Font Size: 

Rapid-developing portable electronic devices has spurred the demand for compact power sources with high energy density and high power density. At the present stage, conventional batteries need substantial improvement to keep pace with the increasing power demand. Miniaturized fuel cells (e.g., DMFC) can produce high power density and function for a long time without recharging. However, the mechanical restraint will emerge in the further miniaturization. More importantly, the proton exchange membrane (PEM), which is one of the most important components of fuel cells, induces several technical challenges including water management, fuel crossover and degradation. This has hindered the commercialization and requires further study.As another technical avenue, the development of microfluid has  provided a novel method towards miniaturized power sources.  In a microfluidic channel, multistream can form a co-laminar  flow to segregate the fuel and oxidant. Consequently, the PEM  and PEM-related problems can be successfully eliminated,  resulting in appearance of the membraneless microfluidic fuel  cell (MMFC). In particular, the air-breathing microfluidic  fuel cell (AMFC) can further eliminate the oxygen transfer  limitation by integrating a gas diffusion electrode, thereby  enabling higher performance and potential fuel reutilization.  Nevertheless, due to consumption and inefficient diffusive mass  transfer, a fuel concentration boundary layer can generate over  the planar anode and induce considerable fuel transfer  resistance, Hence, the cell performance can be limited by the  fuel transport, especially at high current densities. Furthermore,  as the catalytic surface was only deposited on the channel wall  in most existed reports, bulk of the fuel stream can hardly be  involved in the anode reaction, thus resulting in low fuel  utilization rate.To enhance the fuel transport, two kinds of strategies were  conducted by our group. One is to manipulate the fluid flow  condition and the other is to improve the anode architecture.  Fig. 1 schematically depicts the two kinds of strategies. For flow  manipulation, an AMFC with a flow-through anode was proposed  to convectively enhance the fuel transport. The cell performance  were studied experimentally. In addition, to elucidate the  interaction and trade-offs among fluid flow, mass transfer and  the electrochemical reactions, a 3-D computational model was  developed for AMFCs with flow-over and flow-through anodes.Fig.1 Schematic illustration of the two kinds of strategies  to enhace the fuel transport.For anode architecture improvement, an AMFC with an array  of cylinder anodes was proposed to volumetrically extend the  anode surface area and to improve fuel utilization. Meanwhile,  a novel method for electrodepositing Pd catalyst layer on the  cylinder electrode was demonstrated. Intriguingly, CO2 gas  bubbles can be constrained within the anode array and expelled  by the fluid flow periodically when acidic electrolyte was  adopted. The cell was further refined by integrating a cathode  current collector and employing the alkaline electrolyte. As a  result, over 100 % power density improvement was achieved.  In addition, a 3-D computational model was developed to obtain  a deep understanding of the interaction among fluid flow, fuel  transport and current generation. Guided by the modelling  result, a new cell architecture was designed and fabricated, and  ~ 100 % power density increasement was obtained.In addition, the MFC can also serve as a bioelectrochemical  power source and a platform for detecting poison species. We  proposed a Y-shaped microbial MMFC to convert the chemical  energy in waste water to electric energy. The effect of  microchannel geometry was discussed and the biofilm  distribution along the microchannel was visualized. In addition,  the similar cell architecture was employed as a hexavalent  chromium concentration sensor. The correlation between  current density and chromium concentration was developed.