CN101436676A - 平板式微型直接醇类燃料电池组及其制作方法 - Google Patents

平板式微型直接醇类燃料电池组及其制作方法 Download PDF

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杨辉
黄庆红
曹剑瑜
袁婷
杜翀
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Abstract

本发明涉及一种平板式微型直接醇类燃料电池组及其制作方法，包括平板微型电池，所述的平板式微型燃料电池组采用一体化阴极流场板或阳极流场板，所述的一体化阴极流场板或阳极流场板是指采用MEMS技术在硅片材料上按照一定排列方式集成制备至少两个单体电池流场，并且每个单电池流场表面具有独立的导电层图形，该导电层互相隔离，并具有确定的图形和焊接位点便于电池组的串联连接。本发明提供了一种制备工艺简单、结构封装体积小、电池组串联效率高的平板式微型燃料电池组及其制作方法。

Description

平板式微型直接醇类燃料电池组及其制作方法
技术领域
本发明属微能源和微机电技术领域，特别是涉及一种平板式微型直接醇类燃料电池组及其制作方法。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种将燃料(如甲醇、甲酸、氢气等)与氧气反应的化学能直接转化为电能的装置，与其它化学电源相比，微型燃料电池具有能量转化效率高、能量密度高、对环境污染小等特点，因而在便携式数码产品(如笔记本电脑、iPod、PDA)，无线通讯网络(如手机、GPS、无线传感网)、微型传感系统(如MEMS器件、BioMEMS、μTAS)等领域具有非常广阔的应用前景。在微型化方案的选择上，目前，国际公认的是微机电系统技术，即MEMS技术。这是因为，该技术不但具有加工尺寸的微小性、高的分辨率(<1μm)高度重复性和加工的方便灵活性等优点，而且可以实现传统机械制造技术不能加工或很难加工的新的流场结构，有利于取得创新性的结果，使微型燃料电池(组)的性能有可能超过常规燃料电池。
目前微型燃料电池单体的性能还远不能满足实际电子产品的需求。以直接甲醇燃料电池为例，其单体电池的工作电压一般在0.3~0.4V，最大输出功率密度约在15~35mW/cm2，因此要满足大多数电子产品的工作需求，必须通过串联和/或并联的方式将多个单电池组合以提高输出电压和输出功率。
目前微型燃料电池组串联的文献报道很少。专利(200710062899.X)介绍了一种堆叠式硅基微型燃料电池组及制作方式，具有体积小、电池串并联方便等优点，但由于采用堆叠式结构，阴/阳极流场燃料必须通过主动进样方式，而且不能采用空气“自呼吸”结构，不利于微能源储能密度的提高。
平板式燃料电池组能够满足阴极空气“自呼吸”的结构要求，如中科院上海微系统所张熙贵等采用MEMS技术制作并组装了空气“自呼吸”的单体氢-空气燃料电池，然后将种单电池平板摆放串联形成电池阵列，能够实现空气“自呼吸”燃料电池组的串联，并获得了良好的结果。但该电池组先完成单体电池制作，然后将电池串联，因此该电池组的整个制作和封装工艺复杂，结构封装体积比较大。因此，平板式燃料电池组的关键问题在简化制备工艺、降低结构封装体积、提高电池组串联效率，并且能够确保封装的可靠性和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种解决上述燃料电池单电池输出电压低、输出功率小等问题，提出了一种平板式微型燃料电池组，该电池组的单个电极板集成了多个微流场单元，有利于多个电池的直接串/并联，并能够实现阴极空气“自呼吸”结构要求，提高微型燃料电池组的集成度。本发明提供了一种制备工艺简单、结构封装体积小、电池组串联效率高的平板式微型燃料电池组的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种平板式微型直接醇类燃料电池组，包括平板微型电池，所述的平板式微型燃料电池组采用一体化阴极流场板或阳极流场板，所述的一体化阴极流场板或阳极流场板是指采用MEMS技术在硅片材料上按照一定排列方式集成制备至少2个数量和大小可按照实际需要在一定范围内调节，通常在2～10个，单体电池流场，并且每个单电池流场表面具有独立的导电层图形，该导电层互相隔离，并具有确定的图形和焊接位点便于电池组的串联连接。
所述的平板式微型燃料电池组采用MEMS技术在硅片双面光刻腐蚀制作对应流场阵列微结构，表面通过金属淀积、刻蚀技术制作图形化的导电图层，实现在平板上集成至少2个流场微结构和微电极；与对应的MEA对准组装，焊接各电池的微电极的正负极，实现平板上微型燃料电池的串联组装。
所述的阴极流场采用主动模式下的微流道结构，包括微孔、蛇形、并行、点状、zigzag、插指或它们的组合结构，或者被动模式下的空气“自呼吸”结构，包括微孔式、点状双层复合结构。
所述的阳极流场采用主动模式下的的微流道结构，包括微孔、蛇形、并行、点状、zigzag插指或它们的组合结构，或者被动模式的下的微孔式、点状双层复合结构。
所述的导电层采用金属蒸发、溅射或电镀技术制作，所述金属材料为Ti/Pt/Au、Ti/Au或Cr/Au材料。
一种平板式微型直接醇类燃料电池组的制作方法，包括下列步骤：
(1)一体化流场板的加工制作：选择优质的硅片作为芯片的基片，在硅片正面刻蚀流场微结构，用于燃料或氧气的传输；反面刻蚀微孔结构，用于燃料和空气的进出；并且表面制作热氧化层作为电绝缘层；
(2)图形化导电层的加工：在制作完成的阴/阳极流场表面淀积金属导电层，并进行图形化，作为各个电池的电极，完成具有独立导电层的流场阵列；
(3)电池组组装和电连接：与对应的MEA对准组装，焊接各电池的微电极的正负极，实现平板上微型燃料电池的串联组装。
所述的步骤(1)包括下列步骤：
(a)在硅片(28)表面热氧化形成SiO2层(29)作为腐蚀保护层；
(b)在硅片正反面SiO2层(29)上光刻腐蚀各极板的掩膜版对应的几何图形；
(c)对硅片进行各向异性腐蚀(或各向同性腐蚀)；
(d)去除剩余的SiO2层，重新表面热氧化形成新的SiO2层(32)作为电绝缘层。
所述的步骤(2)包括下列步骤：
(e)在硅片表面涂胶光刻对应的金属导电层的几何图形；
(f)在硅片表面淀积金属Ti/Pt/Au层(33)作为导电层；
(g)通过光刻胶“剥离”工艺(lift-off)实现导电层的图形化；
(h)硅片划片切割，得到单个芯片。
所述的步骤(3)包括下列步骤：
(i)将一体化的阴极流场板、对应的膜电极集合体(MEA)和一体化的阴极流场板按顺序对准贴合在一起，并按照一定比例进行压缩；
(j)在阴极流场板、MEA和阴极流场板四周涂上粘合剂，将它们固定在一起；
(k)将对应的阳极和阴极导电层按照一定的顺序焊接在一起，末端的阳极和阴极导电层用导线焊接连接出来。
所述的图形化导电层采用“lift-off”工艺或光刻腐蚀工艺实现；所述的焊接采用锡焊、金属压焊、倒装焊接工艺实现。
有益效果
(1)本发明的平板式微型燃料电池组阴极采用空气“自呼吸”结构，结构紧凑，体积微小，加工工艺简单，构成了一个集成度较高的燃料电池组；
(2)本发明的平板式电池组流场板采用MEMS工艺制作，流场结构精度高，适合设计出新型流场结构，便于电池的功率密度的提高；流场两者之间的间距小，结构封装体积小，提高了电池组组装的集成度；采用MEMS工艺进行金属图形化，便于电池组的串联效率的提高，确保电池组组装的可靠性和稳定性，便于大规模生产；
(3)本发明的电池组结构和加工方式适合各类燃料电池组的制作，包括直接甲醇燃料电池组、直接甲酸燃料电池组、氢-空气燃料电池组等；电池组可以集成不同数目和大小的流场结构，可按照实际需要灵活变化，并且电池组可以采用串/并联多种模式的组装方式。
附图说明
图1为本发明所述的空气“自呼吸”微型燃料电池各核心部件结构示意图。
图2a为本发明所述的一体化式微型燃料电池组的阴极流场板的靠近空气一侧的结构示意图。
图2b为该阴极流场板同膜电极集合体接触一侧的结构示意图。
图3a为本发明所述的一体化式微型燃料电池组的阳极流场板的同膜电极集合体接触一侧的结构示意图。
图3b为该阳极流场板进出燃料样品一侧的结构示意图。
图4为本发明所述的一体化式微型阴/阳极流场板制作的工艺流程图。
图5a为本发明所述的平板式微型燃料电池组(阳极主动模式结构)的结构示意图。
图5b为本发明所述的平板式微型燃料电池组(阳极主动模式结构)各核心部件结构示意图。
图6为本发明所述的平板式微型燃料电池组(阳极主动模式结构)的性能测试结果。
图7为本发明所述的平板式微型燃料电池组(阳极被动模式结构)。
图8为本发明所述的平板式微型燃料电池组(阳极被动模式结构，6个独立阴极流场板)。
其中图4中：
(a)—硅基片                 (b)—热氧化
(c)—正反面光刻对应图形     (d)—腐蚀氧化硅图形
(e)—KOH溶液各向异性腐蚀    (f)—腐蚀剩余氧化硅
(g)—热氧化                 (h)—正面金属图形化淀积
(i)—反面金属图形化淀积
图中：
1—阴极流场板                2—阴极催化层和扩散层
3—质子交换膜                4—阳极催化层和扩散层
5—阳极流场板                6—阴极金属集流层
7—阳极金属集流层            8—一体化阴极流场板靠近空气一侧
9—空气“自呼吸”微孔        10—一体化阴极流场板同MEA接触一侧
11—阴极流场微结构        12~17—电池组中六个阴极流场的金属集流层
18—一体化阳极流场板同MEA接触一侧
19—阳极流场微结构        20—一体化阳极流场板进出燃料样品一侧
21—燃料进出样口          22~27—电池组中六个阳极流场的金属集流层
28—硅片                  29—氧化层SiO2
30—光刻胶                31—氧化层图形
32—氧化层SiO2            33—金属导电层(金属集流层)
34—一体化阴极流场板      35—一体化阳极流场板
36—六个膜电极集合体(MEA) 37—平板式微型燃料电池组
38—导电连接线            39—电池组输出负极端
40—电池组输出正极端
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1、2、3所示，本发明的平板式微型燃料电池组采用一体化阴极流场板或阳极流场板，所述的一体化阴极流场板或阳极流场板是指采用MEMS技术在硅片等材料上按照一定排列方式集成制备了多个单体电池流场，并且每个单电池流场表面具有独立的导电层图形，该导电层互相隔离，并具有合适的图形和焊接位点便于电池组的串联连接。
本发明平板式微型燃料电池组包括两部分：
1、一体化燃料电池组流场板的设计；
2、一体化燃料电池组流场板的制作工艺，下面结合实施例作详细说明
实施例一：平板式微型燃料电池组(阳极主动模式结构)
在设计时考虑以下多个参数：一体化流场板中流场阵列的数目和排列方式，流道或微腔的尺寸、形状和深度，湿法各项异性腐蚀时凸角补偿，金属导电层的材料、厚度和形状，以及电池组串联方式和焊接位点等。
设计一体化流场板中集成6个独立微流场单元，按照2×3方式排列，每个独立的微流场单元尺寸为1.2cm×1.2cm，微流场单元间的间距为0.4mm，阴极流场板尺寸为4.8cm×3.2cm，为了便于焊接，阳极流场板稍大，尺寸为5.1cm×3.6cm，阴极采用空气“自呼吸”的点状双层复合结构，阳极采用双蛇形主动结构，最后将设计好的图形分别制作成掩膜版，以进一步光刻转移到芯片上。
一体化阴/阳极流场板的制作工艺如图4所示。阴/阳极流场板的制作工艺除了掩膜版图不同外，其制作工艺基本相同，因此以下仅介绍阴极流场板制作工艺流程，具体包括以下步骤：
(a)选择500μm厚4寸N型<100>低掺杂硅片(28)，表面热氧化形成2μm SiO2层(29)，作为腐蚀保护层；
(b)正面涂一层光刻胶(30)，正面晶向对准光刻形成阴极流场内侧版图图形；然后反面涂胶(30)正反对准套刻形成阴极流场外侧版图图形；然后在BOE(buffered 
Figure A200810203591D0009153530QIETU
etching)溶液中腐蚀裸露的SiO2层(29)，去除剩余光刻胶后，将版图图形转移成氧化层图形(31)；
(c)在KOH腐蚀液中对硅片进行各向异性腐蚀，形成阴极流场微结构。根据腐蚀时间控制腐蚀深度，并通过台阶仪测定腐蚀深度，通过显微镜、SEM检测流场微结构；
(d)然后，去除剩余的SiO2层，阴极流场微结构表面第二次热氧化形成2μm SiO2层(32)作为绝缘层；
(e)表面喷胶、图形对准光刻，将对应的金属导电层的版图图形转移到光刻胶上；
(f)表面低温溅射金属Ti/Pt/Au层(33)作为导电层；其中Ti厚度介于
Figure A200810203591D00091
Pt厚度
Figure A200810203591D00092
Au厚度
Figure A200810203591D00093
(g)用丙酮/乙醇超声剥离光刻胶，将光刻胶的图形转化为相反的金属图形，作为阴极流场的导电层；
(h)硅片划片切割，得到一体化的阴极结构；
(i)将一体化的阳极流场板、对应的膜电极集合体(MEA)和一体化的阴极流场板按顺序对准贴合在一起，并按照一定比例进行压缩；
(j)在阳极流场板、MEA和阴极流场板四周涂上粘合剂，将它们固定在一起；
(k)将对应的阳极和阴极导电层按照一定的顺序焊接在一起，末端的阳极和阴极导电层用导线焊接连接出来。
该平板式微型燃料电池组结构如图5，阳极在流场分配板的辅助下采用2M甲醇为燃料阴极为空气自呼吸模式，在Arbin燃料电池综合测试系统上测试电池组性能。在25℃下该电池组稳态极化曲线结果如图6，电池组输出开路电压可达4.5V，最大输出功率可达150mW(17mW/cm2)。
实施例二：平板式微型燃料电池组(阳极被动模式结构)
阳极流场采用染料被动供给模式可以大大简化电池组系统的结构，有利于微能源能量密度的提高。设计一体化流场板中集成6个独立微流场单元，按照2×3方式排列，每
Figure A200810203591D0010153626QIETU
独立的微流场单元尺寸为2.0cm×2.0cm，微流场单元间的间距为0.5mm，阴极流场板尺寸为7.4cm×4.9cm，为了便于焊接，阳极流场板稍大，尺寸为7.6cm×5.3cm，阴极采用空气“自呼吸”的点状双层复合结构，阳极采用微孔结构。
该一体化流场板的MEMS微加工、电池封装和组装过程与实施例1完全一致。该平板式微型燃料电池组结构如图7。
实施例三：平板式微型燃料电池组(阳极被动模式结构，6个独立阴极流场板)
电池组两个流场板也可只有一个采用一体化式结构，如图8，该电池组阳极采用一体化式流场板，而阴极采用6个独立的微流场板。6个独立的阴极流场板分别贴合到一体化式阳极流场板上，组装成平板式微型燃料电池组。该一体化流场板的MEMS微加工、电池封装和组装过程与实施例1完全一致。

Claims (10)

1.一种平板式微型直接醇类燃料电池组，包括平板微型电池，其特征在于：所述的平板式微型燃料电池组采用一体化阴极流场板或阳极流场板，所述的一体化阴极流场板或阳极流场板是指采用MEMS技术在硅片材料上按照一定排列方式集成制备至少2个单体电池流场，并且每个单电池流场表面具有独立的导电层图形，该导电层互相隔离，并具有确定的图形和焊接位点便于电池组的串联连接。
2.根据权利要求1所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组，其特征在于：所述的板式微型燃料电池组采用MEMS技术在硅片双面光刻腐蚀制作对应流场阵列微结构，表面通过金属淀积、刻蚀技术制作图形化的导电图层，实现在平板上集成至少2个流场微结构和微电极；与对应的MEA对准组装，焊接各电池的微电极的正负极，实现平板上微型燃料电池的串联组装。
3.根据权利要求1所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组，其特征在于：所述的阴极流场采用主动模式下的微流道结构，包括微孔、蛇形、并行、点状、zigzag、插指或它们的组合结构，或者被动模式下的空气“自呼吸”结构，包括微孔式、点状双复合结构。
4.根据权利要求1所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组，其特征在于：所述的阳极流场采用主动模式下的的微流道结构，包括微孔、蛇形、并行、点状、zigzag、插指或它们的组合结构，或者被动模式的下的微孔式、点状双层复合结构。
5.根据权利要求1所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组，其特征在于：所述的导电层采用金属蒸发、溅射或电镀技术制作，所述金属材料为Ti/Pt/Au、Ti/Au或Cr/Au材料。
6.根据权利要求1所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组的制作方法，包括下列步骤：
(1)一体化流场板的加工制作：选择优质的硅片作为芯片的基片，在硅片正面刻蚀流场微结构，用于燃料或氧气的传输；反面刻蚀微孔结构，用于燃料和空气的进出；并且表面制作热氧化层作为电绝缘层；
(2)图形化导电层的加工：在制作完成的阴/阳极流场表面淀积金属导电层，并进行图形化，作为各个电池的电极，完成具有独立导电层的流场阵列；
(3)电池组组装和电连接：与对应的MEA对准组装，焊接各电池的微电极的正负极，实现平板上微型燃料电池的串联组装。
7.根据权利要求6所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组的制作方法，其特征在于：
所述的步骤(1)包括下列步骤：
(a)在硅片(28)表面热氧化形成SiO2层(29)作为腐蚀保护层；
(b)在硅片正反面SiO2层(29)上光刻腐蚀各极板的掩膜版对应的几何图形；
(c)对硅片进行各向异性腐蚀(或各向同性腐蚀)；
(d)去除剩余的SiO2层，重新表面热氧化形成新的SiO2层(32)作为电绝缘层。
8.根据权利要求6所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组的制作方法，其特征在于：
所述的步骤(2)包括下列步骤：
(e)在硅片表面涂胶光刻对应的金属导电层的几何图形；
(f)在硅片表面淀积金属Ti/Pt/Au层(33)作为导电层；
(g)通过光刻胶“剥离”工艺(lift-off)实现导电层的图形化；
(h)硅片划片切割，得到单个芯片。
9.根据权利要求6所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组的制作方法，其特征在于：
所述的步骤(3)包括下列步骤：
(i)将一体化的阴极流场板、对应的膜电极集合体(MEA)和一体化的阴极流场板按顺序对准贴合在一起，并按照一定比例进行压缩；
(j)在阴极流场板、MEA和阴极流场板四周涂上粘合剂，将它们固定在一起；
(k)将对应的阳极和阴极导电层按照一定的顺序焊接在一起，末端的阳极和阴极导电层用导线焊接连接出来。
10.根据权利要求6所述的一种平板式微型直接醇类燃料电池组的制作方法，其特征在于：所述的图形化导电层采用“lift-off”工艺或光刻腐蚀工艺实现；所述的焊接采用锡焊、金属压焊、倒装焊接工艺实现。
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