專利名稱：微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微燃料電池技術(shù)，特別是一種微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro ElectroMechanical System以下簡稱MEMS)用微燃料電池及其制作方法。
背景技術(shù)：
1839年，格羅夫(W.R.Grove)發(fā)表了全世界第一篇有關(guān)燃料電池研究的報(bào)告。他研制的單電池用鍍制的鉑作電極，以氫為燃料，氧為氧化劑。他指出，強(qiáng)化在氣體、電解液與電極三者之間的相互作用是提高電池性能的關(guān)鍵。經(jīng)過近兩百年的發(fā)展，燃料電池已開發(fā)了許多品種，但對微型燃料電池的研究還是近幾年的事情，目前正在成為熱點(diǎn)研究方向之一。
有多家美國機(jī)構(gòu)正在研究微型燃料電池，用于軍事，并且有報(bào)導(dǎo)在MEMS微型飛行器上使用。這種電池工作處于被動模式、無溫度、濕度、壓力和流量控制。1998年美國專利US5,759,712公布了一種采用新型復(fù)合電極材料制作的表面復(fù)制直接乙醇微燃料電池系統(tǒng)，它采用多孔塑料膜為燃料電池基底材料，可以與微充電池集成。2001年美國專利US6,326,097公開了一種給手機(jī)用的微燃料電池陣列，采用的是一種最基本的串聯(lián)電路方式，其尺寸較大，不適合作MEMS微能源。2001年韓國Ajou大學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室學(xué)者Woo Young Sim等人研究了一種MEMS呼吸系統(tǒng)醫(yī)療用的直接甲醇微燃料電池，尺寸16mm×16mm×1.2mm，在25℃使用時輸出電壓為100mV。由于其采用Cr/Au為催化劑，與PEM部分接觸，使微燃料電池性能降低。2002年加拿大Stanford大學(xué)快速成型實(shí)驗(yàn)室S.J.Lee等人設(shè)計(jì)和制造了一種“Flip-Flop”內(nèi)聯(lián)式的微燃料電池陣列，可以串聯(lián)多個微燃料電池，采用氫氣為燃料，輸出電壓為3V以上，對于4個串聯(lián)微燃料電池陣列能量密度為40mW/cm2。在中國專利申請00123627.X中公開了一種含有多個膜電極的以氫氣為燃料的微型燃料電池，但其尺寸較大，為77mm×34mm×8mm，不適合MEMS微能源。在MEMS微燃料電池方面的研究至今還未見報(bào)導(dǎo)?，F(xiàn)有技術(shù)的不足處是電池的尺寸較大、能量密度不高，壽命較短。隨著科技的不斷發(fā)展，迫切要求MEMS電池微型化、高能量密度和具有持續(xù)充電功能。開展對MEMS微燃料電池的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用方面的研究，填補(bǔ)這方面的空白，將有助于我國在MEMS和微能源方面的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)用微燃料電池及其制作方法，以解決現(xiàn)有微燃料電池的尺寸較大、能量密度較低，壽命較短的問題，并可作為MEMS中供電、持續(xù)充電的微能源使用。
本發(fā)明的目的是按如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明MEMS用微燃料電池的特征是它包括外膜、燃料輸送口、空氣輸送口、質(zhì)子交換膜、陰極多孔催化劑薄膜、陽極多孔催化劑薄膜，在所述的質(zhì)子交換膜的一個表面上覆有所述的陽極多孔催化劑薄膜，形成陽極；在其另一個表面上覆有所述的陰極多孔催化劑薄膜，形成陰極；在所述的二多孔催化劑薄膜的外表面各覆有一帶有燃料輸送口的外膜，和一帶有空氣輸送口的外膜，在所述二外膜內(nèi)表面上布滿微通道陣列及電流收集電路；在所述的微通道陣列中，各微通道之間為“頭尾相聯(lián)”的，以形成所述的微通道陣列，所述的微通道陣列的首端和末端分別與所述的二燃料輸送口相連；另一微通道陣列的首端和末端分別與所述的二空氣輸送口相連。
所述二外膜為硅基片；所述的微通道的寬為10～250微米、深為50-300微米；
所述的微燃料電池的工作面積為2-3cm2。
本發(fā)明還提供一種MEMS用微燃料電池的制作方法，其特征是它包括以下步驟1)燃料輸送口和空氣輸送口的制備1-1、選擇兩片單晶硅片作為外膜；1-2、熱氧化，在外膜的表面上生成SiO2犧牲層；1-3、通過光刻、腐蝕，在外膜上分別制出燃料輸送口和空氣輸送口；2)電流收集電路的制備2-1對制備了輸送口的外膜，在其一個SiO2犧牲層上，磁控濺射鍍金層；2-2通過光刻、腐蝕進(jìn)行電路布線；3)燃料和空氣輸送微通道的制備3-1對進(jìn)行了電路布線設(shè)計(jì)的二外膜，進(jìn)行選擇性的腐蝕，分別在其上制備出燃料微通道和空氣的微通道；3-2為了隔離硅基底，在上述腐蝕過程完成后，通過熱氧化，制備生成SiO2隔離層；4)電極的制備在質(zhì)子交換膜的二表面上，濺射薄層電極，所述薄層電極為多孔電極催化劑薄膜，其材料為CrAu/C、或Pt/C或PtRu/C；5)封裝把鍍有多孔電極催化劑薄膜的質(zhì)子交換膜與外膜熱壓封裝，制成微燃料電池；把多個微燃料電池并或串聯(lián)，制備出微燃料電池堆。
本發(fā)明由一個質(zhì)子交換膜和兩個布滿微通道陣列及電流收集電路的外膜構(gòu)成，采用二硅片作為外膜。為了減小和減薄制品的尺寸，增大其能量密度和延長其使用時間，采用濺射、化學(xué)等精密加工方法來加工，采用空氣中的氧氣以延長其使用時間，利用微通道的毛細(xì)作用輸送燃料、空氣。在已完成電路布線的硅片上，進(jìn)行選擇性的腐蝕，以制作微通道；因此，燃料與空氣的微通道可達(dá)到微型化，例如微通道可達(dá)10～250微米寬和50～300微米深，并可在很小的硅片的面積上布成多個微通道；微通道采用首尾相連的，以保證燃料和空氣的順利輸送以及在微通道中的均勻分布。為了減薄制品的厚度，在質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane以下簡稱PEM)上采用濺射鍍金，在其他的工藝用層中，也采用化學(xué)方法制作。使制品的尺寸可達(dá)15mm×15mm×1.35mm。把多個制品并或串聯(lián)，可制備出電池堆，以增大其輸出功率或延長其使用壽命。
綜上所述，本發(fā)明微電池具有尺寸較小、能量密度較高，壽命較長的優(yōu)點(diǎn)，并可作為MEMS中持續(xù)充電的微能源使用。本發(fā)明適于用在MEMS中，如驅(qū)動微傳感器、微傳動機(jī)構(gòu)上作為微能源，還可與微鋰電池組裝后用作MEMS微能源。也可作為手機(jī)、筆記本電腦等供電的小型便攜式電源。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為燃料和空氣進(jìn)出口的制備示意圖，圖3為圖2中的A-A剖面圖，圖4為電流收集電路制備示意圖，圖5為圖4中的B-B剖面圖，圖6為空氣通道制備工藝示意圖，圖7為多孔電極催化劑薄膜制備工藝示意圖，圖8為電池的封裝示意圖，圖9為圖8中C-C剖面圖。
圖中代號1 陽極多孔催化劑薄膜2 微通道陣列 2A 電流收集電路3 陰極多孔催化劑薄膜4 外膜 5 質(zhì)子交換膜(PEM)
6 外膜7 燃料輸送口8 空氣輸送口9 犧牲層 11 鍍金層 12 隔離層實(shí)施例本實(shí)施例以微質(zhì)子交換膜燃料電池(Micro Proton Exchange Fuel Cell，以下簡稱μPEMFC)為例加以說明如圖1、9，μPEMFC包括外膜4、6、燃料輸送口7、空氣輸送口8、質(zhì)子交換膜5、陰極多孔催化劑薄膜3、陽極多孔催化劑薄膜1，在質(zhì)子交換膜5的一個表面上覆有陽極多孔催化劑薄膜1，形成陽極；在其另一個表面上覆有陰極多孔催化劑薄膜3，形成陰極；在二多孔催化劑薄膜1、3的外表面各覆有一帶有燃料輸送口7的外膜4，和一帶有空氣輸送口8的外膜6，所述二外膜4、6為二個硅基片。
如圖4、6，所述二外膜4、6為在內(nèi)表面上布滿微通道陣列2及電流收集電路2A的二個硅基片；本實(shí)施例所采用的微通道的寬為50微米、深為80微米；在所述的微通道陣列2中，各微通道之間為“頭尾相聯(lián)”的，以形成所述的微通道陣列2，所述的微通道陣列2的首端和末端分別與所述的二燃料輸送口7相連；另一微通道陣列2位于外膜6上，其首端和末端分別與所述的二空氣輸送口8相連，參照圖9。
所述的微燃料電池的工作面積為1.5×1.5cm2，厚度為2.7mm。
該μPEMFC的制作方法包括以下步驟1)燃料和空氣輸送口7、8的制備，如圖2、3，以外膜4為例說明(外膜6的制作方法與其相同)1-1、選擇兩片15mm×15mm×1.35mm尺寸的<100>單晶硅片作為外膜4、6；1-2、熱氧化，在外膜4的表面上生成0.7微米厚的SiO2犧牲層9；1-3、如圖3，通過光刻、腐蝕，在外膜4上制出二燃料輸送口7；2)電流收集電路2A的制備，如圖4、5，
2-1 對制備了輸送口7的外膜4，在其熱氧化生成的SiO2層9上，磁控濺射鍍金層11；2-2 通過光刻、腐蝕進(jìn)行電流收集電路2A的布線；3)燃料和空氣輸送微通道2的制備，如圖63-1 對完成了電流收集電路2A布線的外膜4，進(jìn)行選擇性的腐蝕，制備出燃料與空氣的微通道陣列2；3-2 為了隔離硅基底，在上述腐蝕過程完成后，通過熱氧化制備生成1.5微米厚的SiO2隔離層12；4)電極的制備陰極多孔催化劑薄膜如圖7，在質(zhì)子交換膜5的二表面上，分別磁控濺射陽極多孔催化劑薄膜1、陰極多孔催化劑薄膜3，形成陽極及陰極，所述多孔電極催化劑薄膜1、3的材料選為CrAu/C；5)封裝如圖8、9，把鍍有陽極多孔催化劑薄膜1、陰極多孔催化劑薄膜3的質(zhì)子交換膜5與外膜4、6進(jìn)行熱壓封裝，制成μPEMFC。把多個μPEMFC并聯(lián)，制成μPEMFC電池堆，并可與微型鋰電池組合(未示出)工作。
當(dāng)本燃料電池工作時，如圖8、9，燃料甲醇從燃料輸送口7的入口進(jìn)入，從燃料輸送口7的出口排出；另一側(cè)的空氣從空氣輸送口8的入口進(jìn)入，從空氣輸送口8的出口排出。從燃料輸送口7的入口進(jìn)入的燃料，在經(jīng)微通道2時，擴(kuò)散并被陽極催化劑薄膜1吸附并發(fā)生電催化反應(yīng)；在陽極反應(yīng)生成的電子，從固體電解質(zhì)質(zhì)子交換膜5內(nèi)傳遞到對側(cè)，電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生電流。
權(quán)利要求
1.一種微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池，其特征是它包括外膜(4、6)、燃料輸送口(7)、空氣輸送口(8)、質(zhì)子交換膜(5)、陰極多孔催化劑薄膜(3)、陽極多孔催化劑薄膜(1)，在所述的質(zhì)子交換膜(5)的一個表面上覆有所述的陽極多孔催化劑薄膜(1)，形成陽極；在其另一個表面上覆有所述的陰極多孔催化劑薄膜(3)，形成陰極；在所述的二多孔催化劑薄膜(1、3)的外表面各覆有一帶有燃料輸送口(7)的外膜4)，和一帶有空氣輸送口(8)的外膜(6)，在所述二外膜(4、6)的內(nèi)表面上布滿微通道陣列(2)及電流收集電路(2A)；在所述的微通道陣列(2)中，各微通道之間為“頭尾相聯(lián)”的，以形成所述的微通道陣列，所述的微通道陣列(2)的首端和末端分別與所述的二燃料輸送口(7)相連；另一微通道陣列(2)的首端和末端分別與所述的二空氣輸送口(8)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池，其特征是所述二外膜(4、6)為二個硅基片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池，其特征是所述的微通道的寬為10～250微米、深為50-300微米
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池，其特征是所述的微燃料電池的工作面積為2-3cm2。
5.一種微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池的制作方法，其特征是它包括以下步驟1)燃料輸送口和空氣輸送口的制備1-1、選擇兩片單晶硅為外膜(4、6)的材料；1-2、熱氧化，在外膜(4、6)的二表面上生成SiO2犧牲層(9)；1-3、通過光刻、腐蝕，在外膜(4、6)上分別制出燃料輸送口(7)和空氣輸送口(8)；2)電流收集電路2A的制備2-1對制備了輸送口的外膜(4、6)，在其熱氧化生成的SiO2層(9)上，磁控濺射鍍金層(11)；2-2通過光刻、腐蝕進(jìn)行電流收集電路(2A)的布線；3)燃料和空氣輸送微通道的制備3-1對進(jìn)行了電流收集電路(2A)布線的外膜(4、6)進(jìn)行選擇性的腐蝕，制備燃料與空氣的微通道(2)；3-2在上述腐蝕過程完成后，通過熱氧化制備SiO2隔離層(12)；4)電極的制備在質(zhì)子交換膜(5)的二表面上，用濺射法鍍以多孔電極催化劑薄膜(1、3)；5)封裝把鍍有多孔電極催化劑薄膜(1、3)的質(zhì)子交換膜(5)與外膜(4、6)進(jìn)行熱壓封裝，制成微燃料電池；把多個微燃料電池并或串聯(lián)，制備出微燃料電池堆。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池的制作方法，其特征是在步驟1)中，所述的外膜(4、6)為15mm×15mm×1.35mm尺寸的<100>單晶硅；所述的SiO2犧牲層(9)的厚度為0.5-2微米；
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池的制作方法，其特征是在步驟3)中，所述的SiO2隔離層(12)的厚度為1-2微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池的制作方法，其特征是在步驟4)中，所述的多孔薄膜催化劑薄膜(1、3)的材料為CrAu/C、或Pt/C或PtRu/C。
全文摘要
一種微電子機(jī)械系統(tǒng)用微燃料電池，其特征是它包括外膜(4、6)、燃料輸送口(7)、空氣輸送口(8)、質(zhì)子交換膜(5)、陰極多孔催化劑薄膜(3)、陽極多孔催化劑薄膜(1)，在所述的質(zhì)子交換膜(5)的一個表面上覆有所述的陽極多孔催化劑薄膜(1)，形成陽極；在其另一個表面上覆有所述的陰極多孔催化劑薄膜(3)，形成陰極；在所述的二多孔催化劑薄膜(1、3)的外表面各覆有一帶有燃料輸送口(7)的外膜(4)，和一帶有空氣輸送口(8)的外膜(6)；本發(fā)明電池具有尺寸較小、能量密度較高，壽命較長的優(yōu)點(diǎn)，并可作為電子機(jī)械系統(tǒng)中持續(xù)充電的微能源使用?？膳c微鋰電池組裝后，用作電子機(jī)械系統(tǒng)微能源。也可作為手機(jī)、筆記本電腦等供電的小型便攜式電源。
文檔編號H01M8/04GK1599114SQ0316000
公開日2005年3月23日 申請日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者徐智謀, 李雄, 吳昊, 何少偉, 王雙保, 易新建, 劉勝, 連崑 申請人:華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院