專利名稱：硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)這種結(jié)構(gòu)的電池制造方法。具體地說，本發(fā)明涉及的是一種可以采用基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的硅加工工藝方法進(jìn)行制造的直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(DMFC)作為一種微型便攜式能源，有其內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)，較高的比能量和能量轉(zhuǎn)化效率是人們感興趣的主要原因。同時(shí)固定的外部結(jié)構(gòu)和可隨時(shí)填充的液體燃料，也為用戶提供了便利條件。
20世紀(jì)90年代初提出了微電池的概念。2003年有報(bào)道稱美國(guó)一家公司研制出微燃料電池。這種電池可用于移動(dòng)電話、筆記本電腦等產(chǎn)品中。與此同時(shí)，日本的NEC和東芝公司也稱其研制出可用于便攜設(shè)備的燃料電池。隨之，微型直接甲醇燃料電池迅速成為研究中的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。然而加工制作用于便攜式電源的微型燃料電池，并不是單一的降低電池的物理尺寸。例如，石墨流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的加工，會(huì)受石墨的脆性和模具的限制。以往的大尺寸燃料電池的制造方法不能直接應(yīng)用于微型直接甲醇燃料電池的加工。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種基于硅材料的微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)這種結(jié)構(gòu)的電池制造方法，即采用基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的硅加工工藝的制造方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成包括質(zhì)子交換膜和位于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽(yáng)極板和陰極板，陽(yáng)極板和陰極板與質(zhì)子交換膜相對(duì)應(yīng)的一例上有多孔硅層，在多孔硅層之上負(fù)載有催化層，陽(yáng)極板的另一側(cè)上有包括燃料存儲(chǔ)腔體及導(dǎo)流通道的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、并在其上鍵合有玻璃密封層，陰極板面向質(zhì)子交換膜一側(cè)上有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極板和陰極板上的催化層可分別作為電池的正極、負(fù)極連接引出導(dǎo)線。
本發(fā)明的產(chǎn)品還可以包括這樣一些特征1、極板材料為電阻率為0.012～0.013Ω·cm的P型或N型<100>硅片。
2、質(zhì)子交換膜為改性后的Nafion膜。
3、陰極板上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)為等間距的、腐蝕深度為200μm～240μm作為空氣供給通道的貫通型溝道。
4、陽(yáng)極板上的流場(chǎng)中有呈點(diǎn)式分布的支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)中設(shè)有作為流場(chǎng)輔助導(dǎo)流板的條形島。
本發(fā)明的產(chǎn)品是采用這樣的方法來制造的以硅片為制作電池極板的原料，先分別用甲苯、丙酮和乙醇對(duì)硅片進(jìn)行超聲清洗，清洗后的硅片置于氧化爐中，控制氧化爐溫度在1180℃，在水浴溫度為95～97℃，氧氣流量為1l/min的條件下通入氧氣進(jìn)行氧化，生成厚度為1.0～1.5微米的二氧化硅層，采用光刻方法刻出氧化層圖形，再用HF酸腐蝕二氧化硅層，打開腐蝕硅體的窗口，用KOH溶液腐蝕硅體，在硅的正面加工出流場(chǎng)。對(duì)于陰極板在流場(chǎng)一側(cè)、陽(yáng)極板在非流場(chǎng)側(cè)，采用硅陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕方法獲得多孔硅層，之后在多孔硅層上沉積催化層，催化層可作為電池的電極而引出導(dǎo)線。在陽(yáng)極板上采用激光打孔技術(shù)獲得液體燃料通道，并在陽(yáng)極板外側(cè)采用硅—玻璃陽(yáng)極鍵合方法獲得玻璃密封層，玻璃密封層上腐蝕有燃料的進(jìn)液和出液孔。雙極板與質(zhì)子交換膜組裝在一起，其端部用樹脂膠接密封。
本發(fā)明的方法還可以包括這樣一些特征1、KOH腐蝕溶液的重量比濃度為30％-40％，腐蝕深度為150μm～240μm。
2、所述的玻璃密封層上的進(jìn)、出液孔的腐蝕方法，是將玻璃片放在石墨板上并整個(gè)浸入在KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根導(dǎo)電的金屬針將玻璃片緊壓在石墨板上，使針與石墨作為電解池的兩個(gè)電極，針接負(fù)電位。
3、所述的多孔硅層采用雙槽硅陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕法獲得。
4、所述的催化層采用化學(xué)鍍貴金屬或貴金屬合金方法獲得。
5、所述的催化層，陰極催化層為貴金屬鉑沉積層，陽(yáng)極為鉑-釕合金催化層。
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的硅加工工藝使用光刻、腐蝕和化學(xué)氣相淀積等技術(shù)，在批量制造微系統(tǒng)和微結(jié)構(gòu)上有明顯的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)工藝相比，更適于用來加工微電池結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過極板材料的選擇，電池結(jié)構(gòu)以及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等，使硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池可以采用微機(jī)械加工工藝來加工。電池使用甲醇水溶液作為燃料，氧氣由大氣供給，自然散熱。此種電池的整體尺寸小于10mm×10mm×3mm。同時(shí)，通過半導(dǎo)體工藝技術(shù)和MEMS工藝技術(shù)加工制作的雙極板，可以有效的完成流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和電流收集，并可有效縮小燃料電池的體積。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、便于批量加工，工藝流程簡(jiǎn)單，制造成本低；2、可增加電池的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，微化液體甲醇燃料電池，并保持其性能；3、容易實(shí)現(xiàn)燃料甲醇的循環(huán)供給，從而大大的節(jié)約燃料的使用量并提高燃料的利用率。


圖1是本發(fā)明中電池組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是組裝后的單體電池示意圖；圖3是單電池的剖面圖；圖4是本發(fā)明中電池的制造方法流程圖。
(五)具體實(shí)施方案結(jié)合圖1、2和3，本發(fā)明中電池10的結(jié)構(gòu)組成包括一個(gè)質(zhì)子交換膜1和位于膜兩側(cè)的陽(yáng)極板2和陰極板3，在陽(yáng)極板的一側(cè)鍵合有玻璃密封層4。雙極板與質(zhì)子交換膜組裝在一起的端部用樹脂膠接密封。其中陰極板的流場(chǎng)面向質(zhì)子交換膜一側(cè)，形式為等間距的腐蝕深度為200μm～240μm的貫通型溝道作為空氣供給通道，在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)上形成多孔硅層11作為載體，在其上沉積有鉑催化層5。陽(yáng)極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在背向質(zhì)子交換膜的一側(cè)，形式為在液體燃料的儲(chǔ)存腔6中形成島狀阻流板，在流場(chǎng)中采用激光打孔的方法獲得液體的微通道7，在陽(yáng)極板面向質(zhì)子交換膜的一側(cè)為多孔硅層9，在其上沉積有鉑—釕催化層8，其中燃料的存儲(chǔ)腔深度為240μm。
結(jié)合圖4說明本發(fā)明中電池的具體制造方法采用電阻率為0.012～0.013Ω·cm的P型或N型<100>硅片為極板材料，先分別用甲苯、丙酮和乙醇進(jìn)行超聲清洗，然后采用下列方法進(jìn)行加工(1)硅片的氧化，清洗后的硅片置于氧化爐中，控制氧化爐溫度在1180℃，在水浴溫度為95～97℃，氧氣流量為1l/min的條件下通入氧氣進(jìn)行氧化，生成厚度為1.0～1.5微米的二氧化硅層；(2)在硅片上采用光刻技術(shù)形成流場(chǎng)圖形；
(3)采用濕法腐蝕技術(shù)可在硅片上形成流場(chǎng)，其中KOH腐蝕溶液的重量比濃度在30％-40％之間，腐蝕深度在150μm～240μm；(4)去除SiO2層形成多孔硅層。對(duì)于陰極板，多孔硅在流場(chǎng)一側(cè)形成，對(duì)于陽(yáng)極板，多孔硅在背向流場(chǎng)一側(cè)形成。多孔硅的制備采用硅陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕方法，具體方法為采用組成為HF∶C2H5OH＝1∶1(體積比)的電解液體系，硅片作為陽(yáng)極，鉑片作為陰極，電流密度10mA/cm2條件下腐蝕30分鐘獲得多孔硅層；(5)催化層的淀積采用物理蒸發(fā)和化學(xué)鍍相結(jié)合的方法獲得金屬催化層。其中陰極板側(cè)為鉑催化層，陽(yáng)極板側(cè)為鉑-釕合金催化層；(6)液體微通道的獲得，采用激光打孔的方法在陽(yáng)極板硅片的液體燃料存儲(chǔ)腔中打出若干小孔；(7)硅-玻璃鍵合獲得玻璃密封層。其中玻璃片上燃料的進(jìn)、出液孔的獲得方法為將玻璃片放在石墨板上并整個(gè)浸入KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根導(dǎo)電的金屬針將玻璃片緊壓在石墨板上，使針與石墨作為電解池的兩個(gè)電極，針接負(fù)電位，通高壓電使其發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；(8)電池的封裝，具體方法為將質(zhì)子交換膜置于陰極板和陽(yáng)極板之間夾緊后，雙極板與質(zhì)子交換膜組裝在一起的端部用樹脂膠接密封，在兩極板催化層一側(cè)引出導(dǎo)線，即可制成單體電池如圖2所示。
權(quán)利要求
1.一種硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)，它包括質(zhì)子交換膜和位于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽(yáng)極板和陰極板，其特征是陽(yáng)極板和陰極板與質(zhì)子交換膜相對(duì)應(yīng)的一側(cè)上有多孔硅層，在多孔硅層之上負(fù)載有催化層，陽(yáng)極板的另一側(cè)上有包括燃料存儲(chǔ)腔體及導(dǎo)流通道的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、并在其上鍵合有玻璃密封層，陰極板面向質(zhì)子交換膜一側(cè)上有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極板和陰極板上的催化層可分別作為電池的正極、負(fù)極連接引出導(dǎo)線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)，其特征是極板材料為電阻率為0.012～0.013Ω·cm的P型或N型<100>硅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)，其特征是質(zhì)子交換膜為改性后的Nafion膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)，其特征是陰極上的流場(chǎng)為等間距的腐蝕深度為200μm～240μm作為空氣供給通道的貫通型溝道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)，其特征是陽(yáng)極上的流場(chǎng)中有呈點(diǎn)式分布的支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)中設(shè)有作為流場(chǎng)輔助導(dǎo)流板的條形島。
6.一種硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征是以硅片為制作電池極板的原料，先分別用甲苯、丙酮和乙醇對(duì)硅片進(jìn)行超聲清洗，清洗后的硅片置于氧化爐中，控制氧化爐溫度在1180℃，在水浴溫度為95～97℃，氧氣流量為1l/min的條件下通入氧氣進(jìn)行氧化，生成厚度為1.0-1.5微米的二氧化硅層，采用光刻方法刻出氧化層圖形，再用HF酸刻蝕二氧化硅，打開腐蝕硅體的窗口，用KOH溶液腐蝕硅體，在硅的正面加工出流場(chǎng)，對(duì)于陰極板在流場(chǎng)一側(cè)、陽(yáng)極板在非流場(chǎng)側(cè)，采用硅陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕方法獲得多孔硅層，之后在多孔硅層上沉積催化層，催化層可作為電池的電極而引出導(dǎo)線。在陽(yáng)極上采用激光打孔技術(shù)獲得液體燃料通道，在陽(yáng)極外側(cè)采用硅—玻璃陽(yáng)極鍵合方法獲得玻璃密封層，玻璃密封層上腐蝕有燃料的進(jìn)液和出液孔，雙極板與質(zhì)子交換膜組裝在一起，其端部用樹脂膠接密封。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征是KOH腐蝕溶液的重量比濃度為30％-40％，腐蝕深度為150μm～240μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征是所述的玻璃密封層上的進(jìn)、出液孔的腐蝕方法，是將玻璃片放在石墨板上并整個(gè)浸入KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根導(dǎo)電的金屬針將玻璃片緊壓在石墨板上，使針與石墨作為電解池的兩個(gè)電極，針接負(fù)電位。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征是所述的多孔硅層采用雙槽硅陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕法獲得。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征是所述的催化層采用化學(xué)鍍貴金屬或貴金屬合金方法獲得，其中陰極催化層為貴金屬鉑沉積層，陽(yáng)極為鉑-釕合金催化層。
全文摘要
本發(fā)明是一種硅基微型液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)及其制造方法。它包括質(zhì)子交換膜和位于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽(yáng)極板和陰極板，陽(yáng)極板和陰極板與質(zhì)子交換膜相對(duì)應(yīng)的一側(cè)上有多孔硅層，在多孔硅層之上負(fù)載有催化層，陽(yáng)極板的另一側(cè)上有包括燃料存儲(chǔ)腔體及導(dǎo)流通道的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、并在其上鍵合有玻璃密封層，陰極板面向質(zhì)子交換膜一側(cè)上有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極板和陰極板上的催化層可分別作為電池的正極、負(fù)極連接引出導(dǎo)線。硅基雙極板的制作采用氧化、光刻、濕法腐蝕圖形、硅陽(yáng)極腐蝕多孔硅層、催化層的淀積、激光打孔等工藝。本發(fā)明的方法可以有效地完成本發(fā)明中涉及電池結(jié)構(gòu)的加工，并可有效縮小燃料電池的體積，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和便于批量加工。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1770528SQ20051001033
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者劉曉為, 索春光, 張宇峰, 霍明學(xué), 王喜蓮 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)