专利名称：一种轮辐式自呼吸微型燃料电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及电化学技术，具体说就是一种轮辐式自呼吸微型燃料电池及其制备方法。
背景技术：
燃料电池将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，不受卡诺热机循环的限制，只要 提供燃料即可发电。它具有能量转换效率高、环境友好、安静和可靠性高等特点。正是由于 这些突出的优越性，燃料电池技术的研究与开发备受各国政府与公司的青睐，被认为是21 世纪首选的、洁净的、高效的发电技术。微型直接甲醇燃料电池由于甲醇燃料来源丰富，价 格便宜，理论比能量密度高，便于携带 ，整个电池具有结构简单、方便灵活等特点，具有广阔 的应用前景。燃料电池的研究与开发，不仅有利于能源工业和电池工业的发展，而且必将推 动电子工业、材料工业、医疗通讯等领域的技术进步，对提高资源利用率和解决环境污染问 题等国家战略需求具有重要意义。然而加工用于便携式能源的微型燃料电池，并不是单一 的降低电池的物理尺寸那么简单，目前质子交换膜燃料电池的研究主要存在以下问题(1) 自呼吸燃料电池阴极反应气体为空气，氧气含量有限，限制了氧与质子的还原反应，降低了 电池的性能。(2)传统的自呼吸燃料电池阴极结构会导致气体分布不均勻。(3)阳极反应 产生的质子电拖曳大量的水透过质子交换膜。阴极由于反应生成水再加上通过电拖曳到达 阴极的水造成阴极大量水存在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用微细精密加工技术的轮辐式自呼吸微型燃料电 池及其制备方法。本发明的目的是这样实现的一种轮辐式自呼吸微型燃料电池，它是由阳极端板、 阳极极板、胶垫、膜电极、阴极极板和阴极端板组成的，阳极端板连接阳极极板，阳极极板连 接胶垫，胶垫分别连接膜电极和阴极极板，阴极极板连接阴极端板。所述的阴极极板包括气体直孔通道和轮辐沟道，气体直孔通道连接轮辐沟道。一种轮辐式自呼吸微型燃料电池的制备方法，工艺流程如下清洗硅片；利用低 压化学气相淀积法在硅片表面制备作为腐蚀掩模的氮化硅Si3N4薄膜；利用光刻技术在薄 膜上形成掩模图形，以实现选择腐蚀的目的；采用40%的KOH溶液对硅片进行各向异性腐 蚀；利用反应离子刻蚀法去除硅片表面残留Si3N4薄膜；采用激光加工技术在硅片表面形成 侧壁陡直的进出口通道；利用磁控溅射技术在硅片腐蚀面形成Ti/Au的金属层，用以收集 和传导电流；这样电池硅基阴阳极极板加工完成；如极板材料是金属，则采用冲压不锈钢 的方法制作阴极极板和阳极极板；根据具体的设计需要可以选择不同的辐条宽度和沟道深 度，辐条数目为1条或2条或多条，每一排辐条沟道的尺寸是均勻或是渐变的；阳极极板安 装在导流有机玻璃上，利用微机械加工的方法在此导流有机玻璃制作成导流通道和有选择 性开口的进液口，封装所用的阴极端板和阳极端板，利用微细精密加工技术加工高分子材料制成，将电池各部分组件固定好，保证电池不会漏液及阴，阳极连接的紧密性。本发明一种轮辐式自呼吸微型燃料电池及其制备方法，采用微细精密微细加工技 术加工的轮辐式阴极结构具有以下优点(1)阴极结构沟道与扩散层的接触面积很大，使 氧气能够更充分的进行反应。(2)相对于传统的阴极结构，轮辐式阴极结构在气体分布的均 勻性上有了明显的改善。(3)轮辐式阴极结构由于其高温高压特性，造成生成水的扩散以及 汽化速率加快，从而便于后续水的收集和排出。利用微细精密加工技术加工高分子材料(如有机玻璃、塑料等)制成电池支撑极 板和导流极板，形成了新颖的封装和进液方式，节省了电池组的体积，有利于批量加工和电 池的连接。本发明结构紧凑、有效降低电池内阻、工艺流程简单、制造成本低、确保成品率、 占用空间小，节省体积。
图1为本发明的整体结构图； 图2为本发明的阴极极板电极接触面结构示意图；图3为本发明的阴极极板空气接触面结构示意图；图4为本发明的阴极极板结构之反面示意图；图5为本发明的阴极极板结构之正面辐条数为1的示意图；图6为本发明的阴极极板结构之正面辐条数为2的示意图；图7为本发明的阴极极板结构之正面辐条数为4的示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明作进一步说明。实施例1 结合图1-图3，本发明一种轮辐式自呼吸微型燃料电池，它是由阳极端 板(1)、阳极极板(2)、胶垫(3)、膜电极(4)、阴极极板(5)和阴极端板(6)组成的，阳极端 板⑴连接阳极极板(2)，阳极极板(2)连接胶垫(3)，胶垫(3)分别连接膜电极⑷和阴 极极板(5)，阴极极板(5)连接阴极端板(6)。所述的阴极极板(5)包括气体直孔通道(7)和轮辐沟道(8)，气体直孔通道(7)连 接轮辐沟道(8)。本发明一种轮辐式自呼吸微型燃料电池的制备方法，工艺流程如下清洗硅片； 利用低压化学气相淀积法在硅片表面制备作为腐蚀掩模的氮化硅Si3N4薄膜；利用光刻技 术在薄膜上形成掩模图形，以实现选择腐蚀的目的；采用40%的KOH溶液对硅片进行各向 异性腐蚀；利用反应离子刻蚀法去除硅片表面残留Si3N4薄膜；采用激光加工技术在硅片表 面形成侧壁陡直的进出口通道；利用磁控溅射技术在硅片腐蚀面形成Ti/Au的金属层，用 以收集和传导电流；这样电池硅基阴阳极极板加工完成；如极板材料是金属，则采用冲压 不锈钢的方法制作阴极极板和阳极极板；根据具体的设计需要可以选择不同的辐条宽度和 沟道深度，辐条数目为1条或2条或多条，每一排辐条沟道的尺寸是均勻或是渐变的；阳极 极板安装在导流有机玻璃上，利用微机械加工的方法在此导流有机玻璃制作成导流通道和 有选择性开口的进液口，封装所用的阴极端板和阳极端板，利用微细精密加工技术加工高 分子材料制成，将电池各部分组件固定好，保证电池不会漏液及阴，阳极连接的紧密性。
实施例2 结合图1-图3，本发明 包括双极板(阳极极板、阴极极板)、膜电极及绝 缘材料和夹具，双极板上两侧分别含有与膜电极相对应的流场，其中阴极极板采用“轮辐” 式进气结构，利用夹具将双极板，绝缘材料和膜电极夹在一起，就可作为一个完整的发电单 元。本发明利用微细精密加工技术制作出燃料电池极板结构，利用微细精密加工技术加工 高分子材料(如有机玻璃，塑料等)，可完成夹具的制作。此种结构的燃料电池使用富氢物 质(如氢气，甲醇)作为燃料，氧气由大气直接供给，电池阴极采用轮辐式进气结构。先利 用精密加工技术进行打孔，再在与扩散层接触的极板表面上加工出辐条状的沟道，根据不 同的极板材料(如金属，硅，聚合物)选择不同的精细加工技术。本发明的极板材料为硅。
权利要求
一种轮辐式自呼吸微型燃料电池，它是由阳极端板(1)、阳极极板(2)、胶垫(3)、膜电极(4)、阴极极板(5)和阴极端板(6)组成的，其特征在于阳极端板(1)连接阳极极板(2)，阳极极板(2)连接胶垫(3)，胶垫(3)分别连接膜电极(4)和阴极极板(5)，阴极极板(5)连接阴极端板(6)。
2.根据权利要求1所述的一种轮辐式自呼吸微型燃料电池，其特征在于所述的阴极 极板(5)包括气体直孔通道(7)和轮辐沟道(8)，气体直孔通道(7)连接轮辐沟道(8)。
3.一种轮辐式自呼吸微型燃料电池的制备方法，其特征在于工艺流程如下清洗硅 片；利用低压化学气相淀积法在硅片表面制备作为腐蚀掩模的氮化硅Si3N4薄膜；利用光刻 技术在薄膜上形成掩模图形，以实现选择腐蚀的目的；采用40%的KOH溶液对硅片进行各 向异性腐蚀；利用反应离子刻蚀法去除硅片表面残留Si3N4薄膜；采用激光加工技术在硅片 表面形成侧壁陡直的进出口通道；利用磁控溅射技术在硅片腐蚀面形成Ti/Au的金属层， 用以收集和传导电流；这样电池硅基阴阳极极板加工完成；如极板材料是金属，则采用冲 压不锈钢的方法制作阴极极板和阳极极板；根据具体的设计需要可以选择不同的辐条宽度 和沟道深度，辐条数目为1条或2条或多条，每一排辐条沟道的尺寸是均勻或是渐变的；阳 极极板安装在导流有机玻璃上，利用微机械加工的方法在此导流有机玻璃制作成导流通道 和有选择性开口的进液口，封装所用的阴极端板和阳极端板，利用微细精密加工技术加工 高分子材料制成，将电池各部分组件固定好，保证电池不会漏液及阴，阳极连接的紧密性。
全文摘要
本发明提供一种利用微细精密加工技术的轮辐式自呼吸微型燃料电池及其制备方法。它是由阳极端板、阳极极板、胶垫、膜电极、阴极极板和阴极端板组成的，阳极端板连接阳极极板，阳极极板连接胶垫，胶垫分别连接膜电极和阴极极板，阴极极板连接阴极端板。制备方法是利用低压化学气相淀积法在硅片表面制备作为腐蚀掩模的氮化硅Si3N4薄膜；利用光刻技术在薄膜上形成掩模图形，利用磁控溅射技术在硅片腐蚀面形成Ti/Au的金属层，利用微细精密加工技术加工高分子材料制成。本发明结构紧凑、有效降低电池内阻、工艺流程简单、制造成本低、确保成品率、占用空间小，节省体积。
文档编号H01M4/86GK101867052SQ20101019971
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者何洪, 刘晓为, 张博, 张宇峰, 樊琪, 王诗博 申请人:哈尔滨工业大学