专利名称：集成燃料电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池及制造一种集成燃料电池的方法。
背景技术：
图1表示通过微电子技术形成的集成燃料电池的示例。上述电池形成在由
第一薄绝缘层2和第二厚绝缘层3覆盖的硅晶片l形成的支撑晶片上。在绝缘 层3的一部分上形成开口。支撑层4、催化层5、电解质层6和第二催化层7 相继沉积在上述开口。所有上述层形成活性叠层8。第一绝缘层2上的电极10 与燃料电池底面一侧的支撑层4接触。第二绝缘层3中的开口 ll接近电极lO。 上电极12与上催化层7接触。电极10和12具有开口，且通道13形成在相对 下金属化表面中的开口的硅晶片1中。下电极IO和上电极12分别形成阳极集 电体和阴极集电体。
电解质6例如是聚合物酸，例如固体形式的Nafion,催化层例如是碳基和 铂基层。这些只是实施例中的示例。根据图l形成的各种类型的燃料电池是现 有技术公知的。
为操作燃料电池，将氢气沿下表面一侧的H2箭头注入，空气(承载氧气) 注入上表面一侧。氢气在催化层5 "分解"， 一方面，形成直接朝向电解质6的 f质子，另一方面，形成直接通过电池外面朝向阳极集电体10的电子。IT质 子穿过电解质6到达催化层7，在此他们与通过阴极集电体来自电池外的氧和 电子重组。公知的形式为具有这样的结构正电压在阴极集电体12 (在氧侧) 上获得，而负电压在阳极集电体IO (在氢侧)上获得。
上述类型的燃料电池的缺点在于发生在氣气入口通道13的开口水平的现 象。代替发生在的下催化层5的整个表面的交叉处的反应的现象，这些反应似
乎实际上仅发生在上述表面的一部分上，实质上为对应氢气入口通道所占据的
开口的表面。也就是说，上述类型的电池的效率由于可以预期的因素2和3降 低。可以认为这是由于以下事实造成的，即支撑层4至少部分穿透到通道，且 催化层5仅与通道13开口处的氢气接触。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种新型的集成燃料电池结构，可以改进每单位
表面积的电化学效率。
本发明的另 一 目的是提供一种制造上述燃料电池的方法。 本发明的另一目的是提供具有上述简单结构的燃料电池。 为达到上述目的，本发明提供一种在薄导电层上具有活性叠层的燃料电池，
在晶片上形成有气体入口通道，薄导电层凸出到每个通道前面的活性叠层中，
并且所述气体可透过。
根据本发明实施例，薄导电层是金层。
根据本发明实施例，燃料电池的各种活性层遵循薄导电层凸出的轮廓。 本发明还提供一种制造燃料电池的方法，包括提供支撑晶片的步骤；在支
撑晶片的第一表面形成非贯通通道；用第一材料覆盖所述通道；在晶片第二表 面形成凹槽，上述凹槽暴露第一材料的底端；在第二表面上沉积能通过氢的导 电材料薄层；去除至少在导电材料薄层下面的上述材料的第一层；并在所述凹 槽形成可以形成具有可容纳氢气的底表面的燃料电池的叠层。 根据本发明的实施例，所述叠层的材料由喷墨方法沉积。
下面将参考联系附图的具体实施例的非限制性说明，详细讨论前述的及其 它本发明的目的、特点和优点。 图l是公知燃料电池的截面图2A至2E是说明制造根据本发明的燃料电池的相继步骤的截面图；以及
图3至7说明本发明实施例。
具体实施例方式
为了清楚地说明，通常在集成电路的表达中，多个截面中的元件都不是按 比例放缩的。
图2A至2E是说明制造根据本发明的燃料电池相继步骤的简化截面图。在 上述制造过程中，由支撑晶片开始。为简化本发明的说明，将考虑支撑晶片由 硅制成的情况，但也会考虑由现有技术中各种材料制成的情况，其导致相关方 法的选择的相应适应性，特别是蚀刻方法，以及绝缘材料的选择。
由此，图2A表示覆盖在具有保护层22和23的上和下(或前和后)表面 的硅晶片21。蚀刻后表面一侧上的保护层23来形成开口。通过各向异性的蚀 刻方法，例如等离子蚀刻，根据这些开口形成的形状，形成通道25。
在图2B所示的下一步骤中，材料26沉积在通道25上以覆盖他们的壁和 底或把他们完全填满，如图所示。在以后可以看到，这些材料应选自相对于硅 和金属是可选择性蚀刻的材料。在本发明的应用实施例中，覆盖层26由通过热 生长法获得的硅氧化物层形成。保护层22和23也可以由硅氧化物制成，例如 通过沉积得到。
在图2C所示的步骤中，开口形成在上保护层22中，凹槽28蚀刻在晶片 21前表面中。凹槽28足够深，能够延伸超出覆盖有层26的通道25的底部。 蚀刻步骤不蚀刻层26的材料，因此，保留凹槽28底部的层26的材料的凸起。 根据上述制造方法，这些凸起的形状根据等离子蚀刻的通道底部的形状而各不 相同。例如，这些凸起有圆盖形状的。
如图2D所示步骤，金属层或合金层沉积在结构的上表面，其厚度足够可 以良好地导电，且薄厚使得氢气可以穿过。例如可以选择厚度为500nm的金层。
然后，如图2E所示的步骤，层26的材料被去除，至少在通道25底部的 部分被去除，其中上述层被导电层29覆盖。金层29的凸起30被保留。
作为大小的一个例子，应该注意到，支撑晶片21如果是硅晶片，厚度可为
300至500微米之间，通道25可以是直径为40至50微米的环形孔，并具有40 至50微米的台阶(step)，通常穿孔区域表面积为lcm2。金层29的凸起30高 度为10到20微米。
由图2E中的结构开始，形成相关附图l表示活性叠层8的沉积，很明显， 在上述叠层中，支撑层4不是必要的。实际上，上述支撑层的目的为避免第一 催化层5的材料回到通道。上述金凸起30的凹凸形状，可以是凸出的，导致氢 气离开通遒23向上、向侧边更好地分散在下催化剂层中。
图3至7表示了形成活性叠层8的各种不同的方法。在这些图中，支撑晶 片指定的附图标记为21，通道指定的附图标记为25，氢气可穿透的薄导电层指 定的附图标记为29,第一催化层指定的附图标记为5，电解质层指定的附图标 记为6,第二催化层指定的附图标记为7,氧气可穿透的上电极指定的附图标记 为31。
在图3的实施例中，第一催化层5沉积形成以具有基本平坦的上表面。电 解质层6沉积形成以具有基本恒定的厚度(正投影沉淀)，且第二催化层7仅沉 积在正投影沉淀形成的催化层6的凹处的中央。绝缘体32形成在第一导电层 29与第二导电层31有接触风险的地方。
图4表示本发明的第二实施例，其中活性层5、 6和7的沉积均为正投影沉 淀。在上述实施例中，上催化层与第一电极29不接触。
图5表示另一正投影沉淀实施例，其中上金属化层与凹槽28边缘接触，因 此有与下电极29短路的风险。为避免上述短路风险，绝缘层32沿形成活性层 的凹槽28的侧壁延伸。
根据本发明的一个方面，材料层5、 6和7的沉积可以通过喷墨形成，现有 技术提供的图案尺寸在几十微米范围，其可以与根据本发明的电池的基本尺寸 兼容，正如先前所示，孔的直径在大约50微米。
图4和5中的改变是为了增加各种活性层之间以及催化层和氢气和氧气入 口区域之间接触的表面积，以增加有关电池的效率。
图6和7中的实施例使用图5中的结构并添加了纳米管，例如，在电池的
上下表面添加了碳纳米管，特别是在通道25中。 一方面，提供上述具有碳纳米 管的衬垫可以改进结构中由于纳米管疏水特性产生的水管理，另一方面，可以 改进燃料电池核心的由于纳米管的低热阻产生的热管理。
在图7的实施例中，凹槽形成在相对穿孔区域的下晶片表面。在上述实施 例中，这些凹槽用于保护碳纳米管。应该注意到其它实施例中提供的上述凹槽 可以降低氢气入口通道的高度。
权利要求
1、一种燃料电池，在薄导电层(29)上具有活性叠层(8)，在晶片(21)上形成有气体入口通道(25)，薄导电层凸出到每个通道前面的活性叠层中，并可以透过所述气体。
2、 如权利要求l所述燃料电池，其中薄导电层是金层。
3、 如权利要求l所述燃料电池，其中各个燃料电池活性层符合薄导电层的 凸起(30)的轮廓。
4、 一种制造燃料电池的方法，包括步骤 提供支撑晶片(21);从支撑晶片(21)的第一表面形成非贯通通道(25); 用第一材料(26)覆盖所述通道；在晶片的第二表面上形成凹槽(28)，上述凹槽暴露第一材料的底面； 在第二表面沉积能使氢气穿透的导电材料(29)薄层； 去除至少在导电材料薄层下面的材料(26)的第一层；且 在所述凹槽中形成叠层(8)，其能够形成可以容纳氢气的具有底面的燃料 电池。
5、 如权利要求4所述方法，其中所述叠层材料层通过喷墨方法沉积。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池，其中，活性叠层(5、6、7)放置在薄导电层(29)上，该薄导电层由具有气体供应横向通道(25)的板(21)支撑，其中所述薄层凸出到每个通道前面的活性叠层中，并且可透过所述气体。
文档编号H01M8/04GK101361217SQ200680049320
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者M·罗伊, 法比安·皮埃尔 申请人:意法半导体有限公司