專利名稱：燃料電池和電源片技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景電化學(xué)燃料電池并不是新出現(xiàn)的。Alexander Grove于1839年發(fā)明以后，它最近又成為廣泛發(fā)展的對象。美國國家航空和宇宙航行局在他們二十世紀(jì)六十年代的航天計劃中運用了這項技術(shù)，但是最近推動這項技術(shù)在很大程度上是通過汽車工業(yè)的驅(qū)使。戴姆勒-克萊斯勒汽車公司和福特汽車公司一起在一家合股經(jīng)營的公司投資了7.5億美元用于發(fā)展燃料電池裝置。隨著與環(huán)境相關(guān)的規(guī)定和立法的加強，即使不是必需的，在法律進程中發(fā)展“綠色”能源也變得更加合法。
信息化時代已經(jīng)預(yù)示了用于檢驗，處理，運用，接近和控制信息的新方法的必要性。隨著基礎(chǔ)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展以運用這些新的需求，對于更小，更輕和更快(燃料更換/再充電)的電能資源的需求不斷增加。特別是便攜式的計算和通訊設(shè)備將從基于電源的小型燃料電池而大大地受益。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案通過在平面半導(dǎo)體晶片上制造多個單個的燃料電池構(gòu)成的，其中液流槽道是通過蝕刻或者其他眾所周知的半導(dǎo)體加工方法形成的。氧被導(dǎo)入槽道的一端而氫被導(dǎo)入另一端；兩種氣體被隔膜分開。電極在隔膜的相對面上構(gòu)成，催化劑在兩邊與電極和隔膜電連接。最后，氣密外罩或蓋子被連接在電池上。
優(yōu)選地，隔膜是一種將聚合物柱沉淀或?qū)蛹谝r底中的蝕刻槽道中以在氧和氫之間構(gòu)造氣密阻擋層的PEM(質(zhì)子交換隔膜)，其能在H離子與氧在另一條槽道結(jié)合時輸送在催化劑下形成的氫離子穿過阻擋層以產(chǎn)生電流通過接點和水。
另外，許多燃料電池可以在部分相同的晶片上相互電連接并連接到氣源上形成“電源片”。常規(guī)的電路系統(tǒng)可以與電源片一起整體結(jié)合到晶片上，以提供用于單個電池的加工監(jiān)測和控制作用。包括多個電源片(電源盤)或多個電池的晶片可以垂直地垛在另一個上。
本發(fā)明的特性和優(yōu)勢的進一步的理解在這里可以在考慮到通過隨后的詳細描述和下面插圖的說明而被認識到。
本發(fā)明附圖的簡單描述本發(fā)明前述的和其他的目的，特征和優(yōu)點將通過隨后本發(fā)明優(yōu)選實施方案的更加詳細的描述變得顯然，如在附圖中所演示的，在不同附圖中相同的參考符號指相同的部分。這些附圖不是按比例的，附圖重點放在說明本發(fā)明的原理上。


圖1是依照本發(fā)明的半導(dǎo)體燃料電池組的平面示意圖。
圖2是本發(fā)明燃料電池12的沿II-II線的截面示意簡圖。
圖3(a)-(h)是制備本發(fā)明的PEM阻擋層結(jié)構(gòu)30主要加工步驟的剖面示意圖。
圖4是說明本發(fā)明PEM阻擋層替換的鑄件的截面示意圖。
圖5是PEM結(jié)構(gòu)實施方案的剖面圖。
圖6是替換的PEM結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖7是另一個替換PEM結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖8是可以被集成到燃料電池片上的電路的方塊圖。
圖9是用于操作單個電池或電池組的集成控制系統(tǒng)線路的示意圖。
圖10是用于電池的匯集管系統(tǒng)的側(cè)視示意圖。
圖11是多個電池并排排列在晶片上形成一個電源片并且彼此在頂端堆放形成一個電源盤的平面示意圖。
圖12是圖11的片段側(cè)視圖。
本發(fā)明的詳細描述下面是本發(fā)明的實施方案的描述。
如圖1所示，是在常規(guī)的半導(dǎo)體晶片10上集成有多個半導(dǎo)體燃料電池12的平面圖。多個電池可以在晶片上相互電連接并且被供以氣體形成電源片15。為了簡化，燃料電池12和電源片15都沒有按比例表示，因為在一個4”的晶片上至少有80,000,000個電池。如圖2所示的是一個這樣的電池的片段。以它最簡單的形態(tài)，每個電池12包括襯底14，接觸點16A和B，和在絕緣層狀聚合物支撐結(jié)構(gòu)20的第一層20(a)的兩面上形成的并且緊密地與金屬電接觸點接觸的導(dǎo)電聚合物基層18。
在中央結(jié)構(gòu)20兩側(cè)的帶有嵌入的催化劑粒子28的導(dǎo)電聚合物22形成PEM阻擋層把氫隔離在左邊而氧隔離在右邊。蝕刻槽道50B和50A分別用于導(dǎo)入O2和H2氣體，散熱罩40蓋在電池12上，如圖2所示。
圖3a-3h是一系列的剖面示意圖，表示的是在個別步驟中PEM阻擋層30制造細節(jié)。圖3a表示的是已經(jīng)被蝕刻到半導(dǎo)體襯底14上的電池槽道的底部。它也顯示了負責(zé)從電池12輸出電子到配電規(guī)定路線和其它電路的接觸點16。這些接觸點都通過眾所周知的半導(dǎo)體制造工藝的照相平版印刷的工藝來沉積的。
圖3b表示的是已經(jīng)涂抹在該結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)電聚合物基層18?；鶎?8通過物理/導(dǎo)電的方式與接觸點16連接用來吸引如圖3a-3h所示的步驟的導(dǎo)電聚合物22。
圖3c表示的是已涂抹在該結(jié)構(gòu)上的絕緣聚合物基層20(a)。它被安置在兩個導(dǎo)電聚合物基層18位置之間并用于吸引絕緣的聚合物20。
圖3d所示是涂抹在該結(jié)構(gòu)上的聚合物保護層21。保護層21負責(zé)阻止聚合物并防止在不需要的地方生長。
圖3e所示是已經(jīng)生長在它的基層20A上的第一層20B絕緣聚合物。這是PEM阻擋層的中心材料。它幫助在構(gòu)造的時候支撐較薄的外側(cè)22。
圖3f所示是絕緣聚合物20隨后鋪設(shè)的各層，按照一層接一層的方式構(gòu)成垂直的阻擋層。在這種垂直方向上面積放大。
圖3g所示是生長在它的基層18上的導(dǎo)電聚合物22的第一層22a。這是PEM阻擋層的帶有催化劑的外側(cè)材料。
圖3h所示是導(dǎo)電聚合物22的按照在結(jié)構(gòu)上一層接一層鋪設(shè)的方式隨后鋪設(shè)的各層。圖2所示的是在移去聚合物保護層21并加上蓋子40和預(yù)先存在的側(cè)壁52(為了簡化從圖3a-3h中省略的)后的全部結(jié)構(gòu)。如果層21是半導(dǎo)體制造程序中最后的步驟的原始鈍化層，保護層可能不必移去。
再如圖2所示，構(gòu)成燃料電池12的元件的進一步的細節(jié)將得到說明。通常表示為30的蛋白質(zhì)交換隔膜在燃料H2和氧化劑O2之間形成阻擋層。
PEM阻擋層30由兩種材料三個部分組成。先是第一外壁22B，然后是中心20，最后是第二外壁22C。阻擋層由第一種材料的中心塊20接觸兩個第二種材料的外壁構(gòu)成的。
構(gòu)成中心塊的材料20，優(yōu)選的是能夠使氫離子(質(zhì)子)從氫的一側(cè)通過到氧的一側(cè)的離子聚合物。它是電學(xué)上的絕緣體，所以它實際上不會在電池的兩個接點16A和16B之間出現(xiàn)短路。它可以由Nafion或者與之有相同特征材料構(gòu)成。如圖中點劃線(虛線)所示的外負載5可以穿過接觸點連接來輸出電能。
第二種材料22，形成兩個外壁，也是一種能夠通過氫離子的類似的離子聚合物。另外，它摻雜有微小的催化劑粒子28(如圖中小點所示)，例如，鉑/合金催化劑，并且也是導(dǎo)電的。
通過將催化劑粒子28嵌入到聚合物22中，達到與PEM30的最大限度的密切接觸。這樣的密切接觸提供了允許離子朝著陰極16B自由地移動的容易利用的途徑。催化作用是表面效應(yīng)。通過將催化粒子28懸浮在聚合物22中，可有效運用全部表面。這樣將顯著地增大系統(tǒng)效率。
通過使得第二種物質(zhì)22導(dǎo)電，制造出電極。電極接近催化反應(yīng)的程度影響它收集電子的能力。這一方法允許催化反應(yīng)在電極本身內(nèi)部有效地發(fā)生。這樣緊密的接觸提供了允許電子朝著陽極16A自由地移動的容易利用的途徑。這樣將成功地收集最大量的自由電子。此外，這樣將顯著的增大系統(tǒng)的效率。
除了上面已經(jīng)描述的PEM30電學(xué)上和化學(xué)上的功能特點以外，還有一些重要的物理特征，描述如下這一自組裝工藝考慮到更加優(yōu)化的PEM阻擋層結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計其將更加有效。
首先，關(guān)于形成分開氫和氧的槽道的問題。這要求生長/構(gòu)成PEM結(jié)構(gòu)，以便其完全分割蝕刻槽道50成為兩個獨立的槽道50A和50B。這意味著它必須定型以在槽道的中央并且堅固地向上倚靠著電池末端的壁生長。它還必須生長到槽道的高度以允許它接觸到底部的蓋子40上的粘合劑42。
第二，關(guān)于形成氣體密封的問題。這要求PEM結(jié)構(gòu)30完全地結(jié)合基層結(jié)構(gòu)18和20A，襯底14和電池末端的壁(未顯示)，并且結(jié)合涂在蓋子14上的粘合劑42。通過適當(dāng)選擇聚合物，在它們在槽道中接觸的物質(zhì)間形成化學(xué)結(jié)合。除了這種化學(xué)結(jié)合，還有通過在PEM阻擋層頂部向下壓的蓋子40形成的物理密封效果。如果PEM30的高度控制得恰當(dāng)，外加的蓋子的壓力形成機械“O環(huán)”型自密封。在襯底14上生長PEM30排除了在將它與蓋子40結(jié)合時的任何細微的對準(zhǔn)問題。在蓋子上沒有細微的細節(jié)需要瞄準(zhǔn)。
再如圖4所示，表示的是包括鑄造/噴射工藝和結(jié)構(gòu)的PEM阻擋層替換實施方案簡化透視圖。
使用MEMs加工方法，三條槽道60A，60B和60C都被蝕刻在半導(dǎo)體襯底140中。外側(cè)的兩個槽道60A和60C通過薄壁70A和70B與中間槽道60B分隔開。這些壁中蝕刻有許多細小的縫隙S1-Sn。產(chǎn)生的齒T1-Tn+1在縫隙區(qū)域中有催化劑280附著在上面。在這些薄壁70A，70B的底部，在組成外側(cè)槽道60A和60C的壁的一側(cè)，金屬電極160A，160B就附著在上面。當(dāng)電極160定位后，催化劑280被附著在那些齒上。這樣就使得催化劑附著，以便產(chǎn)生電接觸并且在一定程度覆蓋在它們底部的相應(yīng)電極160。另外，金屬導(dǎo)線90被放置成與每個電極160連接，然后向上延伸離開外部槽道。
蓋子400和用來將蓋子粘結(jié)到襯底140的粘合層420一起提供。以這樣的方式，在襯底上形成三個獨立的槽道；氫槽道60A，反應(yīng)槽道60B，和氧槽道60C。另外，蓋子400還有在不同的在關(guān)鍵部位放置的電解液注入口或者孔500。這些孔500提供了通向僅僅在反應(yīng)槽道中的聚合物材料(未顯示)的電解液隔膜的加料通道。如果這些孔能夠穿過襯底設(shè)立，那么一個或更多的這樣的槽道就可以垂直通過電池。匯集管可以和晶片的一個頂部蓋子或者底部一側(cè)上的孔緊密配合以控制向槽道的分配。
圖4所示的結(jié)構(gòu)是按照下面所述裝配的首先，構(gòu)造半導(dǎo)體制造工藝包括襯底加工和所有電路沉積。
接著，加工蓋子400同時準(zhǔn)備有粘合劑420。蓋子400被粘結(jié)在襯底140上。然后電解液(未顯示)注入該結(jié)構(gòu)。
反應(yīng)槽道60B的薄壁70A和70B用來在電解液澆鑄期間保持電解液?？p隙S1-Sn允許氫和氧在各自的通道60A和60B中可以接近催化劑280和PEM300。在縫隙區(qū)域用催化劑280敷蓋齒T1-Tn+1在氫氣進入縫隙時提供反應(yīng)地點。當(dāng)電解液被灌/注入反應(yīng)槽道60B時，電解液將會完全充滿反應(yīng)槽道。電解液的表面張力使它不會穿過縫隙并進入氣體槽道，否則也會充滿氣體槽道。因為在電解液使用之后存在一些壓力，當(dāng)壓力將其推進到縫隙中時，在電解液的表面會產(chǎn)生鼓脹效應(yīng)。這樣將導(dǎo)致電解液與涂在縫隙S1-Sn側(cè)面的催化劑280接觸。一旦形成這樣的接觸并且隔膜(電解液)水合，它將會擴展得更遠，以確保以催化劑的良好接觸。H2/O2氣體都能夠擴散進入隔膜(非常薄，例如5微米)，進到催化劑區(qū)域。因為它如此的薄，可以產(chǎn)生更好的效果，即小阻力(12R)損耗很低。然后將反應(yīng)的三個組成相互接觸。與催化劑280保持電接觸的電極160A和160B是第四組成并在氫離子通過電解液隔膜在另外一側(cè)完成反應(yīng)時為自由電子提供槽道[通過外負載(未顯示)]。
如圖5-7的橫斷面視圖所示，本發(fā)明的PEM結(jié)構(gòu)30的不同的替換構(gòu)造將會詳細地描述。如圖5，中央PEM結(jié)構(gòu)20構(gòu)成為連續(xù)的絕緣垂直元件，電極/催化劑16/28非連續(xù)元件，導(dǎo)線90連接在它們上面。圖6是替換的PEM結(jié)構(gòu)的視圖，其中催化劑28被嵌入在絕緣的芯20上，電極16被構(gòu)成從側(cè)面臨近催化劑。最后，如圖7，該PEM結(jié)構(gòu)與圖5中的相似，但是它的位于中間的芯201是非連續(xù)的。
圖8是示意方塊圖，表示的是一些可以和多個微控制器一起被結(jié)合到半導(dǎo)體晶片10上的可能的電路，用來監(jiān)測和控制多路電池的性能。一些傳感電路80，82，84和86都提供用來執(zhí)行某些功能。剩余的可以用來提高容量。
溫度電路80提供輸入值來使微控制器88限定燃料電池12的熱量曲線。電壓電路82在電池的不同程度的配置體系或組合的情況下監(jiān)測電壓。它提供關(guān)于負載變化的信息。通過這些信息，處理器88可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的配置以達到/維持所需要的性能。電流電路84執(zhí)行類似于上面提到的電壓監(jiān)測電路82的功能。
壓力電路86監(jiān)測在內(nèi)部氣體槽道50A，50B中的壓力。因為系統(tǒng)的性能受到這個壓力的影響，微控制器88可以根據(jù)這些讀取數(shù)據(jù)作出調(diào)整以保持系統(tǒng)在最優(yōu)化的性能狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。未定義電路81的構(gòu)成可以用來為微控制器88預(yù)先考慮到的未來功能提供幾個備用輸入。
另外，配置電路94可以至少用于控制V*I開關(guān)，如結(jié)合圖9描述的。輸出電壓和電流的能力通過配置這些開關(guān)來確定。按所需的動態(tài)程序控制提供局部電路92，例如監(jiān)測電路的參數(shù)。這些輸出值可以用來實現(xiàn)那些變化。本地子系統(tǒng)94通過微控制器98控氣體流速，防止隔離和產(chǎn)品遷移。本地電源電路96用來分接一部分通過燃料電池12產(chǎn)生的電流來給所載的電子元件提供動力。這一電源供應(yīng)電路96具有自我調(diào)節(jié)和控制電路。兩線通信I/F裝置98可以被整體結(jié)合到電源片上來在通信裝置和與它們連接電源總線(未顯示)之間提供電連接。
微控制器8是集成電子子系統(tǒng)的核心部分。它負責(zé)監(jiān)測和控制所有指定的系統(tǒng)功能。另外，它控制任何外部通信的通信協(xié)議。它能夠?qū)崿F(xiàn)電路內(nèi)部程序編制以便它的執(zhí)行控制程序能夠按照需要更新。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和處理并且也能夠具有自我/系統(tǒng)診斷和安全特征。
參照圖9，表示的是本發(fā)明的進一步的細節(jié)。在這個實施方案中，單獨的電池121，122-12n都在半導(dǎo)體晶片上構(gòu)成并且使用能夠通過如圖8所示的微控制器88控制的晶體管開關(guān)97平行接線并聯(lián)在電源總線99A和99B上。開關(guān)97B和97A分別是陰極總線開關(guān)和陽極總線開關(guān)，而97C是串聯(lián)開關(guān)，開關(guān)97D和97E分別是陽極和陰極并聯(lián)開關(guān)。
這樣允許單獨的電池或電池組(電源片15)以不同的構(gòu)建連線，例如，并聯(lián)或串聯(lián)。通過將電池串聯(lián)產(chǎn)生不同的電壓。電流的容量也可以通過并聯(lián)這些電池來增加。一般而言，電源片的功率曲線可以被動態(tài)地控制以達到或維持“編程”的技術(shù)要求。相反地，電源片在制造的時候可以被設(shè)定為一些靜態(tài)曲線，并且由此排除對電源片開關(guān)的需要。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)的開和關(guān)以及通過改變配線開關(guān)的極性可以產(chǎn)生交流AC和直流DC電源輸出。
為實施電源管理子系統(tǒng)，要求從發(fā)電過程產(chǎn)生反饋。電路系統(tǒng)可以直接在電源片上構(gòu)成，以不斷地測量該過程的效率。這一反饋可以用來在閉合循環(huán)方式中改變系統(tǒng)的控制。這樣就使動態(tài)維持系統(tǒng)最大效率成為可能。一些這樣的電路接下來討論。
隨著系統(tǒng)需求在一段時間發(fā)生變化，功率生成過程的性質(zhì)也發(fā)生變化。為了維持最優(yōu)性能，了解幾種運作參數(shù)的實時狀態(tài)可有助于作出能使系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)的決定。這些參數(shù)的范圍通過程序來限定。
例如，它能夠做到同時測量一個獨立的電池或電池組的電壓和電流?？梢员O(jiān)測功率輸出，并且如果電池或電池組沒有運行，如果有必要它可以被移走。這可以通過先前已經(jīng)描述的電源開關(guān)97來完成。另一方面，為了優(yōu)化系統(tǒng)性能，一體化的MEMs構(gòu)成的微型風(fēng)扇可以用來控制氧或氫在燃料電池或電池垛之間的流動。
在移動電源片上有效加載區(qū)域的時候，也可以維持平均功率水平。因為沒有一個區(qū)域此時是100％的，這就必須提供一個較好的總工作特性水平。這種工作負載循環(huán)法尤其適用于電涌要求。在這里該概念是是把電力分成段來改善電池使用特征。
電源片的熱特征期望得到改變，因為電力負載和它的熱量可能對電池電力產(chǎn)生的程度有反作用。對電池使用的適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲泻秃侠淼捻憫?yīng)將會將熱量積聚的損毀影響減到最小。
蓋子40是兩片“電源片”組合的第二片。其優(yōu)選的由金屬制成以提供機械剛性支持易碎的半導(dǎo)體襯底14。這是考慮到容易操作和提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)以在其上建立“電源垛”，例如，許多電源片15逐個的層疊在彼此的頂部。其目的是建立有更強電力的物理單元。
圖10圖解說明的是燃料50A和氧化劑/產(chǎn)物槽道50A(50B沒有顯示)如何被蝕刻在襯底14的表面上的。這些凹槽都是三面的。并且必須在頂部一側(cè)被閉合和密封。蓋子40和粘合劑42在結(jié)合到襯底14上并且完成這些槽道時提供這樣的構(gòu)成密封的作用。燃料供應(yīng)和氧化劑的基質(zhì)床以及產(chǎn)物水的移去槽道由此在襯底的表面構(gòu)成。
蓋子40提供了機械穩(wěn)定連接體，輸入/輸出口就構(gòu)造在它上面。這些是氣體供應(yīng)和水脫除口。該設(shè)計必須在襯底上包含從巨大的外部環(huán)境到微米大小特征的尺寸轉(zhuǎn)換。這是通過延伸微米大小的槽道到相對更大的孔H實現(xiàn)的。這種較大的孔使襯底和蓋子之間的定位技術(shù)要求降低。在蓋子上的大孔與襯底中的大孔對齊，襯底具有同樣加工在襯底中的微米大小的連通大孔到電池的槽道。
每個晶片都有自己的匯集管。這將需要外部連接以進行燃料供應(yīng)，氧化劑和產(chǎn)物的排除。外部管路系統(tǒng)可能要求有自動對接系統(tǒng)?，F(xiàn)在的MEMs工藝過程可以實現(xiàn)蝕刻穿過晶片的孔。這樣的垂直通過孔可以簡化匯集管的設(shè)計并且改善氣體流動。
圖11和圖12圖解說明的是許多方法之一，其中幾個電池12(在這個示例中是三個電池)可并排構(gòu)成在晶片14上而形成電源片15。電源盤可以相互垂直向上層疊，來構(gòu)成帶有分別與氫和氧源連接的輸入口50HI，50OI的垂直的柱狀物。晶片的垂直柱狀物和電源片一起構(gòu)成其中包括電源垛(93)。
圖12圖解說明的是層疊若干電源盤15是如何用來構(gòu)成帶有可觀功率的電源垛(93)的。“層疊”一詞的使用是由于它建議緊密接近晶片，以實現(xiàn)縮短電連接和減小的管路系統(tǒng)。實際上，層疊實際涉及結(jié)合晶片的電能以構(gòu)成更加強大的單元。它們僅僅需要電學(xué)上的層疊來實現(xiàn)它的結(jié)合。然而，在最小的空間內(nèi)產(chǎn)生最大數(shù)量的電力并且擁有最高的功效是所希望的。當(dāng)考慮到最短的電連接(電源總線)替換時，也應(yīng)該考慮到使用兩個主匯集管作為電氣電源總線的可能性。這可以通過電學(xué)上隔離這些匯集管/電氣電源總線段并且使用它們從一個晶片到另一個晶片傳送電力來實現(xiàn)。這樣減少了大的電源接線需求并且允許這一作用在增長的準(zhǔn)確性和可靠性同時通過自動的方式完成。
理想的匯集管設(shè)計將允許電源盤的層疊。通過這樣的設(shè)計，實用的匯集管95將被分段構(gòu)成，每段都是蓋子40的一個完整部分。當(dāng)盤被層疊起來，匯集管(管路)也就形成了。這種類型的設(shè)計將大大地減少外部管路系統(tǒng)的需求。特殊的末端罩將在電源垛的末端完成匯集管。
總之，本發(fā)明的一個主要的目的是能夠利用類似的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體晶片加工方法大量生產(chǎn)由晶片10組成的電源片15，在每個電源片15包含多個電池12。這一工藝原本就支持非常小的部件結(jié)構(gòu)。反過來，這些部件結(jié)構(gòu)(電池)預(yù)期產(chǎn)生單位電池非常小量的電能。各個電池都將被設(shè)計成材料能夠支持的最大電能。為獲得任何有效的實際電能，數(shù)百萬個電池將被構(gòu)造在單個電源片15上并且許多電源片15被構(gòu)造在“電源盤”(半導(dǎo)體晶片10)上。這就是為什么適當(dāng)?shù)墓β瘦敵隹梢詮膯蝹€晶片獲得。10μM×10μM的電池使得在每平方厘米的面積上含一百萬個電池成為可能。最終的電池布局將由組成物質(zhì)的物理性質(zhì)和它們的特征決定。
固體聚合物氫燃料電池的基本電化學(xué)反應(yīng)在大約80到100℃之間的工作溫度下有最大效率。這在一般象硅一樣的半導(dǎo)體襯底的工作范圍之內(nèi)。然而，如果晶片都層疊，可能會要求另外的散熱裝置。既然不管怎樣都需要有罩，可以把蓋子40制成散熱片用來增加安全系數(shù)是合理的。
燃料和氧化劑/產(chǎn)物槽道都被蝕刻在半導(dǎo)體襯底的表面。這些凹槽都有三個側(cè)面頂部一側(cè)必須被蓋上并密封。蓋子40提供這樣的作用。它被涂上粘合劑以在結(jié)合到半導(dǎo)體襯底上并完成槽道時形成密封。這樣就半導(dǎo)體襯底的表面上形成了燃料供應(yīng)和氧化劑基質(zhì)床及水的移去的槽道。電池的兩個主要的槽道都通過結(jié)合到同樣的粘合劑的PEM彼此隔開。這樣，消除了對任何微粒臨界調(diào)整的要求。等同物雖然本發(fā)明通過參照它的優(yōu)選實施方案進行了詳細地展示和描述，但是所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解在形式和細節(jié)上不同的改變也可以制造出來而不用脫離本發(fā)明附加權(quán)利要求書的范圍。例如，雖然硅因為它明確確定的電學(xué)和機械特征而成為襯底14的選擇材料，但其他半導(dǎo)體材料也可以作為替代物，因此，例如Gd，Ge，或者III-V化合物例如GaAs。另一方面，用來做電池的襯底也可以由非晶體的材料例如玻璃或者是塑料，或者是酚醛塑料構(gòu)成；在某些情況下，電池的控制可以在單獨的半導(dǎo)體模上構(gòu)成并且與電池保持電連接以形成雜合結(jié)構(gòu)。PEM的結(jié)構(gòu)之間的接觸面優(yōu)選的是由金構(gòu)成的組合單分子層(SAM)接觸面，然而，其他的金屬例如銀或者是鉑，也可以用作替代。同樣地，雖然PEM是許多由分子鏈構(gòu)成的，但是優(yōu)選的都帶有對金親合力的基礎(chǔ)，以便將其被結(jié)合到金的SAM結(jié)構(gòu)上。此外，其他純金屬例如鉑和銀也可以替代。SAM的替換催化劑也是有可能的。這樣的催化劑和PEMs可能通過犧牲成型鑄件或者是沉積和蝕刻涂抹在襯底上。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括a)襯底；b)第一和第二槽道，用于導(dǎo)入燃料到第一槽道以及氧化劑進入第二槽道；c)帶有第一和第二面的隔膜，將第一槽道與第二槽道分開；d)第一電極在隔膜的第一面，第二電極在隔膜的第二面；e)催化劑與隔膜面和電極電連接；以及f)以氣密性材料制成的蓋子，其與隔膜一起形成密封。
2.一種燃料電池，包括a)襯底；b)第一和第二流動路徑，用于導(dǎo)入燃料到第一流動路徑以及氧化劑進入第二流動路徑；c)隔膜，包含一區(qū)域并且具有第一和第二面將內(nèi)部流動路徑和外部流動路徑分開；d)第一電極在隔膜的第一面，第二電極在隔膜的第二面；e)催化劑與隔膜面和電極電連接；以及f)以氣密性材料制成的蓋子，其與隔膜一起形成密封。
3.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中催化劑被結(jié)合到第一和第二隔膜面中。
4.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中催化劑被結(jié)合到電極內(nèi)。
5.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中電極由可導(dǎo)電的聚合物構(gòu)成。
6.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中隔膜是質(zhì)子交換隔膜。
7.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中隔膜由聚合物構(gòu)成。
8.依照權(quán)利要求7的燃料電池，其中聚合物被構(gòu)造成層狀。
9.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中隔膜是鑄件。
10.依照權(quán)利要求9的燃料電池，其中隔膜被鑄成由使用在IC或MEMS處理中的標(biāo)準(zhǔn)材料制成的犧牲模。
11.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中隔膜是薄或厚的膜片。
12.依照權(quán)利要求11的燃料電池，其中隔膜然后被蝕刻以產(chǎn)生第一和第二面。
13.依照權(quán)利要求11的燃料電池，其中隔膜利用旋涂工藝如繞玻璃自旋(Spin on Glass)(SOG)技術(shù)涂抹的。
14.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中隔膜被加工成波狀以增加表面積。
15.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中電極的接觸件是利用對接接觸件或隱藏接觸件制成的。
16.依照權(quán)利要求15的燃料電池，其中隱藏接觸件是用PtSi，WSi2，TiSi2，TiW，TiN制成的。
17.依照權(quán)利要求15的燃料電池，其中對接接觸件是用Al，Cu，Au，Ag，或者是金屬合金制成的。
18.依照權(quán)利要求15的燃料電池，其中接觸件都是用多晶硅，硅化多晶硅，或襯底制成的。
19.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，進一步在襯底上包括物理結(jié)構(gòu)，協(xié)助對準(zhǔn)和/或固定襯底。
20.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中襯底上有孔，穿過它燃料或氧化劑垂直流入到襯底的平面上。
21.依照權(quán)利要求20的燃料電池，其中孔供應(yīng)燃料或氧化劑到燃料電池的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。
22.依照權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中導(dǎo)電的材料在隔膜下面穿過，與電極相互連接。
23.一種電源片，包括a)單片襯底；b)一組燃料電池，相互電連接以形成電源片，該燃料電池包括i)多個第一和第二流動路徑，用來導(dǎo)入燃料進到第一流動路徑及氧化劑進到第二流動路徑；ii)多個隔膜，隔膜具有第一和第二面將第一流道和第二流道分隔開；iii)第一電極在每個隔膜的第一面，第二電極在每個隔膜的第二面；iv)催化劑與第一和第二隔膜面以及電極電連接；以及v)由氣密材料制成的蓋子，其與隔膜組形成密封；c)多個匯集管圍繞著隔膜組來分配燃料和氧化劑到電池中，以及；d)多個電源接線柱。
24.依照權(quán)利要求23的電源片，其中襯底由絕緣材料制成。
25.依照權(quán)利要求24的電源片，其中絕緣材料選自包括藍寶石，玻璃和FR4的材料組。
26.依照權(quán)利要求23的電源片，其中襯底半導(dǎo)體材料制成。
27.依照權(quán)利要求26的電源片，其中該半導(dǎo)體選自包括Si，Ge，和GeAs的半導(dǎo)體材料組。
28.依照權(quán)利要求23的電源片，其中燃料電池組的蓋子與匯集管構(gòu)成一個整體。
29.依照權(quán)利要求23的電源片，其中多個燃料電池通過開關(guān)，保險絲或金屬連接物以可裝配方式相互電連接。
30.依照權(quán)利要求29的電源片，其中開關(guān)是整體結(jié)合在襯底上的半導(dǎo)體晶體管。
31.依照權(quán)利要求29的電源片，其中結(jié)構(gòu)是一次可編程的。
32.依照權(quán)利要求29的電源片，其中該結(jié)構(gòu)是處于微控制器控制下的。
33.依照權(quán)利要求29的電源片，其中處于控制下的開關(guān)提供了動態(tài)活動面積控制以優(yōu)化燃料的消耗量和運轉(zhuǎn)效率。
34.依照權(quán)利要求23的電源片，其中一個或更多的微控制器監(jiān)控性能參數(shù)例如功率輸出，溫度和燃料的消耗。
35.依照權(quán)利要求23的電源片，其中一個或更多的微控制器被整體結(jié)合到襯底上。
36.依照權(quán)利要求23的電源片，包括多個整體結(jié)合的傳感器例如溫度，電壓，電流，氣體壓力和流量傳感器。
37.依照權(quán)利要求23的電源片，其支持內(nèi)部和外部通信。
38.依照權(quán)利要求37的電源片，其中通信接口使用電源接線端。
39.一種電源盤，包括a)平面襯底；b)多個電源片，包括i)多個流動路經(jīng)用來導(dǎo)入燃料和氧化劑；ii)一組的燃料電池；以及iii)多個電源接線端。c)多個匯集管圍繞著電池組來分配燃料和氧化劑到電源片；以及d)多個電源總線接線端。
40.依照權(quán)利要求39的電源盤，其中匯集管包括接口端口，用于可互換的燃料和/或氧化劑子系統(tǒng)。
41.依照權(quán)利要求39的陣列，其中功率輸出是可編程的。
42.一種電源垛，包括a)多個電源片和/或盤彼此相關(guān)垂直排列；b)電源片和/或盤之間的相互電連接；以及c)供應(yīng)燃料和氧化劑到電源片和/或盤的匯集管。
43.依照權(quán)利要求42的電源垛，其中在電源片或盤之間的流動路徑都是自聯(lián)接的。
44.依照權(quán)利要求42的電源垛，其中在電源片或盤之間的電源總線都是自聯(lián)接的。
45.一種用來構(gòu)成燃料電池的方法，其步驟包括a)構(gòu)成襯底；b)構(gòu)成第一和第二槽道，用來導(dǎo)入燃料到第一槽道，導(dǎo)入氧化劑到第二槽道；c)構(gòu)成帶有第一和第二面的隔膜，將第二槽道和第二槽道分隔開；d)在隔膜的第一面構(gòu)成第一電極，在隔膜的第二面構(gòu)成第二電極；e)構(gòu)造催化劑，其與隔膜和電極的電連接；以及f)構(gòu)造由氣密材料制成的蓋子，其與隔膜一起形成密封。
46.一種構(gòu)造電源裝置的方法，其步驟包括a)構(gòu)造平面襯底；b)構(gòu)造多個電源片和/或盤，包括i)多個流動路經(jīng)用來導(dǎo)入燃料和氧化劑；ii)一組的燃料電池；以及iii)多個電源接線端。c)構(gòu)造多個匯集管圍繞著電池組來分配燃料和氧化劑到電源片和/或盤；以及d)構(gòu)造多個電源總線接線端。
47.一種構(gòu)造電源垛的方法，其步驟包括a)構(gòu)造多個電源片和/或盤彼此相關(guān)地垂直排列；b)構(gòu)造電源片和/或盤之間的相互電連接；以及c)構(gòu)造供應(yīng)燃料和氧化劑到電源片和/或盤的匯集管。
48.一種構(gòu)造燃料電池的方法，其步驟包括a)在襯底上構(gòu)造三個流動槽道，一個內(nèi)部槽道和兩個外部槽道，其中各外部槽道被帶有許多垂直的狹縫的壁與內(nèi)部槽道分隔開；b)在每個壁的外側(cè)底部構(gòu)造電極；以及c)在在各狹縫之間形成的多個齒上構(gòu)造催化劑，其中催化劑與電極接觸。
49.一種使用平面襯底構(gòu)造燃料電池的方法，其中燃料電池的活性表面垂直于襯底平面并且具有較大的寬高比率。
50.一種用來構(gòu)造智能燃料電池的方法，其中感覺和/或控制結(jié)構(gòu)和/或燃料的消耗，和/或功效的電子元件被整體結(jié)合到與燃料電池相同的襯底上。
51.一種在用來平面襯底上構(gòu)造燃料電池的方法，其中在襯底上構(gòu)成的孔以使燃料和/或氧化劑垂直流動，由此減小流動路徑的長度。
全文摘要
在此公開的燃料電池是通過在半導(dǎo)體晶片上構(gòu)造槽道并在蝕刻槽道上構(gòu)造質(zhì)子交換隔膜PEM隔離層而在半導(dǎo)體晶片上構(gòu)成的。該隔離層將槽道分為兩部分。氫燃料被導(dǎo)入一個分割的槽道而氧化劑被導(dǎo)入另一個槽道。氫與槽道氫一側(cè)的陽極上形成的催化劑起反應(yīng)釋放出的氫離子(質(zhì)子)，其被吸收進入PEM。質(zhì)子穿過PEM遷移并且與在PEM氧一側(cè)的陰極上返回的氫電子和氧重新結(jié)合形成水。
文檔編號H01M8/00GK1421054SQ00816129
公開日2003年5月28日 申請日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月24日
發(fā)明者斯蒂芬·A·馬莎 申請人:集成燃料電池技術(shù)公司