[发明专利]集成温度控制系统的微型直接甲醇燃料电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微能源技术领域，特别涉及集成温度控制系统的微型直接甲醇燃料电池及其制作方法。

背景技术

燃料电池是将燃料(如甲醇、氢气等)的化学能直接转化成电能的装置。随着便携式电子产品的迅猛发展及其产品功能的增强，随着无线传感网络布局的复杂性增强，以及面向片上系统(SOC)的微纳系统对可集成微能源的需求，环保、高效的微型燃料电池的研究与开发正在成为世界范围内关注的热点。各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其能量密度高(理论能量密度为锂离子电池的10倍以上)、可低温工作、环保等特点而具有优势。其中以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)成为微型能源的最佳候选者，因为它除了质子交换膜燃料电池的特点外，液体燃料储存与输运方便的特点更为重要。利用成熟的微机电系统(MEMS)技术制作的微型硅基燃料电池具有精度高，重复性好，可以等比例缩放，批量生产成本低等的优点，并有望同其他微机电系统(MEMS)器件和电路集成，促进自供给、低成本、高性能的微型系统的实现。

然而，微型直接甲醇燃料电池在低温下并不具备最佳的性能，并且当温度低于0℃时，由于液体燃料被冰冻成固态而停止工作。即使温度回升使得燃料电池重新工作，燃料液态与固态之间的转变导致的体积变化对膜电极(MEA)结构造成损害，从而使得性能下降。这给微型直接甲醇燃料电池在便携式电子产品中的应用带来了很大的问题，因为这些电子产品可能要在低温环境中使用，比如冬季时节、极地地区。另外，过高的温度会导致质子交换膜(PEM)脱水甚至磺酸根分解，质子交换膜仅能在一个相对狭窄的温度范围内工作。所以对于微型直接甲醇燃料电池来说，保持一个合适的工作温度是十分必要的，尤其是在一些极端的环境中。本发明将温度控制系统，包括一个微型加热器和一个微型温度传感器，集成在微型直接甲醇燃料电池中，实现对工作温度的控制。Suhao He等人报道了一种使用金薄膜做温度传感器探测工作温度的质子交换膜燃料电池。但集成有完整的温度控制系统的燃料电池目前还没有文章报道。

发明内容

本发明的目的是提供集成温度控制系统的微型直接甲醇燃料电池及其制作方法。

集成温度控制系统的微型直接甲醇燃料电池，电池内部为三明治结构，包括阴极极板、阳极极板和位于两极板之间的膜电极，阴极极板和阳极极板靠近膜电极的一侧为正面，另一侧为背面，正面为微型沟道用来传输燃料；燃料电池外部为电池载具和阳极上盖组成的电池外围封装夹具，其特征在于，将温度控制系统集成到微型直接甲醇燃料电池内部，温度控制系统由微型加热器和微型温度传感器组成；微型加热器集成在阴极极板背面，微型温度传感器集成在阳极极板背面，或者，微型加热器集成在阳极极板背面，微型温度传感器集成在阴极极板背面，微型加热器和微型温度传感器均采用金属制作，所述金属为Pt、Cu或Au；夹具材料采用聚甲基丙烯酸甲酯。

集成温度控制系统的微型直接甲醇燃料电池的制作方法，其特征在于，将微型加热器与微型温度传感器利用微机电系统工艺集成到微型直接甲醇燃料电池内部，在阳极极板上集成微型温度传感器，在阴极极板上集成微型加热器，或者，在阳极极板上集成微型加热器，在阴极极板上集成微型温度传感器，该方法步骤如下，

(1)阴极极板和阳极极板的制作采用相同的工艺，均通过下面八个步骤制作：

(a)在<100>晶向的双抛硅片上两面热氧化生长0.05～0.2μm的二氧化硅，作为应力缓冲层，再通过气相沉积法，在压力为20～40Pa下淀积0.1～0.3μm的氮化硅作为体硅腐蚀掩蔽层；

(b)应用双面光刻技术，在硅片的一面，采用正胶暗场的光刻板，光刻出燃料进出口和沟道区，此面为靠近膜电极的一侧，为正面，然后在硅片背面，采用正胶暗场的光刻板，做出与正面对应的进出口图形，然后用反应离子刻蚀去除光刻暴露的氮化硅，并用质量分数为30～40％的氢氟酸按体积比氢氟酸:水＝1:(50～200)配制的氢氟酸的水溶液去除光刻暴露的二氧化硅；

(c)用质量分数为30～40％的KOH水溶液体硅腐蚀硅片两侧，当腐蚀面相遇，形成穿通的进出口后及时停止，使用质量分数为30～40％的氢氟酸，50～100℃水浴加热，去除氮化硅和二氧化硅掩蔽层；

(d)硅片两面热氧化生长0.05～0.2μm的二氧化硅，作为微型加热器或微型温度传感器与硅片的绝缘层；

(e)在硅片背面，采用正胶暗场的光刻板，做出微型加热器或微型温度传感器图形；