CN104527247A - 基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种丝网印刷制备微流体燃料电池组微电路的方法，通过丝网印刷的方法在基板上印制电极、集流器和导线，使之能成为微流体燃料电池的微电路层，从而不需要额外的电子元器件就能整合入燃料电池组内。本发明的优点：利用这种方法制造的微电路具有结构简单、加工成本低、封装方便等特点，简化了微流体燃料电池组的制造过程，同时由于微电路内部的接触电阻小，令整个燃料电池组的运行效率得以提升，使微流体燃料电池组的商业化应用成为了可能。

Description

基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法
【技术领域】
本发明涉及燃料电池组微电路技术领域，具体地说，是一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法。
【背景技术】
燃料电池可通过高效清洁的电化学反应将化学能直接转化为电能，它的效率不受卡诺循环理论上限的制约，且避免了燃烧过程产生的污染问题，是化石能源向高效清洁的“低碳经济”过渡的重要环节。相比而言，传统的燃烧/内燃机过程的能量利用率无法突破卡诺循环的理论上限，且燃烧过程易产生大量颗粒污染物和氮氧化物。因此，燃料电池被称为21世纪的绿色环保能源。微流体燃料电池是一种新型的燃料电池，该种电池基于微流动特性，燃料与氧化剂流体在层流流动的控制下自然分层，免去了使用质子交换膜的需要。这种设计克服了电极偏差，膜干涸等由膜结构引致的各种问题，降低了加工工艺要求和成本。
在实际使用过程中，单个微流体燃料电池的输出电压和功率由于受到电化学反应极限的限制，通常不能满足大功率应用的需要。所以通常会将多个微流体燃料电池单元通过串并联的方式来构成燃料电池组，因此连接各个单电池的微电路就成了影响燃料电池组性能的关键部件之一，由于燃料电池的电能由电极上的电化学反应产生，通过集流器输出，所以电路和集流器以及电极之间的连接需要准确贴合。另外，由于燃料电池组自身的面积较小，所以如何布置和制备各个单电池之间的连接电路，已经成为微流体燃料电池组设计的关键工作之一。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法；用以解决电路无法与集流器以及电极配合而导致的断路、短路以及能量损失等问题，克服由于电路设计制造而对电池组封装以及长期运行稳定性带来的影响。
本发明所采用的技术方案是：选取合适材料的基板进行清洁干燥后，首先用导电银浆进行所需连接电路的印刷，接着烘干基板使电路导线固化。然后用导电碳浆料在基板上所需位置进行集流器的印刷，定位操作只需将基板紧靠预先设在印刷台上的定位器便可轻松完成，另外也可辅以显微镜进行高精度定位，印刷完成后进行烘干。接着在已经印制好的集流器上用催化剂浆料进行电极的印刷并烘干。最后利用紫外光固化胶在基板上所需位置印刷一层紫外光固化胶，然后和微流体燃料电池组的流道层进行配合后置于紫外光下进行固化封装，另外，也可利用热压操作将电路层和流道层直接进行热键合，两种方法都能将电路层无缝整合入微流体燃料电池组。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其具体步骤为：
一、首先选取基板清洁干燥，用银浆进行微电路层正面印刷电路，电池组输出节点和检测节点的印刷，接着烘干基板；
所述的基板的选材为PMMA。
用银浆进行微电路层正面印刷电路、电池组输出节点和检测节点的印刷后，烘干温度为60～80℃，时间为1～5分钟。
在印刷之前要预先将所需的浆料放入真空箱内进行脱泡处理，防止因气泡而引起的印刷电路短路。
印刷操作中对网版表面进行加湿处理，使网版在印刷过程中能紧贴基板表面而不留空隙，防止浆料的渗漏。
二、然后将已经烘干的基板翻面印刷微电路层背面电路，同样进行烘干操作；
微电路层背面电路印制完成后的烘干温度为60～80℃，时间为1～5分钟。
三、接着继续在基板正面用碳浆印制集流器并烘干，然后用催化剂浆料印制电极并烘干。
集流器印制完成后烘干温度为80～90℃，时间为5～10分钟。
电极印制完成后烘干温度为60～80℃，时间为15～30分钟。
所述的催化剂浆料为一种铂碳催化剂和Nafion溶液根据一定比例混合而得的溶液，可根据具体电池的催化需求改变组成成分和配比。
四、最后利用紫外光固化胶在基板上所需位置印刷一层紫外光固化胶，然后和微流体燃料电池组的流道层进行配合后置于紫外光下进行固化封装，另外，也可利用热压操作将电路层和流道层直接进行热键合，两种方法都能将电路层无缝整合入微流体燃料电池。
所述的紫外光固化胶购自ThreeBond公司，型号为3130.主要成分为丙烯酸酯树脂。
所制备的微电路层可以通过紫外固化胶或热键合的方法封装在微流体燃料电池组内。
如需印刷电极等较厚的器件，可根据网版的厚度，重复进行多次印刷和烘干操作，使电极厚度达到所需求的值。
印刷操作既可以在小型生产中手工操作完成，也可在大批量生产中利用自动化丝网印刷机进行印刷。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
运用丝网印刷技术制备微流体燃料电池组的电路层可有效解决传统贴片式金属电极、碳纸电极以及集流器制作加工精度要求高、导线连接困难、难以封装等问题，并且由于集流器和电极都是通过丝网印刷的形式印刷在电路层上，所以不会出现电路导线、集流器以及电极之间的接触不良，使内部接触电阻下降，提高了电池组的输出性能。同时由于丝网印刷具有加工方法简便、成本低效率高、操作灵活等特点，简化了制造过程，使微流体燃料电池组的商业化应用成为了可能。
【附图说明】
图1是丝网印刷制备微流体燃料电池组微电路层的整体操作示意图；
图2是丝网印刷制备微流体燃料电池组微电路层正面的印刷顺序说明图；
图3是丝网印刷制备微流体燃料电池组微电路层背面的印刷结构示意图；
附图中的标记为：1刮刀，2网版，3微电路层基板，4定位装置，5印刷台，6吸气泵，31燃料电池组电能输出连接点，32微电路层正面印刷电路，33单电池检测连接点，34集流器，35电极，36微电路层背面印刷电路。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法的具体实施方式。
实施例1
如图1所示，首先将合适材料的基板3进行清洁干燥，将网版2固定在丝网印刷机上，用显微镜对基板3和网版2上的印刷图形进行高精度定位后，使用一块直角塑料挡板做成定位器4，定位完成后打开吸气泵6，用刮刀1将所需的浆料平稳均匀的涂覆在网版2，从而将所需图案印刷在基板3上。
定位器4的作用是在多次印刷中无需再对基板的位置进行再次定位，加快印刷效率，另外在印刷时也可以防止基板的滑动，保证印刷质量。吸气泵6的作用是保证印刷完成后抬升网版2时，基板将被吸附在印刷台5上而不会粘连在网版2上。在印刷之前需预先将所需的浆料放入真空箱内进行脱泡处理，防止因精料中的气泡而引起的印刷电路短路，保证印刷的精度。印刷操作中可以对网版2表面进行加湿处理，使网版2在印刷过程中能紧贴基板3表面而不留空隙，防止浆料的渗漏。印刷操作在小型生产中可以手动完成，也可在大批量生产中利用自动化丝网印刷机进行印刷。
如图2和3所示，微电路层的丝网印刷加工工艺是：首先选取基板3清洁干燥，基片3的选材为PMMA。用导电银浆进行微电路层正面印刷电路32、电池组电能输出连接点31和单电池检测连接点33的印刷，接着烘干基板3，烘干温度为60～80℃，时间为1～5分钟。然后将已经烘干的基板翻面印刷微电路层背面电路36，应刷完成后，同样进行烘干操作，烘干温度为60～80℃，时间为1～5分钟。接着继续在基板正面用导电碳浆印制集流器34，烘干温度为80～90℃，时间为5～10分钟。然后继续用催化剂浆料印制电极35，烘干温度为60～80度，时间为15～30分钟。
通常印刷电极35的所需厚度较厚，在一次印刷达不到要求的情况下，可以根据网版2的厚度，通过多次重复印刷和烘干操作，使电极35厚度达到所需求的值。
本发明通过丝网印刷的方法在基板上印制电极、集流器和导线，使之能成为微流体燃料电池的微电路层，从而不需要额外的电子元器件就能整合入燃料电池组内。本发明的优点：利用这种方法制造的微电路具有结构简单、加工成本低、封装方便等特点，简化了微流体燃料电池组的制造过程，同时由于微电路内部的接触电阻小，令整个燃料电池组的运行效率得以提升，使微流体燃料电池组的商业化应用成为了可能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，其具体步骤为：
一、首先选取基板清洁干燥，用银浆进行微电路层正面印刷电路，电池组输出节点和检测节点的印刷，接着烘干基板；
二、然后将已经烘干的基板翻面印刷微电路层背面电路，同样进行烘干操作；
三、接着继续在基板正面用碳浆印制集流器并烘干，然后用催化剂浆料印制电极并烘干；
四、最后利用紫外光固化胶在基板上印刷一层紫外光固化胶，然后和微流体燃料电池组的流道层进行配合后置于紫外光下进行固化封装，或者利用热压操作将电路层和流道层直接进行热键合，两种方法都能将电路层无缝整合入微流体燃料电池。
2.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤一中，所述的基板的选材为PMMA。
3.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤一中，用银浆进行微电路层正面印刷电路、电池组输出节点和检测节点的印刷后，烘干温度为60～80℃，时间为1～5分钟。
4.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤一中，在印刷之前要预先将所需的浆料放入真空箱内进行脱泡处理，防止因气泡而引起的印刷电路短路。
5.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤一中，印刷操作中对网版表面进行加湿处理，使网版在印刷过程中能紧贴基板表面而不留空隙，防止浆料的渗漏。
6.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤二中，微电路层背面电路印制完成后的烘干温度为60～80℃，时间为1～5分钟。
7.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤三中，集流器印制完成后烘干温度为80～90℃，时间为5～10分钟。
8.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤三中，电极印制完成后烘干温度为60～80℃，时间为15～30分钟。
9.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤四中，所述的紫外光固化胶购自的主要成分为丙烯酸酯树脂。
10.如权利要求1所述的一种基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法，其特征在于，在所述的步骤四中，印刷电极较厚的器件，根据网版的厚度，重复进行多次印刷和烘干操作，使电极厚度达到所需求的值。
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