[发明专利]平板式微型直接醇类燃料电池组及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属微能源和微机电技术领域，特别是涉及一种平板式微型直接醇类燃料电池组及其制作方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种将燃料(如甲醇、甲酸、氢气等)与氧气反应的化学能直接转化为电能的装置，与其它化学电源相比，微型燃料电池具有能量转化效率高、能量密度高、对环境污染小等特点，因而在便携式数码产品(如笔记本电脑、iPod、PDA)，无线通讯网络(如手机、GPS、无线传感网)、微型传感系统(如MEMS器件、BioMEMS、μTAS)等领域具有非常广阔的应用前景。在微型化方案的选择上，目前，国际公认的是微机电系统技术，即MEMS技术。这是因为，该技术不但具有加工尺寸的微小性、高的分辨率(<1μm)高度重复性和加工的方便灵活性等优点，而且可以实现传统机械制造技术不能加工或很难加工的新的流场结构，有利于取得创新性的结果，使微型燃料电池(组)的性能有可能超过常规燃料电池。

目前微型燃料电池单体的性能还远不能满足实际电子产品的需求。以直接甲醇燃料电池为例，其单体电池的工作电压一般在0.3~0.4V，最大输出功率密度约在15~35mW/cm²，因此要满足大多数电子产品的工作需求，必须通过串联和/或并联的方式将多个单电池组合以提高输出电压和输出功率。

目前微型燃料电池组串联的文献报道很少。专利(200710062899.X)介绍了一种堆叠式硅基微型燃料电池组及制作方式，具有体积小、电池串并联方便等优点，但由于采用堆叠式结构，阴/阳极流场燃料必须通过主动进样方式，而且不能采用空气“自呼吸”结构，不利于微能源储能密度的提高。

平板式燃料电池组能够满足阴极空气“自呼吸”的结构要求，如中科院上海微系统所张熙贵等采用MEMS技术制作并组装了空气“自呼吸”的单体氢-空气燃料电池，然后将种单电池平板摆放串联形成电池阵列，能够实现空气“自呼吸”燃料电池组的串联，并获得了良好的结果。但该电池组先完成单体电池制作，然后将电池串联，因此该电池组的整个制作和封装工艺复杂，结构封装体积比较大。因此，平板式燃料电池组的关键问题在简化制备工艺、降低结构封装体积、提高电池组串联效率，并且能够确保封装的可靠性和稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种解决上述燃料电池单电池输出电压低、输出功率小等问题，提出了一种平板式微型燃料电池组，该电池组的单个电极板集成了多个微流场单元，有利于多个电池的直接串/并联，并能够实现阴极空气“自呼吸”结构要求，提高微型燃料电池组的集成度。本发明提供了一种制备工艺简单、结构封装体积小、电池组串联效率高的平板式微型燃料电池组的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种平板式微型直接醇类燃料电池组，包括平板微型电池，所述的平板式微型燃料电池组采用一体化阴极流场板或阳极流场板，所述的一体化阴极流场板或阳极流场板是指采用MEMS技术在硅片材料上按照一定排列方式集成制备至少2个数量和大小可按照实际需要在一定范围内调节，通常在2～10个，单体电池流场，并且每个单电池流场表面具有独立的导电层图形，该导电层互相隔离，并具有确定的图形和焊接位点便于电池组的串联连接。

所述的平板式微型燃料电池组采用MEMS技术在硅片双面光刻腐蚀制作对应流场阵列微结构，表面通过金属淀积、刻蚀技术制作图形化的导电图层，实现在平板上集成至少2个流场微结构和微电极；与对应的MEA对准组装，焊接各电池的微电极的正负极，实现平板上微型燃料电池的串联组装。

所述的阴极流场采用主动模式下的微流道结构，包括微孔、蛇形、并行、点状、zigzag、插指或它们的组合结构，或者被动模式下的空气“自呼吸”结构，包括微孔式、点状双层复合结构。

所述的阳极流场采用主动模式下的的微流道结构，包括微孔、蛇形、并行、点状、zigzag插指或它们的组合结构，或者被动模式的下的微孔式、点状双层复合结构。

所述的导电层采用金属蒸发、溅射或电镀技术制作，所述金属材料为Ti/Pt/Au、Ti/Au或Cr/Au材料。

一种平板式微型直接醇类燃料电池组的制作方法，包括下列步骤：

(1)一体化流场板的加工制作：选择优质的硅片作为芯片的基片，在硅片正面刻蚀流场微结构，用于燃料或氧气的传输；反面刻蚀微孔结构，用于燃料和空气的进出；并且表面制作热氧化层作为电绝缘层；