專利名稱：微型液體甲醇燃料電池的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微型電池的制造方法，具體地說是一種采用微機(jī)械加工(MEMS)工藝技術(shù)加工微型液體甲醇燃料電池的方法。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(DMFC)作為一種微型便攜式能源，有其內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)。較高的比能量和能量轉(zhuǎn)化效率是人們感興趣的主要原因。同時(shí)固定的外部結(jié)構(gòu)和可隨時(shí)填充的液體燃料，也為用戶提供了便利條件。然而加工制作用于便攜式能源的微型燃料電池，并不是單一的降低電池的物理尺寸。例如，石墨流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的加工，會(huì)受石墨的脆性和模具的限制。以往的大尺寸燃料電池的制造方法不能直接應(yīng)用于微型燃料電池的加工。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的提供一種基于微機(jī)械加工(MEMS)工藝，便于批量制造的微型直接甲醇燃料電池(DMFC)的制造方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的以硅片為原料制作雙極板，硅片<100>先分別用甲苯、丙酮和乙醇進(jìn)行超聲清洗，清洗后的硅片置于氧化爐中，控制氧化爐溫度在1180℃，在水浴溫度為95～97℃，氧氣流量為1l/min的條件下通入氧氣進(jìn)行氧化，生成厚度為0.8-1.1微米的二氧化硅氧化層，采用光刻方法刻出氧化層圖形，再用HF酸刻蝕二氧化硅，打開腐蝕硅體的窗口，用KOH溶液腐蝕硅體，在硅的正面加工出流腔、背面加工出液體導(dǎo)流溝道，再使用化學(xué)腐蝕的方法在硅片上加工出垂直于電池流場(chǎng)的進(jìn)、出液孔，重新清洗硅片后在硅片的背面上鍵合玻璃密封層，重新生長二氧化硅，然后真空蒸鍍金屬層；將膜電極置于兩極板之間，在機(jī)械力約束下，將膜電極與兩極板結(jié)合，使用樹脂膠封裝成電池。
本發(fā)明還可以包括這樣一些特征1、雙極板材料選用硅基半導(dǎo)體材料<100>。
2、KOH腐蝕溶液的重量比濃度在30％-40％之間，腐蝕深度在100um～300um。
3、所述的使用電化學(xué)腐蝕的方法在硅片上加工出垂直于電池流場(chǎng)的進(jìn)、出液孔，是將硅片放在石墨板上并浸入整個(gè)KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根導(dǎo)電的金屬針將硅片緊壓在石墨板上，使針與石墨作為電解池的兩個(gè)電極，針接負(fù)電位。
4、所述的真空蒸鍍金屬層是Pt或Al。
本發(fā)明用半導(dǎo)體工藝及MEMS工藝加工雙極板，在外力約束的條件下將雙極板封壓在膜電極上，電池的四周使用樹脂膠密封。雙極板的制作采用氧化、光刻和硅腐蝕技術(shù)來完成，雙極板上的流場(chǎng)及進(jìn)、出液體導(dǎo)流通道為平面布局。最后使用玻璃和加工好的雙極板鍵合，并真空淀積金屬層，即完成雙極板加工。
微機(jī)械加工(MEMS)工藝使用光刻、腐蝕和化學(xué)氣相淀積等技術(shù)，在批量制造微系統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)上有明顯的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)工藝相比，更適于用來加工微電池結(jié)構(gòu)。由于電池特有的電化學(xué)反應(yīng)，其單池輸出電壓有限(DMFC小于1.2V)。所以可以采用多個(gè)單電池串聯(lián)起來以獲得較高的輸出電壓。電池陣列可以使用FLIP-FLOP結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證了質(zhì)子交換膜的完整性，具有較小的電池內(nèi)阻和單側(cè)功率輸出。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、便于批量加工，工藝流程簡單，制造成本低；2、易于設(shè)計(jì)微型液體甲醇燃料電池的平面陣列；3、可增加電池的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，微化液體甲醇燃料電池，并保持其性能。4、不僅可以制造單電池，也可以制造串聯(lián)或者是并聯(lián)電池組。


圖1是本發(fā)明的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖(多點(diǎn)型單電池)；圖2是多點(diǎn)型單電池雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2的后視圖；圖4是圖2的俯視圖。
(五)具體實(shí)施方案實(shí)施例一結(jié)合圖1和圖2，微型液體甲醇燃料電池的組成包括一個(gè)膜電極1和位于膜電極兩側(cè)的雙極板2、3，膜電極為兩側(cè)帶有催化層5、6的MEA膜，其周邊有密封樹脂膠4。以硅片為原料制作雙極板。硅片<100>先分別用甲苯、丙酮和乙醇進(jìn)行超聲清洗。清洗后的硅片置于氧化爐中，控制氧化爐溫度在1180℃，在水浴溫度為95～97℃，氧氣流量為1l/min的條件下通入氧氣進(jìn)行氧化，生成厚度為0.8-1.1微米的二氧化硅層。采用光刻方法刻出流腔、液體導(dǎo)流溝道氧化層圖形，流腔中的支撐點(diǎn)11可以是點(diǎn)式分布，也可以是蛇形分布。再用HF酸刻蝕二氧化硅，打開腐蝕硅體的窗口。用重量比濃度在10％-40％之間的KOH溶液腐蝕硅體，腐蝕深度在100um～300um，在硅的正面加工出流腔10、背面加工出液體導(dǎo)流溝道12。再使用電化學(xué)腐蝕的方法在硅片上加工出垂直于電池流場(chǎng)的進(jìn)、出液孔9，即將硅片放在石墨板上并浸入整個(gè)KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根導(dǎo)電的金屬針將硅片緊壓在石墨板上，使針與石墨作為電解池的兩個(gè)電極，針接負(fù)電位。重新清洗硅片后在硅片的背面上鍵合玻璃密封層7。重新生長二氧化硅，然后真空蒸鍍金屬Pt層7，金屬層還可以是AI、Ni等。將膜電極置于兩極板之間，在機(jī)械力約束下，將膜電極與兩極板結(jié)合，使用樹脂膠封裝成電池。
實(shí)施例二結(jié)合圖1和圖2，微型液體甲醇燃料電池的組成包括一個(gè)膜電極1和位于膜電極兩側(cè)的雙極板2、3，膜電極為兩側(cè)帶有催化層5、6的MEA膜，其周邊有密封樹脂膠4。以10mm×10mm、厚度500微米的硅片為原料制作雙極板。硅片<100>先分別用甲苯、丙酮和乙醇進(jìn)行超聲清洗。清洗后的硅片置于氧化爐中，控制氧化爐溫度在1180℃，在水浴溫度為97℃，氧氣流量為1l/min的條件下通入氧氣進(jìn)行氧化，生成厚度為1.0微米的二氧化硅層。采用光刻方法刻出流腔、液體溝道氧化層圖形，流腔中的支撐點(diǎn)可以是點(diǎn)式分布，支撐點(diǎn)為0.4mm×0.4mm，支撐點(diǎn)間距也為0.4mm。再用HF酸刻蝕二氧化硅，打開腐蝕硅體的窗口。用重量比濃度在20％的KOH溶液腐蝕硅體，腐蝕深度在200um，在硅的正面加工出流腔、背面加工出液體導(dǎo)流溝道。再使用電化學(xué)腐蝕的方法在硅片上加工出垂直于電池流場(chǎng)的進(jìn)、出液孔，即將硅片放在石墨板上并浸入整個(gè)KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根導(dǎo)電的金屬針將硅片緊壓在石墨板上，使針與石墨作為電解池的兩個(gè)電極，針接負(fù)電位。重新清洗硅片后在硅片的背面上鍵合玻璃密封層。重新生長二氧化硅，然后真空蒸鍍金屬Al膜等。將膜電極置于兩極板之間，在機(jī)械力約束下，將膜電極與兩極板結(jié)合，使用樹脂膠封裝成電池。
實(shí)施例三蛇型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。改變光刻掩膜版的圖形設(shè)計(jì)。選用蛇型結(jié)構(gòu)的光刻掩膜版，其他的工藝步驟與實(shí)施例二相同。
權(quán)利要求
1.一種微型液體甲醇燃料電池的制造方法，其特征是以硅片為原料制作雙極板，硅片<100>先分別用甲苯、丙酮和乙醇進(jìn)行超聲清洗，清洗后的硅片置于氧化爐中，控制氧化爐溫度在1180℃，在水浴溫度為95～97℃，氧氣流量為1l/min的條件下通入氧氣進(jìn)行氧化，生成厚度為0.8-1.1微米的二氧化硅層，采用光刻方法刻出氧化層圖形，再用HF酸刻蝕二氧化硅，打開腐蝕硅體的窗口，用KOH溶液腐蝕硅體，在硅的正面加工出流腔、背面加工出液體導(dǎo)流溝道，再使用電化學(xué)腐蝕的方法在硅片上加工出垂直于電池流場(chǎng)的進(jìn)、出液孔，重新清洗硅片后在硅片的背面上鍵合玻璃密封層，重新生長二氧化硅，然后真空蒸鍍金屬層；將膜電極置于兩極板之間，在機(jī)械力約束下，將膜電極與兩極板結(jié)合，使用樹脂膠封裝成電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型液體甲醇燃料電池的制造方法，其特征是雙極板材料選用硅基半導(dǎo)體材料<100>。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極板流場(chǎng)的加工方法，其特征是KOH腐蝕溶液的重量比濃度在30％-40％之間，腐蝕深度在100um～300um。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型液體甲醇燃料電池的制造方法，其特征是所述的使用電化學(xué)腐蝕的方法在硅片上加工出垂直于電池流場(chǎng)的進(jìn)、出液孔，是將硅片放在石墨板上并浸入整個(gè)KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根導(dǎo)電的金屬針將硅片緊壓在石墨板上，使針與石墨作為電解池的兩個(gè)電極，針接負(fù)電位。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型液體甲醇燃料電池的制造方法，其特征是所述的使用電化學(xué)腐蝕的方法在硅片上加工出垂直于電池流場(chǎng)的進(jìn)、出液孔，是將硅片放在石墨板上并浸入整個(gè)KOH溶液中，在所需打孔的地方用一根導(dǎo)電的金屬針將硅片緊壓在石墨板上，使針與石墨作為電解池的兩個(gè)電極，針接負(fù)電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的微型液體甲醇燃料電池的制造方法，其特征是所述的真空蒸鍍金屬層是Pt或Al。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型液體甲醇燃料電池的制造方法，其特征是所述的真空蒸鍍金屬層是Pt或Al。
8.根據(jù)權(quán)利要求或4所述的微型液體甲醇燃料電池的制造方法，其特征是所述的真空蒸鍍金屬層是Pt或Al。
全文摘要
本發(fā)明是一種微型液體甲醇燃料電池的制造方法。本發(fā)明用微機(jī)械加工(MEMS)工藝加工雙極板，在外力約束的條件下將雙極板封壓在膜電極上，電池的四周使用樹脂膠密封。雙極板的制作采用氧化、光刻和硅腐蝕技術(shù)來完成，雙極板上的流場(chǎng)及進(jìn)、出液體導(dǎo)流通道為平面布局。最后使用玻璃和加工好的雙極板鍵合，并真空淀積金屬層，即完成雙極板加工。本發(fā)明的方法可以有效的完成流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和電流收集，并可有效縮小燃料電池的體積和便于批量加工。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1595703SQ20041004370
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月12日
發(fā)明者劉曉為, 張國威, 王喜蓮, 田麗 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)