[发明专利]燃料电池的MEMS制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)的制造方法，特别是涉及一种改进的燃料电池的MEMS制造方法。

背景技术

世界经济的发展对能源的需求日益增加。目前，世界能源结构的主体仍然是化石燃料。石油等化石燃料不可再生，同时对环境污染严重。人类需要开发新的、清洁环保的能源来代替化石燃料，从而满足世界经济增长和人类发展的要求。

在众多新兴能源中，燃料电池被广泛看好。燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效连续发电装置。与一般电化电池不同的是，燃料电池反应物不储存在电池内，使用时分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂而不需要充电。燃料电池的基本原理是原电池反应而不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，理论效率可达90.5％。实际使用效率是普通内燃机效率的2-3倍。因为没有燃烧过程，燃料电池唯一的副产物就是水，而燃料电池产生的水是非常干净的，因此清洁有利于环境保护。氢是最轻的物质，而氧直接从空气中获得，因此在各种化学电源中，燃料电池是迄今为止理论能量密度最高的，其单位重量输出电能高。此外，燃料电池的设备轻巧、不发噪音、可连续运行。

燃料电池的基本结构如图1所示，以质子交换薄膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC))为代表。其基本结构为三明治结构，包括阳极和阴极的两个极板之间夹着材质为电解质的膜电极。工作时，例如为氢气的燃料气和例如为氧气或空气的氧化气通过导气管分别到达阳极和阴极，进入电极上的扩散层到达质子交换膜3。在膜的阳极侧，氢气在催化剂的作用下解离为氢离子和电子，氢离子以水合质子(H₂O)的形式，在质子交换膜中从一个磺酸基(-SO₃H)转移到另一个磺酸基，最后到达阴极，实现质子导电。质子的这种转移导致阳极出现带负电的电子积累，从而成为负极。与此同时，阴极的氧分子与催化剂激发产生的电子发生反应，变成氧离子，使得阴极成为正极。其结果就是在阳极的带负电终端和阴极的带正电终端之间产生一个电压。如果此时通过外部电路将两极相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电能。

传统PEMFC极板采用机械加工或热压成型的方法制备，一般采用金属、石墨或石墨/聚合物复合材料，都有重量/体积大的缺点，不利于提高电池的重量比功率和体积比功率。因此只靠传统方法和技术已不能满足PEMFC微型化的需求，目前基于MEMS燃料电池制造成为研究热点。与传统的制造工艺相比较，MEMS有利于燃料电池的精密性、重复性和大规模生产的要求(类似工C制造)，从而使得MEMS成为最被看好的燃料电池制造方法。