电池尺寸，流场板结构可进行微细设计
[9-10]
，加工容
易、方便，在制作便携式功率电源方面表现出极佳的
优势
[11]
．笔者对硅基微型直接甲醇燃料电池结构进
行了优化设计，对燃料电池制作过程进行了工艺研
究，并对此种燃料电池进行了性能测试与分析．
1 微型直接甲醇燃料电池的基本原理
直接甲醇燃料电池由甲醇阳极流场板、氧阴极流
场板和膜电极（membrane electrode assembly，MEA）
构成，如图 1 所示．MEA 由扩散层、催化层和质子交
换膜组成，其中催化层是电化学反应发生的场所．常
用的阳极和阴极电极催化剂分别为 Pt-Ru/C 和 Pt/C
贵金属催化剂．扩散层在其中起到支撑催化层、收集
电流及传导反应物的作用，它一般由导电的多孔材
料制成，现在使用的多为表面涂有碳粉的碳纸或碳
布 ．质 子 交 换 膜 多 采 用 全 氟 磺 酸 高 分 子 膜 ，如
Nafion117 膜等．工作时，甲醇水溶液进入电池的阳
极区，甲醇在阳极区氧化生成 CO
2
和 H
3
O
+
，CO
2
从阳
极区排出，Ｈ
+
穿过质子交换膜到达阴极，氧化产生的
电子通过外电路到达阴极．在阴极侧，空气或氧气进
入电池的阴极区，氧气在阴极被电子还原生成 O
2
−
，
H
3
O
+
透过质子交换膜与 O
2
−
结合生成 H
2
O．在甲醇与
氧气发生氧化还原反应过程中，便不断地输出电能．
阳极甲醇氧化反应为
+
3
2
2
CH OH H O
CO
6 H
6e
−
+
⎯⎯
→
+
+
（1）
1—扩散层；2—催化层；3—质子交换膜
图
1 直接甲醇燃料电池工作原理
阴极氧还原反应为
+
2
2
3
O
6 H
6e
3H O
2
−
+
+
⎯⎯
→
（2）
电池总反应为
3
2
2
2
3
CH OH
O
CO
2 H O
2
+
⎯⎯
→
+
（3）
2 微型直接甲醇燃料电池结构设计与模拟
在微型直接甲醇燃料电池的设计中，应考虑电池
极板对流量分布及质子交换膜对电池性能的影响，以
及工艺实现的问题．极板流场设计关系到甲醇水溶
液和氧化性气体能否顺利、均匀地进入电池扩散层并
与催化剂形成良好接触并稳定分布
[12]
，同时快速排
出反应产物 H
2
O 和 CO
2
，流场设计的最终目的是提
高甲醇燃料的利用率，进而要求甲醇在流场中的流量
分布尽可能均匀，所以甲醇利用率问题就转化为对流
量场的分析．本文采用了最具代表性的 3 类流场结
构：点型、螺旋蛇型和栅型．在极板内流场的速度矢
量均平行于膜，故可将流场内流体近似为二维流体进
行分析．实际结构设计中，在多个点产生的几何边界
条件下很难得到精确的解析解，只有使用计算机分析
软件进行辅助分析．点型流场由多个“岛”组成，利
于生成物从体内排出；但是在“岛”边界容易形成流
场“死区”，严重影响电池性能．螺旋蛇型流场入口
到出口相对距离较长，且具有多次方向的变化，虽然
反应物在催化电极表面分配均匀，但是容易造成生成
物CO
2
气体在体内聚集而难以排出．栅型流场兼顾了
前两者结构的优点，尤其适合作为微型直接甲醇燃料
电池组极板结构．流场结构中沟道宽度、深度以及梁
宽度是设计中最重要的几个参数，曾有学者研究微型
直接甲醇燃料电池阳极流场沟道宽度与梁宽度的最
佳比例为 1∶2
[13]
．另外在设计中还要考虑工艺的可
实现问题．以点型流场为例，支撑点尺寸越小越好，
但在实际工艺加工过程中，考虑到硅各向异性的腐蚀
特性，该尺寸不能小于 400
µm．综合以上因素，笔者
设计的流场结构和参数如图 2 和表 1 所示．
(a) 点型 (b) 螺旋蛇型 (c) 栅型
图
2 微型直接甲醇燃料电池流场的结构类型示意