1.微型燃料電池封裝研究的現狀和進展
微型直接甲醇燃料電池（micro direct methanol fuel cell）具有能量密度高、使用方便、清潔環保等優點，非常適用於各類可攜式電子產品（手機、膝上型電腦、***、單兵作戰電源等）及微機電系統（micro electronic mechanical system,mems）等領域，基於微型燃料電池應用的廣闊前景，世界各地的研究機構對此產生了極大興趣，希望能開發出更輕、更小、能量密度更大、效能更優異的微型燃料電池。當前，微型燃料電池從原理論證到實驗驗證再到實現商業化的發展過程中仍然面臨著大量的技術困難，其中乙個非常重要的瓶頸問題是燃料電池的封裝工藝的方法、設計和優化等[1]。
圖1燃料電池的廣泛應用
1.1燃料電池的封裝結構
微型燃料電池的組成通常是將質子交換膜mea置於兩塊流場板之間，然後在兩端用剛度較大的端板將中間部分結構夾緊，最後用高聚物封裝將整個結構起來。圖2中電池的四周用高聚物封裝填充。
圖2微型燃料電池的外形
圖3微型燃料電池的結構圖
1.2燃料電池的封裝工藝現狀
可靠的封裝是微型燃料電池發揮其正常效能的前提條件，在微型燃料電池中有著舉足輕重的作用，研究表明目前封裝費用仍佔微型燃料電池總成本的60%～70%，且封裝技術發展的相對滯後已被公認為微型燃料電池實現產業化的主要瓶頸之一[2]。作為一類特殊的微型燃料電池，微型燃料電池封裝結構需為整個電池提供穩定的機械支撐、電氣互連和物料進出通道，以便維持微型燃料電池各活性區域工作狀態的均衡及穩定，提高燃料電池的整體輸出效能，延長其工作壽命。由於受結構、尺寸和工藝條件的限制，傳統機械連線方法（如螺栓連線、鉚接、夾具固定等）已很難適用於mems微型燃料電池的封裝中，借鑑現有微器件封裝方法實現對mems燃料電池的封裝成為必然選擇[1]。
目前針對微型燃料電池的封裝方法主要是高聚物封裝和熱壓鍵合兩類。本文主要討論高聚物的封裝方法。
高聚物封裝是在借鑑微電子及mems 器件塑封工藝的基礎上發展起來的，是目前mems 燃料電池封裝技術的主要發展方向之一。該方法主要利用高聚物的可模塑、可粘接特性實現對mems燃料電池的封裝。mems燃料電池中常用的封裝高聚物有聚二甲基矽氧烷( polydimethyl siloxane, pdms)和環氧樹脂兩類。
近年來在這一領域的代表性工作有：2023年5月，加拿大stanley等[3]首次報道使用常溫固化環氧樹脂，在1.5mpa的正壓力下實現mems直接甲醇燃料電池的密封和進出口微管連線，其mems-μdmfc輸出功率密度峰值達到了1.
5mwcm-2；2023年9月，德國albert-ludwig大學的muller等[4]報道了一種外形尺寸只有1.4×1.4×0.
5mm氫氧型mems質子交換膜燃料電池。該電池使用極薄的金屬箔作為集流板，mea和集流板之間的封裝採用了銀粉填充的環氧型導電膠，在工作電壓0.4v時，輸出功率密度達到了2mwcm-2；2023年8月，美國路易斯安娜大學微製造研究所shah等[5]採用pdms實現了mems氫氧燃料電池的製備和封裝。
其基本方法為：首先用軟光刻方法將微流場圖案複製到pdms基板上，再將mea夾在陰、陽極pdms基板間並在基板與mea側面塗抹液態pdms，最後將電池置於70℃熱板上加壓固化完成封裝。在60℃下該電池輸出功率密度達到了0.
3mw/cm2； 2023年8月，美國加州大學歐文分校park等[6]也報道了一種採用環氧樹脂封裝的mems氫氧燃料電池的製備方法，使用常溫固化型環氧樹脂，將碳化的聚醯亞胺微流場板、mea和進出口毛細管封裝為一體，採用該工藝的mems氫氧燃料電池峰值功率密度為1.21 mw/cm2。在國內，清華大學微電子所王曉紅、中科院上海微系統所李昕欣、哈爾濱工業大學劉曉為等課題組也對樹脂封裝矽基μpemfc或μdmfc做了類似探索[1]。
上述研究初步解決了mems微型燃料電池的封裝需求，在減小電池體積、提高電池比能量等方面獲得了很大進步。然而，與傳統大尺寸燃料電池相比，目前mems燃料電池在單位輸出效能指標和工作壽命上還存在明顯差距（如輸出功率密度一般相差1～2個數量級）。而造成這一問題的關鍵是組裝狀態的差異。
傳統燃料電池一般採用螺栓連線實現電池的組裝，可以通過調節螺栓的緊固力使膜電極和流場板之間形成良好接觸，為電化學反應過程的物料傳質和電子轉移提供良好的條件。相比之下，由於受封裝結構和工藝的影響，mems微型燃料電池中膜電極和流場板的接觸狀態則更多地受到封裝應力的限制。
2.一種燃料電池高聚物封裝方法—環氧樹脂包封
實驗和理論分析表明燃料電池封裝壓力對燃料電池的輸出效能有較大的影響，一般情況下，封裝後的電池放置一段時間後內阻會增大導致效能下降，為此應提高電池封裝的可靠性從而保證燃料電池的輸出效能穩定。借鑑微電子器件封裝工藝，採用環氧樹脂整體封裝結構對μdmfc進行封裝。由於與微電子器件相比，μdmfc不僅要求封裝結構對內部結構要起到保護作用，還要求其對內部結構提供一定的壓力以減少電池的接觸內阻。
因此還有必要對環氧樹脂整體封裝後μdmfc的內電阻變化進行測試。
μdmfc的結構包括電池內部結構和封裝結構兩部分，如圖4所示。電池內部結構包括mea、密封框和不鏽鋼集流板三部分，其中mea和密封框製作成乙個整體，mea兩邊是兩片集流板，構成「三明治」結構。封裝結構完全由固化的環氧樹脂構成，並「包裹」電池內部結構，實現保護內部結構和提供必需壓力的作用，環狀的封裝結構使mea的陰陽極暴露出來，能夠與反應物充分接觸反應。
在傳統電池封裝中，陰、陽極端板上一般有與集流板一一對準的物料的進出通道，在本實驗中為了便於脫模，在電池封裝結構的陰、陽極的活性區均採用鏤空結構作為反應物和生成物的進出口（這要求集流板要有一定的剛度，因此實驗中選用不鏽鋼集流板厚度為0.4mm）。
圖4電池結構設計
實驗中用於封裝的模塑型環氧樹脂 ( epoxy-molding compound , emc) 是一種熱固性高聚物，其力學效能明顯表現為與時間-溫度相關的粘彈性行為。在固化過程中，emc 內部發生化學交聯反應，emc 從液態轉為固態，伴隨著體積收縮及剛度增加，如果在幾何上受到一定約束，就會在其內部引入應力，而這一應力在垂直於mea平面上的分量（法向分量）正是整個電池夾緊力的**[7]。由於燃料電池對封裝結構有特殊的要求，本文採用某公司生產的553-206型環氧樹脂，它具有高硬度，與膜電極相容性好、**低廉等特點。
該環氧樹脂硬度高達95（shore-d），高硬度可以保證燃料電池內部結構獲得充足的壓力，與膜電極相容性好的特點可以保證燃料電池中mea的化學性質不會被破壞，對直接甲醇燃料電池反應物和生成物的化學穩定性好可以保證封裝結構的可靠性[1]。
燃料電池的製作過程主要包括燃料電池預組裝和封裝兩個步驟。聚四氟乙烯（ptfe）材料的密封框密封於mea的四周，以防止灌封過程中液態環氧樹脂汙染mea，影響其電化學活性，如圖5所示。然後用陰、陽極集流板夾住mea和密封框組成的整體，並在集流板定位孔定位完成預組裝。
(ab)
圖4 (a) mea和密封框，(b)預組裝後的燃料電池
燃料電池的封裝通過灌封的方法來完成。灌封模具的材料選擇ptfe，ptfe表面能很低（臨界表面張力只有1.85×10-4ncm-1），可使封裝後的燃料電池順利脫模。
在模具內有上下凸起以形成電池物料進出口，同時向電池提供夾緊力。封裝過程如下：首先，將製備完成的燃料電池內部結構放入灌封模具中並合模；合模後的模具放置於壓力平台上，壓力平台通過模具對電池內部結構施加並保持一定的預壓力。
然後利用灌封的方法將液態的環氧樹脂注入並填充滿模具的型腔，置於80℃烘箱中3h，使其固化。最後，待封裝結構固化完全後冷卻、脫模，並在電池陽極端粘接甲醇腔蓋板。整個封裝過程工藝簡單，操作時間短。
微型直接甲醇燃料電封裝後電池內部集流板與mea 之間的壓力**於環氧樹脂固化收縮過程中對整個被包封電池形成的靜水壓作用。封裝結構的最大特點是將以往電池的陰、陽極端板和緊韌體三者用相同材料同時注塑為一體，提高了封裝效率。
3.目前存在的問題
對電池的測試在室溫下進行，陽極燃料為4m甲醇水溶液，陰極通過空氣自呼吸式獲取氧氣。電池的極化曲線如圖5所示，其最高開路電壓為0.71v，峰值功率密度達到5.
3mwcm-2。利用電化學工作站測得μdmfc單位活性面積初始內電阻為2.3ωcm2。
雖然與傳統機械連線的封裝方法相比，本文製備的環氧樹脂整體封裝結構μdmfc內阻略有偏大，但是這一數值驗證了環氧樹脂整體封裝結構用於μdmfc封裝的可行性。分析內阻偏大原因:1.
應是由於壓力平台對電池內部結構施加的預壓力不夠導致各部分接觸電阻較大所引起，這一問題可通過後續工藝優化方案加以解決。2.環氧樹脂是一種粘彈性材料，在外加熱-機械載荷作用下具有應力鬆弛特性。
應力鬆弛可能會導致固化後的環氧封裝結構對電池內部結構的壓力變小，接觸電阻以及電池內阻逐漸變大。3.由於工藝原因，環氧樹脂在凝固過程中會產生表面氣泡、裂紋等缺陷，導致封裝壓力下降。
因此，測試環氧封裝結構以及電池的長期執行效能是很有必要的。在電池封裝後150天的時間內，燃料電池單位活性面積內電阻持續保持在約2.3ωcm2（上下波動率≤10%），如圖6所示，證明環氧樹脂整體封裝結構對保持燃料電池長期穩定性方面的可行性[1]。
圖5 電池輸出效能曲線
圖6.電阻隨時間變化曲線
4.今後的研究方向和建議
固化工藝是電子封裝的一項重要工藝，它是使封裝材料、基板以及矽片長時間保持在l50℃—200℃的高溫下，使封裝材料充分流動，然後冷卻固化成型。在固化過程中，塑料中的環氧分子在固化劑和促進劑作用下，環氧鍵被開啟，使塑料從鏈狀分子結構向網狀分子結構轉變，同時放出氣體，在塑封中產生氣孔。冷卻時封裝聚合物分子鏈相互交聯逐漸增加，液態轉變為固態，產生體積收縮，同時材料的剛度隨之增加。
當它的收縮受到周圍材料的約束時，就會產生相應的應力、應變場，冷卻後就會出現殘餘應力，當該應力超過一定程度時就會產生損傷或缺陷[8]。
燃料電池總結
d 正極上發生的反應為o2 4e 2h2o 4oh 2 將兩個鉑電極放置在koh溶液中，然後分別向兩極通入ch4和o2，即可 產生電流。下列敘述正確的是 通入ch4的電極為正極 正極的電極反應式為o2 2h2o 4e 4oh 通入ch4的電極反應式為ch4 2o2 4e co2 2h2o 負極的電極...
燃料電池新聞專題
美國製造商積極開發以燃料電池為動力的無人機 04 11 美國能源部撥款200萬美元助伊頓研究燃料電池 04 07 沃爾沃汽車公司啟動燃料電池開發專案 04 06 蘋果表示其生物氣體燃料電池廠6月投入使用 04 05 美研製出新型微生物燃料電池系統 04 05 美研製出新型微生物燃料電池系統 04 0...
新能源燃料電池
武漢理工大學 課程名稱 材料科學進展 學院 材料學院 班級 建材院委培生 學號姓名 吳帥 摘要 本文概述了燃料電池發電的研究現狀，對鹼性燃料電池 磷酸型燃料電池 熔融碳酸鹽電池 質子交換膜燃料電池 固體氧化物燃料電池的反應原理 發展過程及技術特點進行了詳細介紹，並對燃料電池發電的應用前景進行了展望。...