CN101390231A - 包括微型碳导流板的微型燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种改进的微型燃料电池，包括具有流体通道壁和由高温聚合物形成的隔离器的导流板。导流板在足以将所述板转化为导电碳结构的温度下加热。在一个实施方案中，流体通道壁和隔离器分别形成并用粘结剂材料粘合在一起，所述粘结剂材料在热处理工艺期间转化为导电碳并作为物理的和电学粘结剂。将导电碳导流板与膜、电极、催化剂载体和气体扩散层以及气体入口和出口组装在一起，以形成燃料电池结构。燃料电池结构优选用环氧树脂密封。膜优选由吸湿性材料形成，并且其尺寸大于导流板使得膜的一部分保留暴露于组装的燃料电池外部的环境。

Description

包括微型碳导流板的微型燃料电池

技术领域

本发明涉及微型燃料电池，更具体地涉及包括微型碳导流板的微型燃料电池。

背景技术

耗能移动电子设备的激增已经产生所谓的“能量缺口(power gap)”。包括Li-离子技术在内的当前移动电能解决方案不能满足便携式器件日益增加的电能需求。由于功能集成性的增加和由于大量数据的传递而增加的电能需求会在未来器件中加剧。电池技术不能跟上集成电路(IC)技术飞速发展(摩尔定律)的一个原因是：由于为了增加电池容量，必须设计将更多能量填塞入有限体积的方法。在IC技术的情况下，通过将更小/更微细的特征图案化到硅衬底上，越来越多的功能已被填塞到有限面积物理区域中。

有希望替代移动应用中的电池的一项技术是燃料电池。燃料电池提供优于其它移动电源的以下优点：1)用于燃料电池的燃料通常具有大大高出它们的电池相对物的的能量密度(根据参考文献，近似为10×)；2)能量瞬间再充满(而不是长时间对电池进行充电，燃料电池盒(cartridge)可替换)；3)燃料电池是清洁和高效的；4)为增加燃料电池的功率密度，仅仅需要增加燃料电池内的表面对体积比，这比设计新的材料化学要简单得多。

此外，微制造燃料电池设计提供以下优点：1)电化学反应(传热以及传质)全部都是表面现象；2)增加的功率密度(由于高的表面对体积比)；3)低成本(由于更少的材料成本)；4)高效率(由于高的表面对体积比和三相界面的相应增加)；5)提高的催化剂利用(由于对催化剂沉积的更好控制)；6)简化的系统复杂性；7)新的燃料电池应用；8)更易于在小的区域内保持均一环境(由于较短的导电通道)；9)可减少装置的其余部分，进一步减少总的重量和体积。

尽管高效的大规模燃料电池(近似为1-200kW)，已得到开发和商业化，但是已经证明制造高效的微型燃料电池更困难。由于材料和制造方法不可用于微制造，所以难以小型化传统的燃料电池设计(诸如燃料电池堆)以制造便携式燃料电池。其原因之一是由于对于许多材料诸如大型燃料电池设计中使用的石墨还没有开发小型化工艺。已有尝试用其它材料诸如不锈钢、铝(Al)、钛和导电塑料替代用于常规PEM燃料电池的高纯度石墨双极隔离器，但是这些材料由于使用寿命(由于腐蚀)和接触电阻问题都没有替代碳作为可选择的材料。由于微电子机械系统(MEMS)制造技术传统上局限于材料(硅、金属、玻璃、某些陶瓷等)的板，所以材料问题在MEMS基燃料电池设计中甚至更加突出。此外，由于用于MEMS基器件的小型化工艺主要源于IC技术，所以大多数工艺是表面加工技术。因此已趋向于平面整体式MEMS燃料电池设计。其它的非平面燃料电池设计涉及不适于制造的复杂制造方案。

如上所述，机械加工的石墨在大规模燃料电池中用作双极板材料。在燃料电池中，来自每个电池的电压根据损失的发生通常为约1V。需要串联堆叠几个电池以产生“可用的”电压。双极板是堆叠电池的最优方法。它们作为电池之间的导电隔离器，隔离燃料与氧。双极板的流体通道用于将气体扩散穿过整个电池。在微型燃料电池的情况下，由于石墨难以机械加工和由于传统上最易于利用IC和MEMS技术制造小结构，所以没有选择石墨作为材料。如所提及的，大多数IC和MEMS技术是平面微加工技术。体型微加工技术诸如硅的KOH蚀刻可用于产生3D双极板设计，但是这些技术通常是慢的且不经济的。由于这些原因，微型燃料电池领域中许多技术都支持平面设计(许多利用“触发器(flip-flop)”连接)。平面设计在待供电器件是平面的并具有大面积的应用(显示器等)中具有优点，但是燃料电池不能用于不具有大面积的应用。这些设计的缺点是燃料电池必须铺展至大的面积上。优选使用双极板的结构以产生密实的立体封装。

发明内容

本发明中描述的实施方案提供包括微型导电碳导流板的改进微型燃料电池以及便于形成所述微型燃料电池的方法。在一个实施方案中，由高温聚合物片机械加工流体通道壁和隔离器并将两者粘合在一起以产生导流板，所述实施方案仅仅作为实例在下面进行描述而不限制本发明。导流板然后在足以将所述板转化为导电碳的温度下加热。用于粘合流体通道壁和隔离器的物理粘结剂优选转化为导电碳并作为物理和电学粘结剂。然后组装导电碳导流板与膜、电极、催化剂载体和气体扩散层以及气体入口和出口以形成燃料电池结构。

在另一个实施方案中，通过模制、冲压和/或机械加工工艺由高温聚合物形成包含流体通道壁和隔离器的整体结构导流板，然后转化为导电碳，所述实施方案仅仅作为实例在下面进行描述而不限制本发明。作为二个实施方案的替代方案，在碳化工艺前将包括电极的气体扩散层粘结于导流板。

在另一个实施方案中，将由碳制造双极导流板的方法用于制造密实的立体封装，所述实施方案仅仅作为实例在下面进行描述而不限制本发明。双极导流板包括在隔离器两侧上形成的流体通道壁。

碳具有以下优点：碳是用于较大型燃料电池的材料，因此已经清楚地知悉许多关于其在燃料电池环境中的应用。与金属不同，碳在燃料电池环境中也是惰性的，而大部分金属用于燃料电池时发生腐蚀。在燃料电池环境中惰性的贵金属是昂贵的。自炭化(self-charring)聚合物是易于转化为碳同时保留其形状的高温聚合物。在优选实施方案中，可机械加工的高温聚合物用于制造导电碳导流板。或者，可模压的高温塑料例如聚氨酯、环氧树脂等用于制造导电碳导流板。

在另一个实施方案中，提供用于将机械粘结剂转化为机械和电学粘结剂的方法，所述实施方案仅仅作为实例在下面进行描述而不限制本发明。通过使用聚合物粘结剂粘结燃料电池的所有部件可最小化内电阻。在惰性环境中进行高温处理会将聚合物粘结剂转化为碳，主要产生单个均匀的结构。与当前用于常规质子交换膜(PEM)燃料电池(使用压力确保电连接)中的电接触相比，该方法可提供更低的内电阻和机械强度。

在许多堆叠的燃料电池结构中，压力施加于燃料电池的顶部和底部以确保层和用于密封燃料电池外缘的衬垫之间足够的电连接。这些设计中存在泄漏的问题。为避免泄漏问题，优选使用环氧树脂作为微型燃料电池的永久密封剂。环氧树脂看来不会使燃料电池催化剂中毒或显著影响以下讨论的燃料电池的优选实施方案的膜。由于环氧树脂耐酸性环境以及其机械稳定性，所以优选使用环氧树脂作为永久密封剂密封整个燃料电池结构。

在小型燃料电池设计中水处理倾向于是一个重要问题。在优选方法中，倾向于防止膜的干燥而无需加湿干燥的氢。膜优选由吸湿性材料例如Nafion形成。优选地，所述膜大于燃料电池的导流板，使得当导流板和膜组装到燃料电池中时，膜的一部分暴露于燃料电池周围的环境，使得通过暴露部分的水化将水供给到内部的膜。通过供应水分至燃料电池的外部部分，利用膜的吸湿倾向来水化燃料电池内部的膜部分。

通过考察以下附图和详述，本发明另外的系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将变得更清楚。全部这些另外的系统、方法、特征和优点包括于本说明书中，落在本发明的范围内，并且由所附权利要求保护。本发明也不限于示例实施方案的细节。

附图说明

本发明的关于其结构与操作的细节可通过研究附图部分地了解，附图中相同的附图标记表示相同的部件。附图中的部件不必是按比例的，而是重点在于说明本发明的原理。而且，所有的说明用于说明原理，其中相对尺寸、形状及其他详细特征可示意地说明而不是字面地或精确地说明。

图1是显示用于形成微型燃料电池的方法的流程图。

图2A和2B是用于形成导流板的流体通道壁的平面图。

图3A是流体通道壁和用于形成导流板的板的分解装配立体图。

图3B是用于形成燃料电池的组装的导流板的立体图。

图4是用于形成燃料电池的整体结构双极导流板的立体图。

图5是碳转化工艺后导流板的立体图。

图6是膜电极组件的平面图。

图7A是组装为燃料电池的一对导流板、膜电极组件以及气体入口和出口的平面图。

图7B是图7A中的燃料电池沿图7A的线7B-7B截取的截面图。

图7C是图5中燃料电池的立体图。

图8A是显示1cm×1cm聚合物方块和由聚合物片机械加工得到的流体通道壁的照片。

图8B是组装以形成具有蛇形通道的通道壁结构的相对流体通道壁聚合物结构的照片。

图9是显示导流板结构碳化之前的照片。

图10是显示导流板结构碳化之后的照片。显示的导流板结构是三层双极碳导流板结构。

图11是显示在1cm×1cm聚合物方块左侧的两个碳化后导流板结构的照片，说明由于碳化引起约20％的收缩。

图12是显示完成的膜电极组件的照片。

图13是具有连接的氢气和氧气管线和用银环氧树脂连接的导线的最终燃料电池组件的照片。

图14是说明燃料电池的I-V曲线和功率的图。

具体实施方式

详细参考附图，本发明中描述的系统和方法便于使用C-MEMS技术构造包括微型碳导流板的微型燃料电池。C-MEMS技术使得能够相对简单地制造微型的堆叠双极质子交换膜(PEM)燃料电池。C-MEMS是如下的制造技术：通过在惰性或还原环境中将前体结构处理至高温(通常约大于等于900℃，而在有些情况下为约大于等于2600℃)制造导电碳器件。虽然发生一些收缩，但是由于收缩是等比例的所以在碳化工艺期间几何结构得到很大程度上的保留。2005年2月5日提交的美国专利申请No.11/057,389和2007年1月19日提交的美国专利申请No.11/624,967分别详述了使用SU-8光刻胶和聚酰亚胺的制造工艺的细节，所述申请通过引用并入本发明中。

C-MEMS碳的电学表征结果显示处理至高温(～1000℃)的光刻胶具有接近于可商业得到的玻璃碳的电阻率。对于薄的双极板，这些电阻应该大于足够用于工作燃料电池平台(working fuel cell platform)的电阻。

C-MEMS技术允许使用已经用于大规模燃料电池的材料即碳制造微型燃料电池部件。当用于微型燃料电池时，C-MEMS技术提供以下优点：

1.具有碳双极板的新型双极设计。虽然平面/单片设计适于可得到大面积的应用，但是双极设计更好地适合于优选小的三维封装的情况。具有碳双极板的双极(而不是平面/单片式)设计允许微型燃料电池的小尺寸的立体封装。

2.由于双极导流板、气体扩散层和催化剂载体层全部由碳制成，它们可集成并制造为单个均匀结构。这在提高机械强度的同时降低了复杂性和内电阻。

3.使用纳米材料和控制的微结构(使用聚合物粘结剂)而提高的表面积。已经开发了提高C-MEMS表面积的技术并且可用于进一步增加C-MEMS结构的燃料电池的表面积。

4.使用C-MEMS材料的粘结用于提高电接触。在C-MEMS技术中，由于物理粘结剂在热解工艺期间转化为碳，所以物理粘结剂也可以作为电学粘结剂。

5.控制碳前体允许碳自身的材料设计。

6.可碳化天然材料以产生具有大的表面/体积比的多孔膜，并且可以使用纳米材料进一步提高。

自炭化聚合物是当加热处理时产生炭化(碳)层而不是熔化或直接释放大量气体的聚合物。当由聚合物前体制造碳结构时，保持来自烃的尽可能多的碳是有利的。因此聚合物的炭化特性对于用于C-MEMS的材料是重要的。通过热固性聚合物的交联和链硬化可改善炭化特性，通常炭化聚合物倾向于具有高的熔点、玻璃化转变温度(Tg)和操作温度。高温聚酰亚胺在所有广泛可得到的聚合物中具有最高的玻璃化转变温度(通常～400℃)，因此聚酰亚胺是制造微型燃料电池的优选材料。

Dupont的

是通常使用的聚酰亚胺膜，其没有可测量的熔化温度并具有360～410℃的玻璃化转变温度。

膜在1000℃下热解。和SU-8负性光刻胶的膜不同，热解的

膜不是脆性的，因此当处理时不会破裂为碎片。所述膜在热解之后显示出极好的导电性。PI-5878G是可湿蚀刻的高Tg标准旋涂聚酰亚胺，其可作为来自HD Microsystems的SP系列的一部分而得到。施加的膜的Tg是400℃。用PI-5878G进行初始实验以试验所述材料是否可用于物理和电学粘结材料以产生均匀的碳结构。使用

片和纸的初始试验表明：热解之后，PI-5878G提供极好的物理和电学粘结。聚酰亚胺固体和PI-5878G的使用是用于产生均匀碳结构的具有吸引力的方法，这是由于所述结构即使在热解之前也是均匀的聚酰亚胺结构。

不能以厚膜(>5密耳)来获得。对于诸如在下文中描述的微型燃料电池的应用，优选使用较厚的聚酰亚胺膜。Dupont的

是由100％

组成的材料。由

片组成的

片使用无粘合剂的粘结技术粘结。

或者，在高温下转化为导电碳的高温塑料例如聚氨酯、环氧树脂等可用于形成用于燃料电池的导流结构。

选择形式为20密耳

片和PI-5878G的聚酰亚胺用作制造微导流碳板的材料，所述微导流碳板用于以下详细讨论的初始原型。虽然全部燃料电池堆的制造优选包括使用微导流双极板，但是使用两个单极板制造初始原型。

在关于图7A-7C中所示的初始燃料电池原型描述的一个实施方案中，导电碳微导流板112(见图5、10和11)在制造期间将与气体扩散层、电极和催化剂载体层组件120物理地和电学地粘结(见图6和12)。这将导致在燃料电池130内形成单个整体碳结构。

在一个替代实施方案中，将包括导流板、电极、催化剂载体层和气体扩散层的整个流体通道/电极组件制造为均匀的整体结构，用于改善机械特性(提高的强度，需要更少的密封)和电特性(降低的内电阻)。例如，包括催化剂载体层和气体扩散层的电极可在热解之前粘结于导流板(双极导流板的两侧)。优选为碳纸(例如，Toray碳纸)的气体扩散层可在热解之前与导流板(在其每一侧上)结合，并且催化剂墨可在热解之后施加到该纸。由热解工艺形成单个连接的结构。结果，不必依赖使用压力将碳部件挤压在一起来进行密封和电连接。

当设计具有小的通道尺寸的燃料电池时，另一个要考虑的重要设计要素是较小的通道尺寸会增加通道内的压降。通道的总长度应该短以确保驱动气体穿过流体通道所需的压降不会过大。已经发现最优的通道尺寸为约100～约500微米。由于特征尺寸为500微米的流动通道可容易地机械加工而不必使用光刻，所以将500微米的通道尺寸用于初始微型燃料电池原型。

除证实微型碳导流板用于微型燃料电池堆的可行性之外，初始原型使用用于微燃料电池的新型密封和水化方法。新型水化方法提供在微燃料电池内的简单和高效的水处理。

在许多堆叠的燃料电池结构中，压力施加于燃料电池的顶部和底部以确保层和用于密封燃料电池外缘的衬垫之间足够的电连接。这些设计中存在泄漏问题。为避免这样的泄漏问题，使用环氧树脂作为初始微型燃料电池原型的永久密封剂。由于环氧树脂耐酸性环境和其机械稳定性，所以将环氧树脂用作永久密封剂。环氧树脂未表现出使燃料电池的催化剂中毒或显著影响燃料电池内的膜。

在微型燃料电池设计中水处理是重要的问题。本发明中描述的方法用于防止膜的干燥而无需加湿供应至燃料电池的干燥氢气。在一个优选实施方案中，膜由吸湿性材料例如

形成并大于其它部件而使得膜的一部分暴露于外部环境。利用

的吸水性以通过供应水分至外部部分来水化内部

膜。

参考图1，描述了用于形成微燃料电池的制造方法10。在步骤12中，由碳前体材料构造导流板。在用于形成初始原型的一个实施方案中，流体通道壁100和100′(图2A和2B)和隔离器108通过机械加工高温聚合物片形成并粘结在一起以制造导流板110(图3A和3B)。或者，流体通道壁100和100′以及隔离器108可通过模制或冲压工艺形成。在一个替代实施方案中，包括流体通道壁和隔离器的导流板通过模制、冲压和/或机械加工由高温聚合物形成为整体结构。例如参见图4，其中双极导流板110′形成为具有在隔离器两侧上形成的流体通道壁的整体结构。

在步骤14中，通过在足以将导流板结构转化为导电碳的温度下热处理导流板结构，使导流板结构110(或110′)转化为碳结构112(图5)。用于粘结导流板的物理粘结剂也优选用作电学粘结剂；然后，在步骤16中，电极112和114与优选由

构造的吸湿膜126结合，以制造膜电极组件(MEA)120(图6)；在步骤18中，将MEA120、碳化的导流板112组装为燃料电池夹层结构130，并且在步骤20中将气体入口132和出口134连接至结构130(图7A-7C)。作为替代方案，包括电极的气体扩散层可在热解之前粘结于导流板110；在步骤22中，用环氧树脂136密封整个燃料电池结构130；在步骤24中，将导线固定到结构130。以下详述关于形成初始原型结构的这些步骤。

导流板构造：参考图2A、2B、8A和8B，对高温聚合物片例如聚酰亚胺片进行微机械加工，以形成流体通道壁100和100′。在制造原型时，对通过粘结几个

片以制造较厚的片制得的

片进行机械加工，以形成流体通道壁100和100′。当机械加工时和之后，

片置于聚酰亚胺P粘合剂上以将机械加工的片固定在适当位置(见图8B)。用500微米直径的端铣刀在T-tech电路板铣刀中机械加工500微米厚的

片，以制造流体通道壁。(之前的文献建议100微米～500微米是允许气体均匀扩散而通道不会被水阻塞的最优尺寸)。虽然由于易于处理而在初始原型中使用500微米的片，但是更薄的片可提供更低的内电阻以及可能最大化传质。然而，更薄的片倾向于难以处理，并且碳化时当手工处理时也易于破裂。

如上所述，使用蛇形流型，但是也可使用其它的流型诸如交错或螺旋交错流型。切割出导流件100和100′以及空白/裸露的1cm×1cm方块108(图8A)。

将机械加工的导流件100和100′，其包括基底102和由其延伸的指状物或通道壁104，与高温聚合物(优选和机械加工的塑料相同类型的聚合物)粘结在一起。导流件100和100′通过保持粘附于粘合剂材料而保持彼此对准。将导流件小心地转移至聚酰亚胺带P，以避免当粘结剂材料固化时粘合剂材料的熔化。

空白方块108用作气体隔离器。虽然5密耳厚的Kapton方块已经用作隔离器，但是由于机械强度而优选采用较厚的

如图3A、3B和9所示，虽然导流件100和100′粘结于空白方块108的一侧以制造原型，但是导流件100和100′可以粘结于空白方块108的顶部和底部以制造用于燃料(氢、甲醇等)和氧化剂(空气、氧等)的双极导流板。如图10中所示，已经使用本发明中描述的方法制造了这样的三层双极板114。

用于将导流件100和100’粘结于空白108的粘结材料优选为聚酰亚胺。对于原型，使用的粘结材料是来自HD Microsystems的PI5878G。施加粘结材料之前，用异丙醇、丙酮和再次用异丙醇连续清洗导流件100和100′以及空白方块108。用干燥氮气干燥所述部件之后，采用棉签(cotton swab)施加PI5878G聚酰亚胺。施加后，需要通过使用加热元件升高温度并在该温度下保持预定时间来使粘结材料固化。在这种情况下，通过在热板上以低于4℃/min的速率升温至200℃来固化PI5878G。将温度保持在200℃1小时。然后关掉热板并将聚酰亚胺置于热板上使其缓慢冷却。因为导流件100和100’与空白方块108现在在原位粘结以形成如图3B所示的导流板110，所以然后除去聚酰亚胺带。图9显示导流板结构110碳化前的照片。

然后在惰性环境中高温处理粘结的结构110，以将整个结构转化为导电碳。将耐高温的重物诸如钢重物置于结构110的顶部以避免翘曲。使用末端开口的石英炉，在合成气体(5％的氢、95％的氮)环境中以两步工艺热解整个结构110。在12分钟内将温度从室温升高至300℃。关掉加热元件并且保留热炉30分钟以完全固化和热处理聚酰亚胺。30分钟后，炉温是220℃。在60分钟内将温度升高至900℃并在900℃保持1小时，以将聚酰亚胺完全转化为碳。然后将炉断电并使其缓慢冷却至室温。

为提高电导率，温度可升高至高于900℃的温度，并且在一些情况下升高至高于2600℃的温度，例如当期望获得石墨时。

重要的是要注意在最终结构中存在一些收缩。观察到碳化前导流板110(图3B)和碳化后的导流板112(图5)之间存在约20％的长度和宽度的收缩。图11是显示在1cm×1cm的

方块108左侧的碳化后的两个导流板112的照片。将图9所示的结构碳化以制造图11所示的碳导流板。可看出约20％的收缩。

膜电极组件(MEA)结构：Nafion片(Nafion 115)用作用于初始原型的图6所示的膜126。优选将厚度为～5密耳的膜126切割为稍微大于碳化导流板112尺寸的尺寸。将切割为碳化导流板112的尺寸的电极122和124挤压到膜126的每一侧中。

在原型的情况下，将商品燃料电池电极122和124切割为碳化导流板112的尺寸。商品燃料电池电极优选包括在其一侧上装填有铂催化剂的碳纸(作为气体扩散层)。用聚四氟乙烯对电极进行预处理以使得水易于通过。在阳极侧仅需要用PtRu替代催化剂以制造直接甲醇燃料电池。对于初始原型，使用具有1mg/cm²装填量的电极20wt％Pt/Vulcan XC-72。

将5％Nafion溶液刷涂在电极具有铂催化剂的一侧上。Nafion通过以下一系列加热浴(全部在80℃下)进行活化：DI水1小时、30％过氧化氢1小时、～10M硫酸(纯H₂SO₄和DI水的1：1稀释液)1小时、最后在DI水中快速漂洗。Nafion优选在水中储存直至制造MEA。

电极122和124置于Nafion片126的两侧并挤压到Nafion片126中。虽然建议～2Mpa的压力，但是使用C-夹具将电极挤压到Nafion片中。全部在具有用水浸泡的织物的玻璃器皿下加热以防止Nafion干燥。将Nafion和电极升温至90℃保持1小时，至130℃保持30分钟，在130℃下夹紧C-夹具并且在130℃下保持5分钟。关掉热板，并使其缓慢冷却至室温。图12显示完成的MEA120的照片。

集成为微型燃料电池：转到图7A-7C和13，碳化导流板112与MEA120对准。使用C-夹具用压力将导流板112-MEA120-导流板112组件130保持在一起。由于石蜡容易除去，所以在C-夹具和结构之间使用石蜡以防止破裂。

或者，包括催化剂载体层以及气体扩散层的电极可在热解之前粘结于导流板(双极导流板的两侧)。优选为碳纸(例如，Toray碳纸)的气体扩散层可在热解之前与导流板(在其每一侧上)结合在一起，催化剂墨可在热解之后施加于该纸。由热解过程形成单个的连接结构。

将注射器针头132和134插入流体入口和流体出口以提供外部气体或流体源的接口。环氧树脂136用于密封和使得针头保持在原位。

使用两部分环氧树脂密封燃料电池130。自由施加环氧树脂，但是未覆盖整个Nafion 126片。未覆盖有环氧树脂的Nafion片126可暴露于水/湿气，水可扩散进入燃料电池130内。

暴露的碳表面用作电接触区域。可使用导电银环氧树脂将导线138连接到该区域以便于连接。

当在室温下使用未加工的电解槽装置(采用在硫酸钠溶液中的铂电极)时，测量到871mV的开路电压。燃料电池的闭路最大电流稳定在3.11mA(电压为110mV)。燃料电池的IV曲线和功率示于图14。最大功率输出是0.773mW。由于燃料电池面积是0.64cm²，所以实际功率输出是1.21mWcm^-2。由IV曲线可计算出燃料电池的内电阻是约210欧姆。使用相同的电极和催化剂装填，但是在90℃下，每种气体的压力为101kPa(1个大气压)时，测量到功率峰值为6.7mW cm^-2。由于运行的温度低并且燃料电池的面积极小(是典型的便携式燃料电池的～1/500)，所以C-MEMS燃料电池130的实际功率输出预期低于6.7mW cm^-2。面积小也是内电阻大的原因。通过使用较薄的

膜可最小化该内电阻。不确定燃料电池是否以最高效率运行。采用较高压力的燃料/氧气流量时，开路电压可能会增加。在将来的试验中，将在80℃下进行采用加压的氢和氧源的试验。

如本发明中所提供的，已经使用通过热解机械加工的聚酰亚胺制造的新型导流板制造了微型燃料电池。使用环氧树脂密封来密封燃料电池，并且使用暴露Nafion膜的水处理技术。认为本发明中所公开的燃料电池原型是利用碳导流板的世界上最小的PEM燃料电池。

包含微型碳导流板的微型燃料电池的优点包括：1)采用碳双极板的新型双极(而不是平面/单片式)设计将允许微型燃料电池的小尺寸立体封装；2)由于双极导流板、气体扩散层和催化剂载体层全部由碳制成，所以它们可集成并制造为单个均匀的结构。这降低了复杂性和内电阻同时提高了机械强度；3)使用C-MEMS材料的粘结用于提高电接触(C-MEMS技术中，由于物理粘结剂在热解工艺期间转化为碳，所以物理粘结剂也可以作为电学粘结剂)；和4)简单并有效的密封和水处理。

未来的优点将包括：5)使用纳米材料和控制的微结构(使用聚合物粘结剂)增加的表面积；6)控制碳前体允许碳自身的材料设计；7)可用的被动和主动设计；8)可使用天然材料用于具有大的表面/体积比的多孔膜，并且使用纳米材料可进一步提高表面/体积比。

虽然本发明可以做出各种改变和替代形式，但是已经在附图中显示并在本发明中详细描述了本发明的具体实例。然而，应该理解本发明不限于公开的特定形式，而是相反地，本发明覆盖落入本公开精神内的全部改变、等同物及替代。此外，也应该理解本发明中描述或所示的任何实施方案的特征或特性可与任何其它实施方案结合、混合或交换。

Claims (25)

1.一种制造燃料电池的方法，包括：

由聚合物材料形成第一和第二导流板；

在惰性环境中，在足以将所述聚合物材料转化为导电碳的温度下热处理所述第一和第二导流板；

将所述第一和第二导流板与夹在其间的膜以及第一和第二气体扩散层组装在一起，

将气体入口和出口连接到所述第一和第二导流板，和

密封包括第一和第二导流板、膜、第一和第二气体扩散层、以及气体入口和出口的组装结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述密封步骤包括施加环氧树脂以密封所述组装结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述导流板是双极板。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述导流板包括流体通道壁和隔离器。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述形成步骤包括分别形成所述流体通道壁和隔离器以及粘结所述通道壁和隔离器以形成所述导流板。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述热处理步骤包括将用于粘结所述通道壁和隔离器的材料转化为导电碳。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述组装步骤包括在所述热处理步骤之前将所述第一和第二气体扩散层粘结到所述第一和第二导流板。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一和第二气体扩散层包括电极。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一和第二气体扩散层是碳纸。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括将催化剂施加于所述第一和第二气体扩散层的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一和第二气体扩散层包括电极。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一和第二气体扩散层是碳纸。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述组装步骤包括将所述膜的一部分暴露于所述组装结构外部的环境。

14.根据权利要求1所述的方法，还包括通过将所述组装结构外部的所述膜的一部分暴露于水而水化所述组装结构内部的所述膜的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述膜由吸湿性材料形成。

16.根据权利要求1所述的方法，还包括从外部水化所述膜的步骤。

17.一种燃料电池，包括：

由转化为导电碳的聚合物材料形成的第一和第二导流板，和

插入所述第一和第二导流板并具有暴露于所述燃料电池外部的一部分的吸湿性膜。

18.根据权利要求17所述的燃料电池，还包括施加于所述燃料电池外部的环氧树脂密封件。

19.根据权利要求18所述的燃料电池，其中所述第一和第二导流板包括流体通道壁和隔离器。

20.根据权利要求19所述的燃料电池，其中用转化为导电碳的材料将所述流体通道壁和隔离器粘结在一起，以形成所述第一和第二导流板。

21.根据权利要求17所述的燃料电池，其中所述第一和第二导流板是双极板。

22.根据权利要求17所述的燃料电池，还包括插在所述膜与所述第一和第二导流板之间的第一和第二气体扩散层。

23.根据权利要求22所述的燃料电池，还包括施加于所述第一和第二气体扩散层的催化剂材料。

24.根据权利要求22所述的燃料电池，其中所述第一和第二气体扩散层包括第一和第二电极。

25.根据权利要求22所述的燃料电池，其中所述第一和第二气体扩散层由碳纸形成。

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