利用MEMS制作微型携带用燃料电池组件

上述微型燃料改质器的甲醇水蒸汽改质与氢之间可以作自立性触媒燃烧，不过受限于触媒的性能，因此氢的发生量相当于200mW，热效率也只有6%左右。

图4 具备自我支撑薄膜结构的燃料改质器

图5的微型燃料改质器主要特征是在触媒燃烧器两侧设置甲醇水蒸汽改质反应堆与燃料蒸发器，改质器整体大小为25×20×5.6mm，以2.4ml/min速度提供甲醇水溶液(水蒸汽/甲醇比S/C=1.9)，可以产生相当于4.7W的氢。

图5 微积化微燃料改质器

微型燃料改质器必须有热源，即燃烧器，除此之外还需要有可以将燃料与空气的混合气输送到燃烧器的组件，因此研究人员利用液态瓦斯蒸气压力，开发可以有效将混合气输送到燃烧器的微型喷射器(Micro Ejector)。

以丁烷为例为了使丁烷(Butane)完全燃烧，必需提供丁烷31倍体积的空气，如果使用一般微型泵输送如此大量空气，微型泵的外形体积与消费电力都非常可观而且不实用。

喷射器利用一次流体的喷流惯性产生的负压，与粘性拉扯效应吸引二次流体。图6是利用MEMS技术制成的微型喷射器内部结构，异丁烷(Isobutane)的流量相当于20W时，微型喷射器可以吸入35倍的空气，不过空气吸入量随着出口压力的增加急遽降低，因此燃烧器的压力损失必需非常低。

上述微型燃料改质器内部的微型燃烧器，10W燃烧时只有数十Pa压力损失，改用微型喷射器的话必需大幅降低压力损失，因此研究人员正利用CFD(Computational Fluid Dynamics)试图开发更高性能的结构。

微型喷射器使用具备液化瓦斯蒸汽压力的Exergie吸引空气，这意味着微型喷射器必需整合低压力损失高耐压微型阀。图7是微型喷射器用微型阀的构造与动作原理，本微型阀使用静电控制大流体驱动阀，主要特征如下:

·开启状态低压力损失

·高Leak耐压Normal Cross动作

·低消费电力

流体驱动阀的压力源亦即控制对象是液态瓦斯，所以不需要外部压力。图7(a) 的微型阀呈关闭状，左侧是静电驱动阀呈开启状，右侧的静电驱动阀一旦关闭，液态瓦斯就会传送到连接于微型喷射器的中央流体驱动阀上下，利用受压面积差中央流体驱动阀被挤压至阀膜上形成关闭状，值得一提的是两静电驱动阀都是设置在施加液态瓦斯就会关闭的位置上而且阀径只有20μm(驱动电压为30V)，这意味着MEMS技术非常适合制作流体驱动阀。

图7(b)的微型阀呈开启状，左侧是静电驱动阀呈关闭状，右侧静电驱动阀一旦开启，连接于微型喷射器的中央流体驱动阀下侧就会开放大气，接着利用空气中央流体驱动阀朝下方挤压变成开启状。

由于支撑该阀的隔膜(Diaphragm)被加工成可以大幅变位的皱折状(Corrugation)，所以可以达成「开启状态时低压力损失」预期目标，压力损失10cc/min时只有1.7kPa，关闭状态时压力差即使160kPa也未检测出刻意的Leak。

图6 微型喷射器内部结构

图7 微型喷射器内部微型阀结构

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。