CN1276536C - 微型液体甲醇燃料电池的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种微型液体甲醇燃料电池的制造方法。本发明用微机械加工(MEMS)工艺加工极板，在外力约束的条件下将两极板封压在膜电极上，电池的四周使用树脂胶密封。极板的制作采用氧化、光刻和硅腐蚀技术来完成，极板上的流场及进、出液体导流通道为平面布局。最后使用玻璃和加工好的极板键合，并真空淀积金属层，即完成极板加工。本发明的方法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和便于批量加工。

Description

微型液体甲醇燃料电池的制造方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种微型电池的制造方法，具体地说是一种采用微机械加工(MEMS)工艺技术加工微型液体甲醇燃料电池的方法。
(二)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。然而加工制作用于便携式能源的微型燃料电池，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燃料电池的加工。
(三)发明内容
本发明的目的提供一种基于微机械加工(MEMS)工艺，便于批量制造的微型直接甲醇燃料电池(DMFC)的制造方法。
本发明的目的是这样实现的：以硅片为原料制作极板，硅片<100>先分别用甲苯、丙酮和乙醇进行超声清洗；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0.8-1.1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腔、背面加工出液体导流沟道，KOH腐蚀溶液的重量比浓度在30％-40％之间，腐蚀深度在100um～300um；再将硅片放在石墨板上并浸入整个KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根导电的金属针将硅片紧压在石墨板上，使针与石墨作为电解池的两个电极，针接负电位，在硅片上加工出垂直于电池流场的进、出液孔；重新清洗硅片后在硅片的背面上键合玻璃密封层；重新生长二氧化硅；然后真空蒸镀金属层；将膜电极置于两极板之间，在机械力约束下，将膜电极与两极板结合，使用树脂胶封装成电池。
所述的真空蒸镀金属层是Pt或Al。
本发明用半导体工艺及MEMS工艺加工极板，在外力约束的条件下将两极板封压在膜电极上，电池的四周使用树脂胶密封。极板的制作采用氧化、光刻和硅腐蚀技术来完成，极板上的流场及进、出液体导流通道为平面布局。最后使用玻璃和加工好的极板键合，并真空淀积金属层，即完成极板加工。
微机械加工(MEMS)工艺使用光刻、腐蚀和化学气相淀积等技术，在批量制造微系统的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。由于电池特有的电化学反应，其单池输出电压有限(DMFC小于1.2V)。所以可以采用多个单电池串联起来以获得较高的输出电压。电池阵列可以使用FLIP-FLOP结构。此种结构的设计保证了质子交换膜的完整性，具有较小的电池内阻和单侧功率输出。
本发明的优点在于：1、便于批量加工，工艺流程简单，制造成本低；2、易于设计微型液体甲醇燃料电池的平面阵列；3、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。4、不仅可以制造单电池，也可以制造串联或者是并联电池组。
(四)附图说明
图1是本发明的产品的结构示意图(多点型单电池)；
图2是多点型单电池极板的结构示意图；
图3是图2的后视图；
图4是图2的俯视图。
(五)具体实施方案
实施例一：结合图1和图2，微型液体甲醇燃料电池的组成包括一个膜电极1和位于膜电极两侧的极板2、3，膜电极为两侧带有催化层5、6的MEA膜，其周边有密封树脂胶4。以硅片为原料制作极板。硅片<100>先分别用甲苯、丙酮和乙醇进行超声清洗。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0.8-1.1微米的二氧化硅层。采用光刻方法刻出流腔、液体导流沟道氧化层图形，流腔中的支撑点11可以是点式分布，也可以是蛇形分布。再用HF酸刻蚀二氧化硅，打开腐蚀硅体的窗口。用重量比浓度在10％-40％之间的KOH溶液腐蚀硅体，腐蚀深度在100um～300um，在硅的正面加工出流腔10、背面加工出液体导流沟道12。再使用电化学腐蚀的方法在硅片上加工出垂直于电池流场的进、出液孔9，即将硅片放在石墨板上并浸入整个KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根导电的金属针将硅片紧压在石墨板上，使针与石墨作为电解池的两个电极，针接负电位。重新清洗硅片后在硅片的背面上键合玻璃密封层8。重新生长二氧化硅，然后真空蒸镀金属Pt层7，金属层还可以是Al、Ni等。将膜电极置于两极板之间，在机械力约束下，将膜电极与两极板结合，使用树脂胶封装成电池。
实施例二：结合图1和图2，微型液体甲醇燃料电池的组成包括一个膜电极1和位于膜电极两侧的极板2、3，膜电极为两侧带有催化层5、6的MEA膜，其周边有密封树脂胶4。以10mm×10mm、厚度500微米的硅片为原料制作极板。硅片<100>先分别用甲苯、丙酮和乙醇进行超声清洗。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97℃，氧气流量为ll/min的条件下通入氧气进行氧化，生成厚度为1.0微米的二氧化硅层。采用光刻方法刻出流腔、液体沟道氧化层图形，流腔中的支撑点可以是点式分布，支撑点为0.4mm×0.4mm，支撑点间距也为0.4mm。再用HF酸刻蚀二氧化硅，打开腐蚀硅体的窗口。用重量比浓度在20％的KOH溶液腐蚀硅体，腐蚀深度在200um，在硅的正面加工出流腔、背面加工出液体导流沟道。再使用电化学腐蚀的方法在硅片上加工出垂直于电池流场的进、出液孔，即将硅片放在石墨板上并浸入整个KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根导电的金属针将硅片紧压在石墨板上，使针与石墨作为电解池的两个电极，针接负电位。重新清洗硅片后在硅片的背面上键合玻璃密封层。重新生长二氧化硅，然后真空蒸镀金属Al膜等。将膜电极置于两极板之间，在机械力约束下，将膜电极与两极板结合，使用树脂胶封装成电池。
实施例三：蛇型流场结构。改变光刻掩膜版的图形设计。选用蛇型结构的光刻掩膜版，其他的工艺步骤与实施例二相同。

Claims (2)

1、一种微型液体甲醇燃料电池的制造方法，其特征是：以硅片为原料制作极板，硅片<100>先分别用甲苯、丙酮和乙醇进行超声清洗；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0.8-1.1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腔、背面加工出液体导流沟道，KOH腐蚀溶液的重量比浓度在30％-40％之间，腐蚀深度在100um～300um；再将硅片放在石墨板上并浸入整个KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根导电的金属针将硅片紧压在石墨板上，使针与石墨作为电解池的两个电极，针接负电位，在硅片上加工出垂直于电池流场的进、出液孔；重新清洗硅片后在硅片的背面上键合玻璃密封层；重新生长二氧化硅；然后真空蒸镀金属层；将膜电极置于两极板之间，在机械力约束下，将膜电极与两极板结合，使用树脂胶封装成电池。
2、根据权利要求1所述的微型液体甲醇燃料电池的制造方法，其特征是：所述的真空蒸镀金属层是Pt或Al。
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