专利名称：硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构及制造方法
技术领域：
本发明涉及的是一种硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构，以及针对这种结构的电池制造方法。具体地说，本发明涉及的是一种可以采用基于微电子机械系统(MEMS)技术的硅加工工艺方法进行制造的直接甲醇燃料电池结构及其制造方法。
背景技术：
直接甲醇燃料电池(DMFC)作为一种微型便携式能源，有其内在的优势，较高的比能量和能量转化效率是人们感兴趣的主要原因。同时固定的外部结构和可随时填充的液体燃料，也为用户提供了便利条件。
20世纪90年代初提出了微电池的概念。2003年有报道称美国一家公司研制出微燃料电池。这种电池可用于移动电话、笔记本电脑等产品中。与此同时，日本的NEC和东芝公司也称其研制出可用于便携设备的燃料电池。随之，微型直接甲醇燃料电池迅速成为研究中的热点领域之一。然而加工制作用于便携式电源的微型燃料电池，并不是单一的降低电池的物理尺寸。例如，石墨流场结构的加工，会受石墨的脆性和模具的限制。以往的大尺寸燃料电池的制造方法不能直接应用于微型直接甲醇燃料电池的加工。
发明内容本发明目的是提供一种基于硅材料的微型液体进料直接甲醇燃料电池结构，以及针对这种结构的电池制造方法，即采用基于微电子机械系统(MEMS)技术的硅加工工艺的制造方法。
本发明的目的是这样实现的本发明产品的结构组成包括质子交换膜和位于质子交换膜两侧的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板与质子交换膜相对应的一例上有多孔硅层，在多孔硅层之上负载有催化层，阳极板的另一侧上有包括燃料存储腔体及导流通道的流场结构、并在其上键合有玻璃密封层，阴极板面向质子交换膜一侧上有流场结构，阳极板和阴极板上的催化层可分别作为电池的正极、负极连接引出导线。
本发明的产品还可以包括这样一些特征1、极板材料为电阻率为0.012～0.013Ω·cm的P型或N型<100>硅片。
2、质子交换膜为改性后的Nafion膜。
3、阴极板上的流场结构为等间距的、腐蚀深度为200μm～240μm作为空气供给通道的贯通型沟道。
4、阳极板上的流场中有呈点式分布的支撑点，支撑点中设有作为流场辅助导流板的条形岛。
本发明的产品是采用这样的方法来制造的以硅片为制作电池极板的原料，先分别用甲苯、丙酮和乙醇对硅片进行超声清洗，清洗后的硅片置于氧化炉中，控制氧化炉温度在1180℃，在水浴温度为95～97℃，氧气流量为1l/min的条件下通入氧气进行氧化，生成厚度为1.0～1.5微米的二氧化硅层，采用光刻方法刻出氧化层图形，再用HF酸腐蚀二氧化硅层，打开腐蚀硅体的窗口，用KOH溶液腐蚀硅体，在硅的正面加工出流场。对于阴极板在流场一侧、阳极板在非流场侧，采用硅阳极电化学腐蚀方法获得多孔硅层，之后在多孔硅层上沉积催化层，催化层可作为电池的电极而引出导线。在阳极板上采用激光打孔技术获得液体燃料通道，并在阳极板外侧采用硅—玻璃阳极键合方法获得玻璃密封层，玻璃密封层上腐蚀有燃料的进液和出液孔。双极板与质子交换膜组装在一起，其端部用树脂胶接密封。
本发明的方法还可以包括这样一些特征1、KOH腐蚀溶液的重量比浓度为30％-40％，腐蚀深度为150μm～240μm。
2、所述的玻璃密封层上的进、出液孔的腐蚀方法，是将玻璃片放在石墨板上并整个浸入在KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根导电的金属针将玻璃片紧压在石墨板上，使针与石墨作为电解池的两个电极，针接负电位。
3、所述的多孔硅层采用双槽硅阳极电化学腐蚀法获得。
4、所述的催化层采用化学镀贵金属或贵金属合金方法获得。
5、所述的催化层，阴极催化层为贵金属铂沉积层，阳极为铂-钌合金催化层。
微电子机械系统(MEMS)技术的硅加工工艺使用光刻、腐蚀和化学气相淀积等技术，在批量制造微系统和微结构上有明显的优势，与传统工艺相比，更适于用来加工微电池结构。本发明通过极板材料的选择，电池结构以及密封结构的设计等，使硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池可以采用微机械加工工艺来加工。电池使用甲醇水溶液作为燃料，氧气由大气供给，自然散热。此种电池的整体尺寸小于10mm×10mm×3mm。同时，通过半导体工艺技术和MEMS工艺技术加工制作的双极板，可以有效的完成流场的结构和电流收集，并可有效缩小燃料电池的体积。
本发明具有以下优点1、便于批量加工，工艺流程简单，制造成本低；2、可增加电池的结构强度，微化液体甲醇燃料电池，并保持其性能；3、容易实现燃料甲醇的循环供给，从而大大的节约燃料的使用量并提高燃料的利用率。
图1是本发明中电池组件的结构示意图；图2是组装后的单体电池示意图；图3是单电池的剖面图；图4是本发明中电池的制造方法流程图。
(五)具体实施方案结合图1、2和3，本发明中电池10的结构组成包括一个质子交换膜1和位于膜两侧的阳极板2和阴极板3，在阳极板的一侧键合有玻璃密封层4。双极板与质子交换膜组装在一起的端部用树脂胶接密封。其中阴极板的流场面向质子交换膜一侧，形式为等间距的腐蚀深度为200μm～240μm的贯通型沟道作为空气供给通道，在流场结构上形成多孔硅层11作为载体，在其上沉积有铂催化层5。阳极板的流场结构在背向质子交换膜的一侧，形式为在液体燃料的储存腔6中形成岛状阻流板，在流场中采用激光打孔的方法获得液体的微通道7，在阳极板面向质子交换膜的一侧为多孔硅层9，在其上沉积有铂—钌催化层8，其中燃料的存储腔深度为240μm。
结合图4说明本发明中电池的具体制造方法采用电阻率为0.012～0.013Ω·cm的P型或N型<100>硅片为极板材料，先分别用甲苯、丙酮和乙醇进行超声清洗，然后采用下列方法进行加工(1)硅片的氧化，清洗后的硅片置于氧化炉中，控制氧化炉温度在1180℃，在水浴温度为95～97℃，氧气流量为1l/min的条件下通入氧气进行氧化，生成厚度为1.0～1.5微米的二氧化硅层；(2)在硅片上采用光刻技术形成流场图形；
(3)采用湿法腐蚀技术可在硅片上形成流场，其中KOH腐蚀溶液的重量比浓度在30％-40％之间，腐蚀深度在150μm～240μm；(4)去除SiO2层形成多孔硅层。对于阴极板，多孔硅在流场一侧形成，对于阳极板，多孔硅在背向流场一侧形成。多孔硅的制备采用硅阳极电化学腐蚀方法，具体方法为采用组成为HF∶C2H5OH＝1∶1(体积比)的电解液体系，硅片作为阳极，铂片作为阴极，电流密度10mA/cm2条件下腐蚀30分钟获得多孔硅层；(5)催化层的淀积采用物理蒸发和化学镀相结合的方法获得金属催化层。其中阴极板侧为铂催化层，阳极板侧为铂-钌合金催化层；(6)液体微通道的获得，采用激光打孔的方法在阳极板硅片的液体燃料存储腔中打出若干小孔；(7)硅-玻璃键合获得玻璃密封层。其中玻璃片上燃料的进、出液孔的获得方法为将玻璃片放在石墨板上并整个浸入KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根导电的金属针将玻璃片紧压在石墨板上，使针与石墨作为电解池的两个电极，针接负电位，通高压电使其发生电化学反应；(8)电池的封装，具体方法为将质子交换膜置于阴极板和阳极板之间夹紧后，双极板与质子交换膜组装在一起的端部用树脂胶接密封，在两极板催化层一侧引出导线，即可制成单体电池如图2所示。
权利要求
1.一种硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构，它包括质子交换膜和位于质子交换膜两侧的阳极板和阴极板，其特征是阳极板和阴极板与质子交换膜相对应的一侧上有多孔硅层，在多孔硅层之上负载有催化层，阳极板的另一侧上有包括燃料存储腔体及导流通道的流场结构、并在其上键合有玻璃密封层，阴极板面向质子交换膜一侧上有流场结构，阳极板和阴极板上的催化层可分别作为电池的正极、负极连接引出导线。
2.根据权利要求1所述的硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构，其特征是极板材料为电阻率为0.012～0.013Ω·cm的P型或N型<100>硅片。
3.根据权利要求1所述的硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构，其特征是质子交换膜为改性后的Nafion膜。
4.根据权利要求1所述的硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构，其特征是阴极上的流场为等间距的腐蚀深度为200μm～240μm作为空气供给通道的贯通型沟道。
5.根据权利要求1所述的硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构，其特征是阳极上的流场中有呈点式分布的支撑点，支撑点中设有作为流场辅助导流板的条形岛。
6.一种硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其特征是以硅片为制作电池极板的原料，先分别用甲苯、丙酮和乙醇对硅片进行超声清洗，清洗后的硅片置于氧化炉中，控制氧化炉温度在1180℃，在水浴温度为95～97℃，氧气流量为1l/min的条件下通入氧气进行氧化，生成厚度为1.0-1.5微米的二氧化硅层，采用光刻方法刻出氧化层图形，再用HF酸刻蚀二氧化硅，打开腐蚀硅体的窗口，用KOH溶液腐蚀硅体，在硅的正面加工出流场，对于阴极板在流场一侧、阳极板在非流场侧，采用硅阳极电化学腐蚀方法获得多孔硅层，之后在多孔硅层上沉积催化层，催化层可作为电池的电极而引出导线。在阳极上采用激光打孔技术获得液体燃料通道，在阳极外侧采用硅—玻璃阳极键合方法获得玻璃密封层，玻璃密封层上腐蚀有燃料的进液和出液孔，双极板与质子交换膜组装在一起，其端部用树脂胶接密封。
7.根据权利要求6所述的硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其特征是KOH腐蚀溶液的重量比浓度为30％-40％，腐蚀深度为150μm～240μm。
8.根据权利要求6所述的硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其特征是所述的玻璃密封层上的进、出液孔的腐蚀方法，是将玻璃片放在石墨板上并整个浸入KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根导电的金属针将玻璃片紧压在石墨板上，使针与石墨作为电解池的两个电极，针接负电位。
9.根据权利要求6所述的硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其特征是所述的多孔硅层采用双槽硅阳极电化学腐蚀法获得。
10.根据权利要求6所述的硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其特征是所述的催化层采用化学镀贵金属或贵金属合金方法获得，其中阴极催化层为贵金属铂沉积层，阳极为铂-钌合金催化层。
全文摘要
本发明是一种硅基微型液体进料直接甲醇燃料电池的结构及其制造方法。它包括质子交换膜和位于质子交换膜两侧的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板与质子交换膜相对应的一侧上有多孔硅层，在多孔硅层之上负载有催化层，阳极板的另一侧上有包括燃料存储腔体及导流通道的流场结构、并在其上键合有玻璃密封层，阴极板面向质子交换膜一侧上有流场结构，阳极板和阴极板上的催化层可分别作为电池的正极、负极连接引出导线。硅基双极板的制作采用氧化、光刻、湿法腐蚀图形、硅阳极腐蚀多孔硅层、催化层的淀积、激光打孔等工艺。本发明的方法可以有效地完成本发明中涉及电池结构的加工，并可有效缩小燃料电池的体积，增加系统的稳定性和便于批量加工。
文档编号H01M8/10GK1770528SQ20051001033
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月16日 优先权日2005年9月16日
发明者刘晓为, 索春光, 张宇峰, 霍明学, 王喜莲 申请人:哈尔滨工业大学