表
1 微型直接甲醇燃料电池极板几何参数
流场型式
整体尺寸/（mm×mm）
流场尺寸/（mm×mm）
支撑点尺寸/（
µm×µm）
沟道宽度/
µm
沟道深度/
µm
梁宽度/
µm
均匀点型
15×10 8×8 300×300
—
120
—
螺旋蛇型
15×10 8×8
— 900
120
300
栅型
15×10 8×8
—
1
000
200
400
利用流体力学软件对微型直接甲醇燃料电池的
极板流场结构进行模拟仿真，结果如图 3 和图 4 所
示．从模拟结果来看，栅型流场和螺旋蛇型流场的速
度矢量分布均匀，而点型流场的分布均匀性明显低于
这两种；同时，栅型流场的速度矢量大于点型和螺旋
蛇型流场. 从压力分布图可以看出，3 种流场结构的
进、出液孔压差不同，点型流场和螺旋蛇型流场的
进、出口压力差比较接近，但是可以明显看出栅型流
场的进、出口压力差比前两种的都大；而沟道进、出
口的压力差直接影响着液体在流场沟道中的流动速
率，所以点型流场内的液体流动速率较低，而栅型流
场内的液体流动比较快，这样有利于阳极反应产生的
CO
2
气体更快地排除，同时栅型流场的溶液分布均
匀，有效化学反应面积相对较大．
(a) 点型流场 (b) 螺旋蛇型流场 (c) 栅型流场
图
3 微型直接甲醇燃料电池 3种类型流场的速度模拟结果
(a) 点型流场 (b) 螺旋蛇型流场 (c) 栅型流场
图
4 微型直接甲醇燃料电池 3种类型流场的压力模拟结果
3 硅基微型直接甲醇燃料电池的制作与测试
硅基微型直接甲醇燃料电池包括 1 个 MEA 和
位于 MEA 两侧的阴、阳极板，单电池的整体结构如
图 5 所示．图中阴、阳极板采用晶向为〈100〉的单
晶硅材料，利用 MEMS 工艺技术制作，在极板与膜
电极接触一侧刻蚀出点型、螺旋蛇型或栅型的甲醇水
溶液和气体的流动通道，其中各流场结构参数如表 1
所示. 然后在极板刻有沟道图形的一面真空沉积
Ni/Ti 和 Au 层，Ni/Ti 层是过渡层，Au 层既可作为电
池的引出电极又在流场内起收集、传导电流的作用，
同时可以减小极板与 MEA 之间的接触电阻．MEA
膜阳极一侧采用 Pt-Ru/C 催化层，其 Pt 载量为 4.0
mg/cm
2
；阴极采用 Pt/C 催化层，其 Pt 载量为 4.0
mg/cm
2
；扩散层为碳布，质子交换膜为 Nafion117．电
池组装是在外加机械力的约束下，使用密封胶封闭电
池四周．实验时进液孔处外接一个导流管，以利于甲
醇水溶液注入阳极氧化反应区；组装后的单电池外形
尺寸为 18 mm×10 mm×1.8 mm，阴极和阳极流场区
面积为 8 mm×8 mm. 电池样品如图 6 所示．
图
5 硅基微型直接甲醇燃料电池结构示意
图
6 硅基微型直接甲醇燃料电池样品照片