利用MEMS制作微型携带用燃料电池组件

微型燃料电池的发展动向

2000年初美、日等国外研究单位相续采用MEMS技术开发微型燃料电池，其中以Kelly氏发表的硅隔板(Silicon Separator)微型燃料电池(图8)结构最单纯，接着其它研究单位也陆续推出同类型燃料电池，这些电池的Cell心脏部位亦即‘阳极触媒’、‘离子传导薄膜’、‘阴极触媒’，都是沿用传统PEFC的薄膜?电极组合(MEA: Membrane Electrode Assembly)，所谓MEA是利用热压缩(Hot Press)技术将触媒薄膜粘贴在PEM两面。

传统PEFC以隔板将MEA挟持锁定，结构上必需组合复数组件，因此不适合利用MEMS技术制作，因此Morse氏在硅基板上依序制作阳极、PEM、阴极薄膜，进而构成图8(b)所示微型燃料电池，阳极与阴极薄膜利用溅镀法制作，PEM薄膜则利用旋转涂布法(Spin Coating)制作，因此可以获得一体化(Monolithic)结构，该微型燃料电池以氢作为燃料，90℃时可以达成3.8mW/cm2的输出密度。

图8 微型燃烧电池内部结构

由于燃料电池单Cell电压通常只有0.4~0.8V左右，因此复数Cell串联连接成为提高电压常用手段。如图9所示主要电池连接方法有四种，图9(a)是一般燃料电池采用的连接方式，这种连接方式又称为「双极储备(Bipolar Stocking)」。

图9(b)~(d)的连接方式在基板上制作微细结构，一般认为这种方式比较适合使用MEMS加工制作。

图9(c)复数Cell串联连接构成的燃料电池，虽然这种方式必需将燃料传送到电池两侧，不过从电池一端到对向侧相异基板之间却不需要导线连接，若与图9(b)连接方式比较，它的组装与布线等作业相对比较容易，因此Lee氏的微型燃料电池也采用这种称为「Flip Flop Interconnection」串联连接方式。

图9(d)是将复数Cell串联连接成一体状的另一种连接方式，由于试作时与PEM触媒电极的密着性不足，所以只能获得1μW/cm2等级的输出密度，不过Mayers与Maynard氏针对阴极与阳极对向结构进行理论计算，根据计算结果显示种方式必可以获得40%左右的体积输出密度，Motokawa氏根据上述结构试作微型DMFC，使用添加硫酸的甲醇水溶液时，可以获得0.78mW/cm2的输出密度。

除此之外研究人员应用溅镀技术在Porous Silicon表面制作触媒电极，D·Arrigo与Hayase氏则以电解电镀法取代溅镀技术，试图获得更高性能的触媒电极。

使用网版印刷技术将白金Carbon Paste图案化制成触媒电极的Pichonat氏将质子(Proton)传导性树脂?(Nafion, Du-PONT)浸泡于Porous Silicon，再将它当作PEM制成微型燃料电池；Gold氏则将Porous Silicon浸泡于硫酸制成PEM，一连串繁琐加工主要目的希望PEM不易受到生成水或是甲醇膨润，进而防止PEM剥落。

图9 Cell串联连接方式

结语

以上介绍利用MEMS技术制作阀、改质器、喷射器等微型燃料电池组件，以及微型燃料电池的发展动向。
目前可携式电子产品大多使用锂离子电池或是镍氢电池，不过传统充电电池的能量密度极限以及恼人的充电时间，造成使用自由度受到大幅限制，因此微型燃料电池的发展受到全球高度重视，其中又以日本厂商最积极。事实上已经有部份行动电话已经开始使用微型燃料电池，一般认为随着次世代行动电话问世，未来微型燃料电池势必成为可携式电子产品主要电力来源。