專利名稱：一種輪輻式自呼吸微型燃料電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)技術(shù)，具體說就是一種輪輻式自呼吸微型燃料電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
燃料電池將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不受卡諾熱機(jī)循環(huán)的限制，只要 提供燃料即可發(fā)電。它具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、安靜和可靠性高等特點(diǎn)。正是由于 這些突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)備受各國(guó)政府與公司的青睞，被認(rèn)為是21 世紀(jì)首選的、潔凈的、高效的發(fā)電技術(shù)。微型直接甲醇燃料電池由于甲醇燃料來源豐富，價(jià) 格便宜，理論比能量密度高，便于攜帶 ，整個(gè)電池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便靈活等特點(diǎn)，具有廣闊 的應(yīng)用前景。燃料電池的研究與開發(fā)，不僅有利于能源工業(yè)和電池工業(yè)的發(fā)展，而且必將推 動(dòng)電子工業(yè)、材料工業(yè)、醫(yī)療通訊等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)提高資源利用率和解決環(huán)境污染問 題等國(guó)家戰(zhàn)略需求具有重要意義。然而加工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那么簡(jiǎn)單，目前質(zhì)子交換膜燃料電池的研究主要存在以下問題(1) 自呼吸燃料電池陰極反應(yīng)氣體為空氣，氧氣含量有限，限制了氧與質(zhì)子的還原反應(yīng)，降低了 電池的性能。(2)傳統(tǒng)的自呼吸燃料電池陰極結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致氣體分布不均勻。(3)陽極反應(yīng) 產(chǎn)生的質(zhì)子電拖曳大量的水透過質(zhì)子交換膜。陰極由于反應(yīng)生成水再加上通過電拖曳到達(dá) 陰極的水造成陰極大量水存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用微細(xì)精密加工技術(shù)的輪輻式自呼吸微型燃料電 池及其制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種輪輻式自呼吸微型燃料電池，它是由陽極端板、 陽極極板、膠墊、膜電極、陰極極板和陰極端板組成的，陽極端板連接陽極極板，陽極極板連 接膠墊，膠墊分別連接膜電極和陰極極板，陰極極板連接陰極端板。所述的陰極極板包括氣體直孔通道和輪輻溝道，氣體直孔通道連接輪輻溝道。一種輪輻式自呼吸微型燃料電池的制備方法，工藝流程如下清洗硅片；利用低 壓化學(xué)氣相淀積法在硅片表面制備作為腐蝕掩模的氮化硅Si3N4薄膜；利用光刻技術(shù)在薄 膜上形成掩模圖形，以實(shí)現(xiàn)選擇腐蝕的目的；采用40%的KOH溶液對(duì)硅片進(jìn)行各向異性腐 蝕；利用反應(yīng)離子刻蝕法去除硅片表面殘留Si3N4薄膜；采用激光加工技術(shù)在硅片表面形成 側(cè)壁陡直的進(jìn)出口通道；利用磁控濺射技術(shù)在硅片腐蝕面形成Ti/Au的金屬層，用以收集 和傳導(dǎo)電流；這樣電池硅基陰陽極極板加工完成；如極板材料是金屬，則采用沖壓不銹鋼 的方法制作陰極極板和陽極極板；根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要可以選擇不同的輻條寬度和溝道深 度，輻條數(shù)目為1條或2條或多條，每一排輻條溝道的尺寸是均勻或是漸變的；陽極極板安 裝在導(dǎo)流有機(jī)玻璃上，利用微機(jī)械加工的方法在此導(dǎo)流有機(jī)玻璃制作成導(dǎo)流通道和有選擇 性開口的進(jìn)液口，封裝所用的陰極端板和陽極端板，利用微細(xì)精密加工技術(shù)加工高分子材料制成，將電池各部分組件固定好，保證電池不會(huì)漏液及陰，陽極連接的緊密性。本發(fā)明一種輪輻式自呼吸微型燃料電池及其制備方法，采用微細(xì)精密微細(xì)加工技 術(shù)加工的輪輻式陰極結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)陰極結(jié)構(gòu)溝道與擴(kuò)散層的接觸面積很大，使 氧氣能夠更充分的進(jìn)行反應(yīng)。(2)相對(duì)于傳統(tǒng)的陰極結(jié)構(gòu)，輪輻式陰極結(jié)構(gòu)在氣體分布的均 勻性上有了明顯的改善。(3)輪輻式陰極結(jié)構(gòu)由于其高溫高壓特性，造成生成水的擴(kuò)散以及 汽化速率加快，從而便于后續(xù)水的收集和排出。利用微細(xì)精密加工技術(shù)加工高分子材料(如有機(jī)玻璃、塑料等)制成電池支撐極 板和導(dǎo)流極板，形成了新穎的封裝和進(jìn)液方式，節(jié)省了電池組的體積，有利于批量加工和電 池的連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、有效降低電池內(nèi)阻、工藝流程簡(jiǎn)單、制造成本低、確保成品率、 占用空間小，節(jié)省體積。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明的陰極極板電極接觸面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的陰極極板空氣接觸面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的陰極極板結(jié)構(gòu)之反面示意圖；圖5為本發(fā)明的陰極極板結(jié)構(gòu)之正面輻條數(shù)為1的示意圖；圖6為本發(fā)明的陰極極板結(jié)構(gòu)之正面輻條數(shù)為2的示意圖；圖7為本發(fā)明的陰極極板結(jié)構(gòu)之正面輻條數(shù)為4的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 結(jié)合圖1-圖3，本發(fā)明一種輪輻式自呼吸微型燃料電池，它是由陽極端 板(1)、陽極極板(2)、膠墊(3)、膜電極(4)、陰極極板(5)和陰極端板(6)組成的，陽極端 板⑴連接陽極極板(2)，陽極極板(2)連接膠墊(3)，膠墊(3)分別連接膜電極⑷和陰 極極板(5)，陰極極板(5)連接陰極端板(6)。所述的陰極極板(5)包括氣體直孔通道(7)和輪輻溝道(8)，氣體直孔通道(7)連 接輪輻溝道(8)。本發(fā)明一種輪輻式自呼吸微型燃料電池的制備方法，工藝流程如下清洗硅片； 利用低壓化學(xué)氣相淀積法在硅片表面制備作為腐蝕掩模的氮化硅Si3N4薄膜；利用光刻技 術(shù)在薄膜上形成掩模圖形，以實(shí)現(xiàn)選擇腐蝕的目的；采用40%的KOH溶液對(duì)硅片進(jìn)行各向 異性腐蝕；利用反應(yīng)離子刻蝕法去除硅片表面殘留Si3N4薄膜；采用激光加工技術(shù)在硅片表 面形成側(cè)壁陡直的進(jìn)出口通道；利用磁控濺射技術(shù)在硅片腐蝕面形成Ti/Au的金屬層，用 以收集和傳導(dǎo)電流；這樣電池硅基陰陽極極板加工完成；如極板材料是金屬，則采用沖壓 不銹鋼的方法制作陰極極板和陽極極板；根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要可以選擇不同的輻條寬度和 溝道深度，輻條數(shù)目為1條或2條或多條，每一排輻條溝道的尺寸是均勻或是漸變的；陽極 極板安裝在導(dǎo)流有機(jī)玻璃上，利用微機(jī)械加工的方法在此導(dǎo)流有機(jī)玻璃制作成導(dǎo)流通道和 有選擇性開口的進(jìn)液口，封裝所用的陰極端板和陽極端板，利用微細(xì)精密加工技術(shù)加工高 分子材料制成，將電池各部分組件固定好，保證電池不會(huì)漏液及陰，陽極連接的緊密性。
實(shí)施例2 結(jié)合圖1-圖3，本發(fā)明 包括雙極板(陽極極板、陰極極板)、膜電極及絕 緣材料和夾具，雙極板上兩側(cè)分別含有與膜電極相對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)，其中陰極極板采用“輪輻” 式進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，利用夾具將雙極板，絕緣材料和膜電極夾在一起，就可作為一個(gè)完整的發(fā)電單 元。本發(fā)明利用微細(xì)精密加工技術(shù)制作出燃料電池極板結(jié)構(gòu)，利用微細(xì)精密加工技術(shù)加工 高分子材料(如有機(jī)玻璃，塑料等)，可完成夾具的制作。此種結(jié)構(gòu)的燃料電池使用富氫物 質(zhì)(如氫氣，甲醇)作為燃料，氧氣由大氣直接供給，電池陰極采用輪輻式進(jìn)氣結(jié)構(gòu)。先利 用精密加工技術(shù)進(jìn)行打孔，再在與擴(kuò)散層接觸的極板表面上加工出輻條狀的溝道，根據(jù)不 同的極板材料(如金屬，硅，聚合物)選擇不同的精細(xì)加工技術(shù)。本發(fā)明的極板材料為硅。
權(quán)利要求
一種輪輻式自呼吸微型燃料電池，它是由陽極端板(1)、陽極極板(2)、膠墊(3)、膜電極(4)、陰極極板(5)和陰極端板(6)組成的，其特征在于陽極端板(1)連接陽極極板(2)，陽極極板(2)連接膠墊(3)，膠墊(3)分別連接膜電極(4)和陰極極板(5)，陰極極板(5)連接陰極端板(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪輻式自呼吸微型燃料電池，其特征在于所述的陰極 極板(5)包括氣體直孔通道(7)和輪輻溝道(8)，氣體直孔通道(7)連接輪輻溝道(8)。
3.一種輪輻式自呼吸微型燃料電池的制備方法，其特征在于工藝流程如下清洗硅 片；利用低壓化學(xué)氣相淀積法在硅片表面制備作為腐蝕掩模的氮化硅Si3N4薄膜；利用光刻 技術(shù)在薄膜上形成掩模圖形，以實(shí)現(xiàn)選擇腐蝕的目的；采用40%的KOH溶液對(duì)硅片進(jìn)行各 向異性腐蝕；利用反應(yīng)離子刻蝕法去除硅片表面殘留Si3N4薄膜；采用激光加工技術(shù)在硅片 表面形成側(cè)壁陡直的進(jìn)出口通道；利用磁控濺射技術(shù)在硅片腐蝕面形成Ti/Au的金屬層， 用以收集和傳導(dǎo)電流；這樣電池硅基陰陽極極板加工完成；如極板材料是金屬，則采用沖 壓不銹鋼的方法制作陰極極板和陽極極板；根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要可以選擇不同的輻條寬度 和溝道深度，輻條數(shù)目為1條或2條或多條，每一排輻條溝道的尺寸是均勻或是漸變的；陽 極極板安裝在導(dǎo)流有機(jī)玻璃上，利用微機(jī)械加工的方法在此導(dǎo)流有機(jī)玻璃制作成導(dǎo)流通道 和有選擇性開口的進(jìn)液口，封裝所用的陰極端板和陽極端板，利用微細(xì)精密加工技術(shù)加工 高分子材料制成，將電池各部分組件固定好，保證電池不會(huì)漏液及陰，陽極連接的緊密性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用微細(xì)精密加工技術(shù)的輪輻式自呼吸微型燃料電池及其制備方法。它是由陽極端板、陽極極板、膠墊、膜電極、陰極極板和陰極端板組成的，陽極端板連接陽極極板，陽極極板連接膠墊，膠墊分別連接膜電極和陰極極板，陰極極板連接陰極端板。制備方法是利用低壓化學(xué)氣相淀積法在硅片表面制備作為腐蝕掩模的氮化硅Si3N4薄膜；利用光刻技術(shù)在薄膜上形成掩模圖形，利用磁控濺射技術(shù)在硅片腐蝕面形成Ti/Au的金屬層，利用微細(xì)精密加工技術(shù)加工高分子材料制成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、有效降低電池內(nèi)阻、工藝流程簡(jiǎn)單、制造成本低、確保成品率、占用空間小，節(jié)省體積。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101867052SQ20101019971
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者何洪, 劉曉為, 張博, 張宇峰, 樊琪, 王詩(shī)博 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)