專利名稱：具有經(jīng)過構(gòu)圖的固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及燃料電池，更具體地涉及通過對(duì)固體質(zhì)子傳導(dǎo)電 解質(zhì)構(gòu)圖制造燃料電池的方法。
背景技術(shù)：
目前可充電蓄電池是用于蜂窩電話以及各種其它便攜電子設(shè)備的 主要電源。蓄電池中存儲(chǔ)的能量是有限的。這是由存儲(chǔ)材料的能量密
度(Wh/L)及其化學(xué)性質(zhì)和電池的體積決定的。例如，對(duì)于能量密度 為250Wh/L的典型Li離子蜂窩電話電池來說，10cc蓄電池能存儲(chǔ) 2.5Wh的能量。根據(jù)用途，能量能夠持續(xù)幾小時(shí)到幾天。再充電總是需 要連接插座的通路。存儲(chǔ)能量的有限的量和頻繁再充電是伴隨蓄電池 的主要麻煩。因此，對(duì)于蜂窩電話電源來說需要持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、容易 充電的解決方案。實(shí)現(xiàn)這個(gè)需要的一種方法需要具有連同可充電蓄電 池的混合能源以及對(duì)蓄電池涓流充電的方法。對(duì)于給蓄電池再充電的 能量轉(zhuǎn)換裝置來說重要的考慮包括功率密度、能量密度、尺寸和能量 轉(zhuǎn)換效率。
諸如太陽能電池、利用周圍溫度變化的溫差電池和利用自然振動(dòng) 的壓電電源的能量收集方法對(duì)于給蓄電池涓流充電來說是非常具有吸 引力的電源。然而，這些方法產(chǎn)生的能量小，通常僅幾毫瓦。在有利 益，即，幾百毫瓦的狀況下，這意味著需要大的體積來產(chǎn)生足夠的電 能，這使其對(duì)蜂窩電話型應(yīng)用不具有吸引力。
另一種替代性方法是裝載高能量密度燃料并且以高效率將該燃料 能量轉(zhuǎn)換成電能給電池再充電。研究了具有高能量密度的放射性同位 素燃料用于便攜式電源。然而，就這種方法而言，功率密度低并且還
5有與放射性材料有關(guān)的安全性問題。這對(duì)遠(yuǎn)程傳感器型應(yīng)用來說是具 有吸引力的電源，但是對(duì)蜂窩電話電源來說并不具有吸引力。在各種 其它能量轉(zhuǎn)換技術(shù)中，最具有吸引力的技術(shù)是燃料電池技術(shù)，因?yàn)樗?的能量轉(zhuǎn)換效率高并且已經(jīng)論證了使其小型化且具有高效率的可行 性。
具有主動(dòng)控制系統(tǒng)的燃料電池以及能夠在高溫下工作的那些燃料
電池都是復(fù)雜的系統(tǒng)并且非常難以小型化到蜂窩電話應(yīng)用所需的2-5cc
體積。這些燃料電池的例子包括主動(dòng)控制直接甲醇或者甲酸燃料電池
(DMFC或DFAFC)、重整氫燃料電池(RHFC)以及固體氧化物燃 料電池(SOFC)。被動(dòng)吸氣式氫(passive air-breathing hydrogen)燃 料電池、被動(dòng)DMFC或DFAFC以及雙燃料電池對(duì)于該應(yīng)用來說是具 有吸引力的系統(tǒng)。然而，除了最小化問題以外，其它關(guān)注點(diǎn)包括對(duì)于 氫燃料電池來說的氫供給，對(duì)于被動(dòng)DMFC和DFAFC來說的壽命和 能量密度，以及就雙燃料電池而言的壽命、能量密度和功率密度。
常規(guī)的DMFC和DFAFC設(shè)計(jì)對(duì)于每個(gè)電池來說包括平面、堆疊 層。那么為了得到更大的功率、冗余和可靠性，可以堆疊單個(gè)電池。 這些層典型地包括石墨、碳和碳復(fù)合物、聚合物材料、金屬如鈦和不 銹鋼以及陶瓷。通常在周圍，堆疊層的功能性區(qū)域限于用于將結(jié)構(gòu)栓 接在一起以及沿著電池和在電池之間容納燃料和氧化劑通道的通孔。 此外，平面、堆疊的電池僅在截面區(qū)域(x和y坐標(biāo))中由燃料/氧化 劑交換獲得電能。
為了以與典型的移動(dòng)裝置電池相同的體積(10cc-2.5Wh)設(shè)計(jì)燃 料電池/蓄電池混合電源，需要更小的蓄電池以及具有高功率密度和效 率的燃料電池來實(shí)現(xiàn)整體能量密度高于單獨(dú)蓄電池的能量密度。例如， 對(duì)于為了滿足電話的最大需求的4-5cc (1.0-1.25Wh)蓄電池來說，需 要燃料電池應(yīng)當(dāng)安裝在l-2cc，燃料占據(jù)余下體積。燃料電池的功率輸 出需要是0.5W以上才能夠在合理的時(shí)間內(nèi)對(duì)蓄電池再充電。對(duì)小型燃料電池的大部分研發(fā)活動(dòng)都是試圖使傳統(tǒng)燃料電池設(shè)計(jì)最小化，而且 所得到的系統(tǒng)對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用來說仍然太大。已經(jīng)公開了一些在平面燃 料電池構(gòu)造中使用傳統(tǒng)硅處理方法的微型燃料電池研發(fā)活動(dòng)，以及在 一些情況下，使用多孔硅增加表面積和功率密度。參見，例如u.s.專 利/公布號(hào)2004/0185323、 2004/0058226、 6541149和2003/0003347。然 而，吸氣式平面氫燃料電池的功率密度典型地在50-100mW/cn^的范圍 內(nèi)。要產(chǎn)生500mW需要5ci^以上的活性面積。而且，單個(gè)燃料電池 的工作電壓在0.5-0.7V的范圍內(nèi)。需要串聯(lián)至少四個(gè)到五個(gè)燃料電池 才能使燃料電池工作電壓達(dá)到2-3V，以及為了有效的DC-DC轉(zhuǎn)換使工 作電壓達(dá)到4V以給Li離子電池充電。因此，傳統(tǒng)平面燃料電池方法 不能滿足用于蜂窩電話用途的燃料電池/蓄電池混合電源中的燃料電池 對(duì)于l-2cc體積的需求。
因此，希望提供由具有增加了的表面積的三維燃料/氧化劑交換獲 得電能的集成微型燃料電池裝置。在任何典型的聚合物電解質(zhì)燃料電 池中，相比于陰極側(cè)的氧還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，陽極側(cè)的氫氧化反應(yīng)的 動(dòng)力學(xué)更快。希望增加二者的這些反應(yīng)速率，但是特別希望通過增加 催化活性或者通過提供更大的表面積用于反應(yīng)來增加氧還原速率。而 且，結(jié)合本發(fā)明的附圖和背景技術(shù)，本發(fā)明的其它需要的特征和特性 將從隨后的具體實(shí)施方式
和所附的權(quán)利要求中顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種對(duì)用于微型燃料電池的固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)構(gòu)圖的方 法。該方法包括對(duì)固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的第一側(cè)構(gòu)圖以增加表面積， 用電催化劑或者電催化劑/離聚物涂覆經(jīng)過構(gòu)圖的第一側(cè)，為第一側(cè)提 供第一電導(dǎo)體，以及為固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè) 提供第二電導(dǎo)體。


此后將結(jié)合下面的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，附圖中相同的附圖標(biāo)
7記表示相同的部件，并且
圖1-6是根據(jù)示例性實(shí)施方案制造的兩個(gè)燃料電池的部分橫截面
視圖7是沿著圖6中線7-7的部分橫截面俯視圖8-10是根據(jù)第二示例性實(shí)施方案制造的燃料電池的部分橫截面
視圖11是根據(jù)第三示例性實(shí)施方案制造的燃料電池的部分橫截面 視圖；以及
圖12-14是其它示例性實(shí)施方案的部分俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面具體實(shí)施方式
實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，并不是要限制本發(fā)明 或者本發(fā)明的應(yīng)用和用途。而且，意在不受前面提到的本發(fā)明的背景 技術(shù)或者下面具體實(shí)施方式
中提到的任何理論限制。
微型燃料電池裝置的主要部件是將陽極和陰極區(qū)域的反應(yīng)氣體分 隔開的質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)、有助于燃料電池的陽極和陰極上氣體種類的 氧化和還原的電催化劑、提供均勻的通向陽極和陰極的反應(yīng)氣體通路 的氣體擴(kuò)散區(qū)域以及用于有效收集電子和將電子傳輸?shù)脚c燃料電池跨 接的負(fù)載上的集電體。其它任選的部件為與電催化劑相互混合的離聚 物和/或有助于改善性能的用于電催化劑顆粒的導(dǎo)電載體。在微型燃料 電池結(jié)構(gòu)的制造中，電解質(zhì)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和處理對(duì)于高能量和功率密 度以及改善的壽命和可靠性來說是關(guān)鍵的。這里所說的方法是提高電 解質(zhì)的表面積，得到增強(qiáng)的電化學(xué)接觸面積、高縱橫比三維燃料電池 以及簡(jiǎn)化的集成和處理方案。三維燃料電池可以由自支撐膜例如固體 質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)如Nafion (DuPont de Nemours的注冊(cè)商標(biāo))制造，或 者集成為多個(gè)微型燃料電池。將電解質(zhì)材料結(jié)合到微型燃料電池結(jié)構(gòu) 中的傳統(tǒng)方法需要有選擇的填充方法例如Nafion的噴墨分配或者將 Nafion膜從燃料電池中不需要的區(qū)域除去的方法。本發(fā)明中描述的方 法提供了由自支撐Nafion膜制造三維燃料電池的方法或者將Nafion電
8解質(zhì)集成為多個(gè)微型燃料電池的方法。相比于有選擇的從燃料電池結(jié)
構(gòu)中不需要的區(qū)域機(jī)械除去Nafion膜，改善了機(jī)械完整性，并且相比于有選擇的填充方法例如Nafion的噴墨分配，實(shí)現(xiàn)了極大地增加了的輸出。而且，在Nafion電解質(zhì)中可以對(duì)氣體擴(kuò)散通道進(jìn)行構(gòu)圖。
將單個(gè)微型燃料電池制造成為高縱橫比微孔為燃料(陽極)和氧化劑(陰極)之間的質(zhì)子交換提供了高表面積。在這些小尺寸上，需要陽極、陰極、電解質(zhì)和集電體的精確對(duì)準(zhǔn)以防止電池短路。這個(gè)對(duì)準(zhǔn)可以通過集成電路方法中的半導(dǎo)體處理方法完成。也可以在陶瓷、玻璃或聚合物基板中制造功能性電池。本發(fā)明提供了一種制造三維微型燃料電池的方法，該微型燃料電池具有大于基板的表面積，由此每單位體積具有更大的功率密度。
集成電路、微電子器件、微電子機(jī)械器件、微型流控器件和光子器件的制造涉及以某些方式相互作用的若干層材料的制作。可以對(duì)這些層中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行構(gòu)圖，因此該層的各個(gè)區(qū)域具有不同的電或其它特性，其可以在該層內(nèi)或者與其它層互連而形成電組件和電路?？梢酝ㄟ^有選擇地導(dǎo)入或者除去各種材料形成這些區(qū)域。限定了這種區(qū)域的圖案經(jīng)常通過光刻方法形成。例如，在覆蓋晶片基板的層上涂覆光致抗蝕劑材料層。通過輻射形式，例如紫外光、電子或x射線，使用光掩模(包含干凈且透明的區(qū)域)有選擇地暴露該光致抗蝕劑材料。通過應(yīng)用顯影劑除去暴露于輻射的光致抗蝕劑材料或者沒有暴露于輻射的光致抗蝕劑材料。然后可以對(duì)沒有受到余下抗蝕劑保護(hù)的層實(shí)施蝕刻，當(dāng)除去抗蝕劑時(shí)，對(duì)覆蓋基板的層進(jìn)行構(gòu)圖。作為選擇，也可是使用其它方法，例如使用光致抗蝕劑作為模板構(gòu)建結(jié)構(gòu)。
使用通常在半導(dǎo)體集成電路方法中使用的光學(xué)光刻方法制造的平行的三維微型燃料電池，產(chǎn)生以小體積具有所需要功率密度的燃料電池?？梢圆⒙?lián)或串聯(lián)該電池以提供所需要的輸出電壓。在基板中以微型陣列(形成為底座)制造功能性微型燃料電池。在具有由絕緣體隔開的陽極區(qū)域和陰極區(qū)域的三維中發(fā)生陽極/陰極離子交換。使用多種金屬導(dǎo)體作為陽極和陰極用于氣體擴(kuò)散并且也用于電流收集。在電解
質(zhì)壁上沉積電催化劑。作為選擇，將承載在傳導(dǎo)載體例如碳上的電催化劑與離聚物沉積到電解質(zhì)壁上。
在示例性實(shí)施方案的具有數(shù)千并聯(lián)的微型燃料電池的三維微型燃料電池設(shè)計(jì)中，每個(gè)電池承載的電流小。在一個(gè)電池失效的情況下，為了維持恒定電流，將使并聯(lián)的電池組中其它電池承載的電流僅小增量的增加，而沒有有害地影響它們的性能。
圖l-15說明利用在硅、玻璃、陶瓷、塑料或柔性基板上進(jìn)行類似半導(dǎo)體的方法制造燃料電池的示例性方法。參考圖1，在基板12上沉
積鈦薄層14以為接下來的金屬化層提供粘附，并且該鈦薄層14還可以作為電底板(electrical backplane)(用于I/O連接、電流跟蹤(currenttrace)等)。層14的厚度可以在10-1000A的范圍內(nèi)，但是優(yōu)選100A。還可以使用除了鈦之外的金屬，例如鉭、鉬、鎢、鉻。為了良好的導(dǎo)電，在層14上沉積第一導(dǎo)電層16，例如金屬，并且該第一導(dǎo)電層16優(yōu)選是金，因?yàn)樗琴F金屬，更適合于燃料電池的工作期間經(jīng)歷的氧化/還原環(huán)境。
參考圖2，然后對(duì)金層16構(gòu)圖并且蝕刻，以提供與此后描述的部件的接觸(作為選擇，可以使用剝離方法)，以及在其上沉積氧化物層18。在層18上沉積第二導(dǎo)電層20，例如金，構(gòu)圖并蝕刻，以提供與此后描述的部件的接觸。層16和20的厚度可以在100A到1.0微米的范圍內(nèi)，但是層16優(yōu)選為1000A。用于第一和第二導(dǎo)電層的金屬除了金之外，還可以包括例如鉑、銀、鈀、釕、鎳、銅。然后形成通孔15并且填充金屬，從而使金層16與介電層18的表面19電接觸。
參考圖3并且根據(jù)示例性實(shí)施方案，在表面19和第二金屬層20上形成固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)22。固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)22的例子包括聚
10合物電解質(zhì)如全氟磺酸(Nafion )膜、酸摻雜的聚苯并咪唑、聚苯乙烯的磺化衍生物、聚磷腈(polyphosphozene)、聚醚醚酮、聚(砜)、聚(酰亞胺)和聚芳醚砜。當(dāng)增濕時(shí)，全氟磺酸在室溫下具有非常好的離子傳導(dǎo)性(0.1S/cm)。固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)22優(yōu)選被旋涂，但是也可以使用其它方法例如澆注或?qū)訅侯A(yù)先制作的Nafion膜。可以通過旋涂包含電解質(zhì)和其它添加劑例如溶劑和/或水的溶液在各種基板例如玻璃、塑料和硅上制造電解質(zhì)膜?；蹇梢允菍?dǎo)電的、半導(dǎo)電的、絕緣的或者半絕緣的。基板還可以具有在其上的膜或者多層導(dǎo)電、半導(dǎo)電、半絕緣或絕緣材料?？梢酝ㄟ^改變旋轉(zhuǎn)速率和包含電解質(zhì)的溶液的粘度來控制電解質(zhì)膜厚度，例如在1000rpm下10wt。/o的Nafion在水中的溶液得到650nm的厚度。還可以通過多次旋涂改變膜厚度。旋涂之后，膜可以在室溫到IO(TC之間下干燥以從膜中除去過量的水和溶劑?？梢酝ㄟ^澆注包含電解質(zhì)的溶液或者通過粘結(jié)自支撐電解質(zhì)膜制作較厚的電解質(zhì)膜。可以在升高的溫度(升至相應(yīng)于電解質(zhì)的玻璃轉(zhuǎn)換溫度的溫度)下利用所施加的壓力通過熱壓技術(shù)完成粘結(jié)。也可以通過利用表面功能化技術(shù)使用自組裝的單層以改善粘結(jié)來獲得自支撐電解質(zhì)膜的粘結(jié)。其它方法為旋涂電解質(zhì)薄層或者用作膠層的其它材料層，并且以施加壓力或者未施加壓力下放置自支撐電解質(zhì)。催化劑例如鉑或碳上的鉑也可以在粘結(jié)之前擔(dān)載在自支撐電解質(zhì)中的一個(gè)或者兩個(gè)表面上。在通過上述提及的技術(shù)的一種形成電解質(zhì)層22之后，在固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)22上沉積掩模層24，然后在掩模層24上形成圖案形成層26。選擇掩模層24使其耐電解質(zhì)構(gòu)圖方法例如等離子體蝕刻，并且掩模層可以是導(dǎo)電、半導(dǎo)電或者絕緣層。圖案形成層26可以是可光構(gòu)圖的層例如通過常規(guī)半導(dǎo)體方法如旋涂和光刻處理的光致抗蝕劑。作為選擇，圖案形成層26可以是通過自組裝方法例如多孔陽極氧化鋁的自組裝、嵌段共聚物自組裝或者凝膠模板形成的多孔層。利用自組裝方法形成層26允許非光刻制造經(jīng)過構(gòu)圖的電解質(zhì)，因此成本低且產(chǎn)出高。然后通過常規(guī)的構(gòu)圖方法例如濕法或干法化學(xué)蝕刻、濺射或離子薄化(ion milling)將圖案從層26轉(zhuǎn)印到掩模層24上。當(dāng)使用圖案形成層26作為掩模直接對(duì)電解質(zhì)22構(gòu)圖時(shí)，掩模層24是任選的。
參考圖4-5，使用化學(xué)蝕刻，除去沒有被圖案形成層26保護(hù)的掩模層24。然后，在除去圖案形成層26之后，除去沒有被掩模層24保護(hù)的固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)22形成底座28，該底座28包括陽極內(nèi)側(cè)29和同心陰極外側(cè)30。同心外側(cè)30和陽極內(nèi)側(cè)29由固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)22隔開。在優(yōu)選實(shí)施方案中，通過干法等離子體完成蝕刻固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的除去。等離子體氣體可以是氬氣或其它化學(xué)物質(zhì)，但是優(yōu)選氧。該基于氧的高密度蝕刻將在大的處理窗口工作。代表性條件如下900Wu-波，50WRIE， 30sccm 02， 4mT, Hecooled卡盤。蝕刻速率可以達(dá)到5)im/分鐘。作為選擇，可以通過碾磨、激光加工或者濺射技術(shù)構(gòu)圖電解質(zhì)。底座28的直徑優(yōu)選為10到100微米。每個(gè)底座28之間的距離例如在10到100微米。這里所使用的同心是指具有共用中心的結(jié)構(gòu)，但是陽極和陰極壁可以采用任何形式并且不限于圓形。例如，底座28可以作為選擇通過蝕刻直角的凹槽而形成。
然后通過沖洗涂覆(wash coat)或某些其它沉積方法例如CVD、ALD、 PVD、電化學(xué)或者化學(xué)沉積方法，以用于陽極和陰極燃料電池反應(yīng)的電催化劑33對(duì)側(cè)壁32進(jìn)行涂覆(圖6)。在層18和金屬20上沉積多金屬層34，該多金屬層34包括兩種金屬的合金，例如銀/金、銅/銀、鎳/銅、銅/鈷、鎳/鋅或鎳/鐵，并且厚度在100-500um的范圍內(nèi)，但是優(yōu)選200 um。然后對(duì)多金屬層34進(jìn)行濕法蝕刻除去一種金屬，留下多孔材料。多孔金屬層也可以通過其它方法例如模板自組裝生長(zhǎng)或溶膠-凝膠沉積形成。
作為選擇，可以通過上述技術(shù)首先生長(zhǎng)多孔層，然后在多孔層的壁和/或多孔層-電解質(zhì)界面上涂覆電催化劑?？梢酝ㄟ^CVD、 ALD、PVD、來自溶液的電催化劑的電化學(xué)沉積或化學(xué)沉積涂覆電催化劑。
然后在電解質(zhì)材料22、燃料區(qū)域42和多金屬層34的上方形成覆蓋層36并且對(duì)覆蓋層36進(jìn)行構(gòu)圖。覆蓋層36基本上可以不透氫并且 可以包括例如導(dǎo)電層、半導(dǎo)電層或絕緣層，但是優(yōu)選包括介電層。圖6 示出絕緣覆蓋層的情況。如果使用導(dǎo)電或者半導(dǎo)體層，覆蓋層寬度是 這樣的，即陽極和陰極之間不會(huì)短路。通過常規(guī)的蝕刻(濕法或干法) 方法在基板中形成通孔或空腔38。在用于將氫傳輸?shù)酵?8的結(jié)構(gòu) 27上設(shè)置硅基板12或包含微型燃料電池的基板。結(jié)構(gòu)27可以包括形 成在例如陶瓷材料中的空腔或者連續(xù)的空腔(例如，管道或通道)。 然后氫會(huì)進(jìn)入通孔38上方的多金屬層18的氫部分42。由于部分42由 覆蓋層36覆蓋，因此氫會(huì)保持在部分42中。氧化劑部分43與周圍空 氣相通，允許空氣(包含氧)進(jìn)入到氧化劑部分43?？梢匀芜x對(duì)氧化 劑部分43構(gòu)圖，例如形成通孔以改善空氣的通道。
圖7說明了參考圖1-6以所描述的同心圓方式制造的相鄰燃料電 池的俯視圖。電解質(zhì)材料固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)22在陽極42 (氫供給) 和陰極43 (吸氣式)區(qū)域之間形成物理屏障。氣體總管27嵌入在底部 封裝基板中，將氫氣供給到所有的陽極區(qū)域。由于它在頂部36被覆蓋， 所以它象一端堵死的陽極供給構(gòu)造燃料電池。
圖IO示出了第二示例性實(shí)施方案。參照8，通過在固體質(zhì)子傳導(dǎo) 電解質(zhì)60上光刻、絲網(wǎng)印刷或?qū)訅簩?duì)掩模62，例如光致抗蝕劑、氧化 物或氮化物進(jìn)行構(gòu)圖。固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)60可以是自支撐的或者形 成例如旋涂或?qū)訅涸诨迳?未示出)?；蹇梢园ɡ绻琛⒉Ａ?、 陶瓷、塑料或柔性基板。
參考圖9，在施加的偏壓下使用氧等離子體進(jìn)行干法蝕刻除去沒 有被掩模62保護(hù)的所有或部分固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)60。然后除去掩模 62，并且通過沖洗涂覆或某些其它沉積方法例如CVD、 PVD、化學(xué)或 者電化學(xué)沉積在經(jīng)過構(gòu)圖的表面63上涂覆用于陽極和陰極燃料電池反 應(yīng)的電催化劑66 (圖10)。在電催化劑層中可以添加其它組分例如離 聚物和用于電催化劑的導(dǎo)電載體。固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)60的蝕刻形成凹槽64，由此增加了其上沉積電催化劑66的固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)60 的表面積。還將電催化劑66涂覆在電解質(zhì)60的另一側(cè)67上。分別在 相對(duì)側(cè)67和72上的電催化劑66上形成多孔導(dǎo)電材料層68和73，用 于在那里形成電接觸。氧化劑70或者燃料74沿著表面在多孔導(dǎo)電材 料層的經(jīng)過構(gòu)圖的或者沒有構(gòu)圖的表面上通過，確保質(zhì)子遷移通過固 體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)60。優(yōu)選地，氧化劑70沿著電解質(zhì)的經(jīng)過構(gòu)圖的表 面流動(dòng)，這將增加整體燃料電池性能，因?yàn)樵谀且粋?cè)上由于增加了表 面積而增加了反應(yīng)速率。
在第三示例性實(shí)施方案(圖11)中，以與圖10中的示例性實(shí)施 方案相類似的方法在兩個(gè)表面67和72上蝕刻固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)60， 提供凹槽64和65。在兩個(gè)表面67和72上沉積電催化劑66。分別在 相對(duì)側(cè)67和72上的電催化劑66上形成多孔導(dǎo)電材料層68和73，用 于在那形成電接觸。燃料74可以被指引沿著導(dǎo)體68并且氧化劑70可 以被指引沿著導(dǎo)體73。
例如對(duì)于圖10和11的實(shí)施方案來說，電催化劑66可以任選地分 別填充凹槽64和65，部分地或者一直到甚至到達(dá)表面73和68，而沒 有影響表面67和72的表面積。
參考圖12，沿著圖11中線13-13的剖視圖說明了其中凹槽64和 65包括溝槽(trench)的示例性實(shí)施方案。以及參照?qǐng)D13，沿著圖11 中線13-13的剖視圖說明了其中凹槽64和65包括圓柱形孔或通孔的示 例性實(shí)施方案。圖14也是其中凹槽65是圓柱形通孔以及凹槽64是同 心地位于凹槽65周圍的溝槽的另一個(gè)示例性實(shí)施方案(橫截面未示 出)。
雖然在前面具體實(shí)施方式
中已經(jīng)提出了至少一個(gè)示例性實(shí)施方 案，但是應(yīng)當(dāng)理解存在大量的變形實(shí)施方案。還應(yīng)當(dāng)理解示例性實(shí)施 方案或者多個(gè)示例性實(shí)施方案僅僅是實(shí)施例，并不是要以任何方式限
14制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或構(gòu)造。而是，前面的具體實(shí)施方式
要向本領(lǐng) 域的技術(shù)人員提供實(shí)現(xiàn)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的方便的路線圖，應(yīng)當(dāng) 理解在示例性實(shí)施方案中描述的功能和排列可以作出各種變化，而不 脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種形成燃料電池的方法，所述方法包括對(duì)固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的第一側(cè)進(jìn)行構(gòu)圖；以及用第一電催化劑涂覆經(jīng)過構(gòu)圖的第一側(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括在用所述第一電催化劑涂覆之前，在經(jīng)過構(gòu)圖的第一側(cè)上形成第一多孔金屬層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括提供與所述第一電催化劑的第一電連接；以及提供與所述第一側(cè)相對(duì)的所述固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的第二側(cè)的第二電連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，所述方法還包括，在提供第二電連接..、, 、/*乙刖:對(duì)所述固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的第二側(cè)進(jìn)行構(gòu)圖；以及用第二電催化劑涂覆經(jīng)過構(gòu)圖的第二側(cè)，其中對(duì)所述第二電催化劑進(jìn)行所述第二電連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，所述方法還包括，在用所述第二電催化劑涂覆之前，在經(jīng)過構(gòu)圖的第二側(cè)上形成第二多孔金屬層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述第一側(cè)包括陰極，而所述第二側(cè)包括陽極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)包括全氟磺酸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述構(gòu)圖步驟包括利用化學(xué)蝕刻或者干等離子體蝕刻中的一種進(jìn)行蝕刻。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述涂覆步驟包括形成在經(jīng)過構(gòu)圖的第一側(cè)上形成的第一層電催化劑，以及在所述第一層上形成第二層多孔氣體傳導(dǎo)材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中涂覆經(jīng)過構(gòu)圖的第二側(cè)包括形成在經(jīng)過構(gòu)圖的第二側(cè)上形成的第一層電催化劑，以及在所述第一層上形成第二層多孔氣體傳導(dǎo)材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述構(gòu)圖步驟包括使用通過光刻技術(shù)和自組裝技術(shù)中的一種制造的掩模。
12. —種制造燃料電池的方法，包括在基板上形成固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)；對(duì)所述固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)進(jìn)行構(gòu)圖形成多個(gè)底座，每個(gè)底座具有被所述固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)隔開的陽極側(cè)和陰極側(cè)；分別用第一電催化劑和第二電催化劑涂覆所述陽極側(cè)和所述陰極為所述第一電催化劑提供第一電導(dǎo)體；以及為所述第二電催化劑提供第二電導(dǎo)體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，所述方法還包括通過用絕緣體覆蓋所述底座來限定與所述陽極側(cè)相鄰的燃料區(qū)域；蝕刻所述基板以提供通孔，用于提供通向所述燃料區(qū)域的通路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述電解質(zhì)包括全氟磺酸。
15. —種燃料電池，包括-固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)，其具有包含第一多個(gè)經(jīng)過蝕刻的凹槽的第 一側(cè)，及與所述第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)；形成在所述第一側(cè)上和所述經(jīng)過蝕刻的凹槽內(nèi)的第一電催化劑； 與所述第一電催化劑接觸的第一電導(dǎo)體；以及 與所述第二側(cè)相連的第二電導(dǎo)體。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池，其中所述固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì) 的第二側(cè)包含第二多個(gè)經(jīng)過蝕刻的凹槽以增加表面積，并且所述燃料 電池還包括形成在所述第二側(cè)上和所述第二多個(gè)經(jīng)過蝕刻的凹槽內(nèi)的 第二電催化劑，其中所述第二電導(dǎo)體與所述第二電催化劑接觸。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池，其中所述第一側(cè)包括陰極，而 所述第二側(cè)包括陽極。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池，其中所述電催化劑包括全氟磺酸。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池，所述燃料電池還包括 與所述陽極側(cè)相鄰的燃料區(qū)域； 覆蓋所述燃料區(qū)域的絕緣體；以及其中所述基板限定通孔，用于提供通向所述燃料區(qū)域的通路。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池，其中所述固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì) 按照同心圓形成多個(gè)底座。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池，其中所述固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì) 形成由經(jīng)過構(gòu)圖的溝槽限定的多個(gè)底座。
全文摘要
在對(duì)用于微型燃料電池的固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)(22，60)構(gòu)圖的方法中，對(duì)電解質(zhì)(22，60)的第一側(cè)(30，63)構(gòu)圖以增加涂覆有電催化劑(33，66)的表面積，從而為第一側(cè)(22，60)提供電導(dǎo)體(20)，以及為電解質(zhì)(22，60)的第二側(cè)(19)提供電導(dǎo)體(15，16)。一個(gè)示例性實(shí)施方案包括在基板(12)上沉積固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)(60)，對(duì)電解質(zhì)(60)構(gòu)圖形成多個(gè)底座(28)，每個(gè)底座(28)具有與陽極區(qū)域(42)相鄰的陽極側(cè)和與陰極區(qū)域(43)相鄰的陰極側(cè)，用電催化劑(33)涂覆陽極(42)側(cè)和陰極(43)側(cè)，從而為陽極側(cè)(42)提供第一電導(dǎo)體(15，16)，以及為陰極側(cè)(43)提供第二電導(dǎo)體(20)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK101485019SQ200780024706
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者喬達(dá)里·R·科里佩拉, 威廉·J·達(dá)烏克謝爾, 拉姆庫馬爾·克里希南 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司