利用MEMS制作微型攜帶用燃料電池組件

上述微型燃料改質器的甲醇水蒸汽改質與氫之間可以作自立性觸媒燃燒，不過受限于觸媒的性能，因此氫的發生量相當于200mW，熱效率也只有6%左右。

圖4 具備自我支撐薄膜結構的燃料改質器

圖5的微型燃料改質器主要特征是在觸媒燃燒器兩側設置甲醇水蒸汽改質反應堆與燃料蒸發器，改質器整體大小為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)，可以產生相當于4.7W的氫。

圖5 微積化微燃料改質器

微型燃料改質器必須有熱源，即燃燒器，除此之外還需要有可以將燃料與空氣的混合氣輸送到燃燒器的組件，因此研究人員利用液態瓦斯蒸氣壓力，開發可以有效將混合氣輸送到燃燒器的微型噴射器(Micro Ejector)。

以丁烷為例為了使丁烷(Butane)完全燃燒，必需提供丁烷31倍體積的空氣，如果使用一般微型泵輸送如此大量空氣，微型泵的外形體積與消費電力都非常可觀而且不實用。

噴射器利用一次流體的噴流慣性產生的負壓，與粘性拉扯效應吸引二次流體。圖6是利用MEMS技術制成的微型噴射器內部結構，異丁烷(Isobutane)的流量相當于20W時，微型噴射器可以吸入35倍的空氣，不過空氣吸入量隨著出口壓力的增加急遽降低，因此燃燒器的壓力損失必需非常低。

上述微型燃料改質器內部的微型燃燒器，10W燃燒時只有數十Pa壓力損失，改用微型噴射器的話必需大幅降低壓力損失，因此研究人員正利用CFD(Computational Fluid Dynamics)試圖開發更高性能的結構。

微型噴射器使用具備液化瓦斯蒸汽壓力的Exergie吸引空氣，這意味著微型噴射器必需整合低壓力損失高耐壓微型閥。圖7是微型噴射器用微型閥的構造與動作原理，本微型閥使用靜電控制大流體驅動閥，主要特征如下:

·開啟狀態低壓力損失

·高Leak耐壓Normal Cross動作

·低消費電力

流體驅動閥的壓力源亦即控制對象是液態瓦斯，所以不需要外部壓力。圖7(a) 的微型閥呈關閉狀，左側是靜電驅動閥呈開啟狀，右側的靜電驅動閥一旦關閉，液態瓦斯就會傳送到連接于微型噴射器的中央流體驅動閥上下，利用受壓面積差中央流體驅動閥被擠壓至閥膜上形成關閉狀，值得一提的是兩靜電驅動閥都是設置在施加液態瓦斯就會關閉的位置上而且閥徑只有20μm(驅動電壓為30V)，這意味著MEMS技術非常適合制作流體驅動閥。

圖7(b)的微型閥呈開啟狀，左側是靜電驅動閥呈關閉狀，右側靜電驅動閥一旦開啟，連接于微型噴射器的中央流體驅動閥下側就會開放大氣，接著利用空氣中央流體驅動閥朝下方擠壓變成開啟狀。

由于支撐該閥的隔膜(Diaphragm)被加工成可以大幅變位的皺折狀(Corrugation)，所以可以達成「開啟狀態時低壓力損失」預期目標，壓力損失10cc/min時只有1.7kPa，關閉狀態時壓力差即使160kPa也未檢測出刻意的Leak。

圖6 微型噴射器內部結構

圖7 微型噴射器內部微型閥結構

微型燃料電池的發展動向

2000年初美、日等國外研究單位相續采用MEMS技術開發微型燃料電池，其中以Kelly氏發表的硅隔板(Silicon Separator)微型燃料電池(圖8)結構最單純，接著其它研究單位也陸續推出同類型燃料電池，這些電池的Cell心臟部位亦即‘陽極觸媒’、‘離子傳導薄膜’、‘陰極觸媒’，都是沿用傳統PEFC的薄膜?電極組合(MEA: Membrane Electrode Assembly)，所謂MEA是利用熱壓縮(Hot Press)技術將觸媒薄膜粘貼在PEM兩面。

傳統PEFC以隔板將MEA挾持鎖定，結構上必需組合復數組件，因此不適合利用MEMS技術制作，因此Morse氏在硅基板上依序制作陽極、PEM、陰極薄膜，進而構成圖8(b)所示微型燃料電池，陽極與陰極薄膜利用濺鍍法制作，PEM薄膜則利用旋轉涂布法(Spin Coating)制作，因此可以獲得一體化(Monolithic)結構，該微型燃料電池以氫作為燃料，90℃時可以達成3.8mW/cm2的輸出密度。

圖8 微型燃燒電池內部結構

由于燃料電池單Cell電壓通常只有0.4~0.8V左右，因此復數Cell串聯連接成為提高電壓常用手段。如圖9所示主要電池連接方法有四種，圖9(a)是一般燃料電池采用的連接方式，這種連接方式又稱為「雙極儲備(Bipolar Stocking)」。

圖9(b)~(d)的連接方式在基板上制作微細結構，一般認為這種方式比較適合使用MEMS加工制作。

圖9(c)復數Cell串聯連接構成的燃料電池，雖然這種方式必需將燃料傳送到電池兩側，不過從電池一端到對向側相異基板之間卻不需要導線連接，若與圖9(b)連接方式比較，它的組裝與布線等作業相對比較容易，因此Lee氏的微型燃料電池也采用這種稱為「Flip Flop Interconnection」串聯連接方式。

圖9(d)是將復數Cell串聯連接成一體狀的另一種連接方式，由于試作時與PEM觸媒電極的密著性不足，所以只能獲得1μW/cm2等級的輸出密度，不過Mayers與Maynard氏針對陰極與陽極對向結構進行理論計算，根據計算結果顯示種方式必可以獲得40%左右的體積輸出密度，Motokawa氏根據上述結構試作微型DMFC，使用添加硫酸的甲醇水溶液時，可以獲得0.78mW/cm2的輸出密度。