和 ICP 深反應(yīng)離子刻蝕方法在硅片表面 形成了亞微米級的柱狀結(jié)構(gòu)。并進(jìn)行電化學(xué)沉積制備 Pt-Ru 催化劑，循環(huán)伏安試驗(yàn)表明利用該方法 制備的催化電極與高比表面積的碳載催化劑的催化效果基本相等，表現(xiàn)出很高的甲醇催化活性。
1. 4 電池結(jié)構(gòu)
直接甲醇燃料電池分為主動(dòng)式與被動(dòng)式2種結(jié)構(gòu)。主動(dòng)式是指需要利用如泵、閥等有源輔助器件控制燃料供給，這樣會(huì)增加系統(tǒng)體積和減小功率輸出，不利于作為便攜式電源應(yīng)用; 被動(dòng)式不需要外加動(dòng)力源為其補(bǔ)充燃料，燃料腔體直接與電池相連形成整體，更類似于傳統(tǒng)使用的化學(xué)電池，因此系統(tǒng)體積小、便于攜帶、無需消耗電能維持工作，適宜成為微小型電源供應(yīng)系統(tǒng)。但與主動(dòng)式相比，目前被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池性能較低，發(fā)展較慢。2004 年，Guo等開始致力于研究被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的燃料供給系統(tǒng)，利用 PTFE 材 料對水和甲醇不同吸附能力( 虹吸原理) ，實(shí)現(xiàn)了純甲醇燃料供給的直接甲醇燃料電池。2007年，趙鋒良等利用陰極返水結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了純甲醇進(jìn)料的被 動(dòng)式直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，對陰極擴(kuò)散層碳粉載量對電池性能影響進(jìn)行了分析. 2007年，Wong 等采用多孔金屬網(wǎng)作為被動(dòng)式 DMFC 的陰極集流板，實(shí)驗(yàn)得出網(wǎng)格尺寸越小其輸出性能越高( 接觸阻抗較小) . 2008 年，Torres 等利用雙面深反應(yīng)離子刻蝕( deep reactive ion etching，DRIE) 技術(shù)制作出被動(dòng)式硅基 μDMFC，如圖 6 所示，極板表面淀積金屬層為超過4μm厚的 Ni /Au層，電池gao功 率密度達(dá)10mW/cm2。2009 年 Esquivel 等進(jìn)一 步對被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池集流板對性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和研究，結(jié)果表明集流板開孔率不僅會(huì)影響輸出功率而且與極化曲線的重復(fù)性有關(guān)。2011 年D'urso等和 Shen 等提出了一種新穎的平面電池結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將燃料電池的陰陽極置于 MEA 的同一側(cè)，有利于燃料管理和高度集成，但電池的性能較低，功率密度小于 3 mW/cm2 .
2 μDMFC 性能表現(xiàn)與面臨的主要挑戰(zhàn)
2. 1 性能表現(xiàn)
表2給出了國內(nèi)外關(guān)于微型直接甲醇燃料電池的研究成果。從表中可以看出，目前微型直接甲醇燃料電池極板加工主要是以硅和金屬( 不銹鋼為主) ，而且采用金屬所完成的微型燃料電池性能更高些，部分研究已經(jīng)接近或者達(dá)到100mW/cm2，與常規(guī)尺寸的直接甲醇燃料電池性能拉近距離; 雖然被動(dòng)式微型直接甲醇燃料電池性能有所提高，但相對主動(dòng)式來說仍相差較大，一些關(guān)鍵技術(shù)仍有待研究; 大多數(shù)研究沒有給出微型直接甲醇燃料電池的能量效率，只有Zhang等在論文中給出了所完成的微型直接甲醇燃料電池在40℃時(shí)，能量效率可達(dá)30% ，但與常規(guī)直接甲醇燃料電池效率仍相差較大。以上分析可知雖然微型直接甲醇燃料電池研究近幾年取得了一些重要進(jìn)展，但是面臨應(yīng)用仍有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。
2. 2 主要挑戰(zhàn)
通過上述對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜合分析可見，雖然近年來微型直接甲醇燃料電池的研究和開發(fā)取得了一定進(jìn)展，但是還存在許多限制其發(fā)展的關(guān)鍵 問題亟待解決，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.
2. 2. 1 甲醇滲透
甲醇滲透是制約微型直接甲醇燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵問題。在微型直接甲醇燃料電池中，部分未參與電化學(xué)反應(yīng)的甲醇分子會(huì)由陽極直接穿越 PEM 到達(dá)陰極，即甲醇滲透現(xiàn)象。甲醇滲透會(huì)對微型直接甲醇燃料電池性能造成不良的影響，主要有 2 點(diǎn)：
1) 滲透到陰極的甲醇分子會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生混合過電位，降低微型直接甲醇燃料電池的工作電壓
2) 造成燃料的浪費(fèi)，以及產(chǎn)生多余的熱量.
催化劑活性較低是另一個(gè)阻礙微型直接甲醇燃料電池的技術(shù)難題，特別是低溫條件下的陽極催化劑氧化反應(yīng) 活性有待提高。另外，如果陽極催化劑活性提高，則會(huì)加快甲醇消耗，導(dǎo)致滲透量減少，還可以降低甲醇滲透的負(fù)面效應(yīng)。
2. 2. 2 兩相流管理
CO2氣體對電池性能有很大影響，具體表現(xiàn)在3個(gè)方面:
1) 占據(jù)催化層表面的活性位置，阻止反應(yīng)物顆粒與催化劑顆粒直接接觸，降低電化學(xué)反應(yīng)效率;
2) 占據(jù)擴(kuò)散層中的孔隙并向流道方向運(yùn)動(dòng)，形成與反應(yīng)物流動(dòng)反方向的對流，阻礙甲醇分子傳質(zhì);
3) 由于微型直接甲醇燃料電池極板流道尺寸為微米級，因此CO2氣泡極易堵塞流道，不僅會(huì)占據(jù)流道與擴(kuò)散層之間的有效面積，還會(huì)對溶液正常流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻力，并增加外界供液裝置的動(dòng)力損耗。
所以，通過了解電池陽極CO2氣體的運(yùn)動(dòng)特性及分布規(guī)律，建立的陽極 CO2氣體管理機(jī)制，才能保證CO2氣體快速排放，進(jìn)而提高電池性能。水分子在陰極催化層表面生成后，通過擴(kuò)散層進(jìn)入陰極流 道，如果氣體流速過低，則會(huì)導(dǎo)致一部分液態(tài)水無法有效排出，即產(chǎn)生所謂的陰極水淹現(xiàn)象。陰極水淹現(xiàn)象會(huì)阻塞多孔擴(kuò)散層的孔隙以及陰極的流道，嚴(yán)重阻礙氧氣或空氣的傳輸，導(dǎo)致陰極供氣不足，濃差極化增大，電池性能大幅度下降。所以，陰極生成水應(yīng)該迅速排出。但是同時(shí)，質(zhì)子交換膜應(yīng)該具有一定的含水量，以保證良好的傳質(zhì)性?？梢娢⑿椭苯蛹状既剂想姵仃帢O的水管理具有一定的復(fù)雜性，是制約電池性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。由于陰極供氧式微型直接甲醇燃料電池的高速氧氣氣流可以將生成水迅速排出，因此目前的陰極水管理研究主要針對于空氣自呼吸式 μDMFC，其陰極水淹現(xiàn)象只有依靠電池關(guān)鍵組件的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來解決.
2. 2. 3 電池組加工與集成
將來微型直接甲醇燃料電池的便攜式應(yīng)用將是高度微型化與集成化的系統(tǒng)，但是目前還存在2點(diǎn)問題:
1)電池組件的高精度制備與加工周期較長，或者無法在規(guī)模化生產(chǎn)的前提下達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求;
2)將多個(gè)微型直接甲醇燃料電池單體集成為電池組以后，單體工作參數(shù)的均一性無法得到保證，并且還存在反極、泄漏等其他問題，所以對其電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。
3 結(jié)論
1) 微型直接甲醇燃料電池在PDA、手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)型產(chǎn)品和無人機(jī)、單兵、野外偵察等微小型武器系統(tǒng)中都具有廣闊的應(yīng)用前景.
2) 微型直接甲醇燃料電池性能仍低于其理論值，其原因是核心技術(shù)上還存在一系列的科學(xué)技術(shù)問題亟待解決，特別是在物質(zhì)傳輸、甲醇滲透、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料加工等方面需要深入、系統(tǒng)的研究。
3) 為達(dá)到便攜式電子設(shè)備對電源的需求，微型直接甲醇燃料電池必然需要以電池組的形式對外供電，所以亟需開展對電池組封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行壽命的研究.
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