專利名稱：用于微型燃料電池的復合雙極板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型燃料的雙極板，尤其涉及一種用于微型燃料電池的復合雙極板及其制備方法。
背景技術(shù)：
微型燃料電池(Micro Fuel Cell，μFC)以其能量轉(zhuǎn)化效率高、比能量高、環(huán)保、啟動迅速、重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，已經(jīng)成為當前微型電池和微能源的最佳選擇。在各類便攜式電子產(chǎn)品和MEMS系統(tǒng)中有著極其廣闊的應用前景。雙極板(集流板、流場板，BipolarPlates，BPPs)是微型燃料電池的關(guān)鍵部件之一，它對微型燃料電池的性能、體積、壽命、成本、微型化和輕量化起著極為重要的作用。
目前，微型燃料電池用雙極板面臨的最大挑戰(zhàn)是低成本、微型化和高性能?，F(xiàn)有的微型燃料電池雙極板的流場一般由一系列按照一定規(guī)律排列的微溝道組成，微溝道的特征尺寸已經(jīng)達到亞微米至幾十微米數(shù)量級，處于微細加工的范圍內(nèi)，常規(guī)雙極板的制備方法(模壓成型、沖壓成型、注射成型、擠出-注射成型、預制體成型、“Slurry Moulding”和機械加工等)已經(jīng)無法滿足微型燃料電池雙極板制作工藝要求。目前制作微型燃料電池的雙極板主要采用微銑削加工、MEMS、激光微加工等微細加工工藝。微銑削和激光微加工技術(shù)都是傳統(tǒng)加工技術(shù)的微型化，能加工出精度在幾十微米的微結(jié)構(gòu)。但它的加工效率較低，生產(chǎn)成本高，而且難以實現(xiàn)變截面溝道的加工，隨著微溝道特征尺寸進入亞微米級，其制作成本越來越高，效率越來越低，無法滿足產(chǎn)業(yè)化的要求。近年來采用MEMS硅微工藝制備微型燃料電池的雙極板已經(jīng)逐漸成為共識。Yamazaki、Yao、Motokawa、Liu和Xiao等人分別開展了采用MEMS工藝(光刻、濕法刻蝕、等離子體刻蝕、LPCVD、濺射、體/表面微加工等)制備硅基微型燃料電池的研究，并且已經(jīng)被證實是一種行之有效的制備方法。因此，目前微型燃料電池的雙極板主要是以硅基為主，其制備采用MEMS工藝。硅基雙極板的MEMS制備方法具有下列優(yōu)點1)與IC工藝的良好兼容性；2)有效減小微型燃料電池的特征尺寸；3)改善了電池性能，提高體積比功率；4)適合批量制作等。但硅基雙極板微型燃料電池存在以下問題一是生產(chǎn)制作成本高；二是無法實現(xiàn)真三維微溝道的制備(國內(nèi)外有關(guān)雙極板流場的研究已經(jīng)證實，與現(xiàn)有的矩形、梯形或三角形截面溝道相比，曲線型截面溝道的雙極板有著更好的性能，曲線型截面溝道是一種真三維微結(jié)構(gòu))；三是高接觸電阻(目前是一個尚未很好解決的國際技術(shù)難題)。這限制了微型燃料電池性能的提高，制約了微型燃料電池產(chǎn)業(yè)化的進程。
因此，有必要探索新的適合于微型燃料電池低雙極板及其制備的技術(shù)。與硅基微型燃料電池的雙極板相比，以聚合物為基體的微型燃料電池復合雙極板具有更良好的性能1)容易制備；2)良好的粘附性；3)減小質(zhì)子交換膜和電極的阻力；4)無需對硅襯底進行刻蝕，簡化了工藝；5)生產(chǎn)制作成本低；6)相對于硅基，聚合物基體硬度較小，具有一定的柔塑性，能夠與膜電極組緊密接觸，因此，降低它的接觸電阻，為克服硅基雙極板高接觸電阻國際技術(shù)難題提供一種新的研究思路。
雙極板在流場結(jié)構(gòu)形式(如平行溝槽流場、蛇行流場、叉指狀流場、點狀流場、網(wǎng)狀流場、波紋板流場、多孔體流場等)確定的情況下，其溝道(流道)的截面形狀和特征尺寸對于微型燃料電池的性能有著重要的影響。雙極板溝道的典型截面形狀有矩形、梯形、三角形、U型、半圓形、變截面型和曲線型等。流場溝道有三個特征尺寸即溝道寬度、溝脊寬度和溝道深度。國內(nèi)外有關(guān)雙極板流場的研究已經(jīng)證實與現(xiàn)有的矩形、梯形或三角形溝道截面形狀相比，曲線型截面溝道(特別是變截面)雙極板有著更好的性能1)在相同過流斷面的情況下，曲線型截面溝道的流動阻力比矩形截面溝道的流動阻力小，壓降??；2)電池反應生成的水在表面張力和摩擦力的作用下，容易在溝道底部的交角處形成水珠滯留，曲線型截面溝道底部光滑無交角，有利于水珠的及時排出，減少“淹沒”現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高電池的性能；3)在相同開孔率的情況下，電流流通截面面積大，因而電阻小。4)單位面積板上開孔率大，可提高擴散效率和燃料電池性能。因此，與現(xiàn)有的矩形、梯形或三角形溝道截面形狀相比，曲線型截面溝道雙極板有著更好的性能。曲線型截面溝道是一種大面積真三維微結(jié)構(gòu)。常規(guī)硅微工藝一般只能形成二維平面結(jié)構(gòu)或準三維微結(jié)構(gòu)，難以加工出真三維微結(jié)構(gòu)，低成本制作真三維微結(jié)構(gòu)目前仍然是微細加工一個技術(shù)難點。因此，迫切需要開發(fā)低成本制作大面積三維微結(jié)構(gòu)新工藝，以滿足微型燃料電池雙極板制備工藝的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決目前微型燃料電池雙極板制作工藝成本高，無法加工出真三維微結(jié)構(gòu)等問題，提供一種具有生產(chǎn)成本低、工藝簡單、適合大批量制作、能夠?qū)崿F(xiàn)真三維曲線型截面微溝道低成本制備的優(yōu)點的用于微型燃料電池的復合雙極板及其制備方法。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種用于微型燃料電池的復合雙極板，它有基體，所述基體上規(guī)則排列有若干個三維微溝道，同時在基體的上表面附著導電層，在導電層上附著保護層。
所述基體為紫外光固化型聚合物導電材料，以高導電銅為導電層，以光亮鎳為抗腐蝕保護層，各三維微溝道平行均勻間隔排列。
一種用于微型燃料電池的復合雙極板制備方法，它的方法為，①以電子束直寫光刻和精密微電鑄工藝制備含三維微溝道的金屬模具；②以石英玻璃為支撐板，對其進行抗粘附的表面預處理；③采用三維微溝道的逆壓印成型工藝，制作三維微溝道；④采用雙液法制備銅鎳復合鍍層多層膜，在含不同金屬離子的液體系中分別電刷鍍銅和鎳，即用電刷鍍在所制備的微溝道表面上涂覆高導電金屬銅制導電層；在銅的基底上繼續(xù)電刷鍍涂覆一層較薄的光亮鎳層，充當抗蝕保護層；⑤對銅鎳復合鍍層進行滲氮表面改性處理，以降低接觸電阻；⑥將制備的復合雙極板從石英玻璃支撐板分離；⑦通過激光加工制作反應物和生成物的進出口微孔。
所述步驟①中金屬模具的制備方法為，a.采用電子束直寫光刻系統(tǒng)對電子光刻膠PMMA進行曝光，電子光刻膠體內(nèi)的曝光區(qū)域為雙極板流場的三維微結(jié)構(gòu)特征；b.顯影后在電子光刻膠獲得流場三維微結(jié)構(gòu)圖型；c.將金屬沉積到電子光刻膠的微結(jié)構(gòu)型腔內(nèi)，形成反型微結(jié)構(gòu)模具；d.將模具與金屬背襯結(jié)合，一方面增加模具剛度，另一方面便于微壓印工藝的使用，完成整個金屬模具的制作。
所述步驟②中，表面預處理采用氮氣流和超聲波清洗方法對石英玻璃基片進行清洗，去除油污，清洗后的石英玻璃基片在160-200℃烘箱中烘烤2.5-3.5小時；隨后通過在其表面涂鋪脫模劑進行抗粘附的表面預處理。
所述步驟③中，三維微溝道的逆壓印成型按以下步驟制作a.在制作完成后的金屬模具表面涂覆脫模劑；b.向金屬模具澆注液態(tài)基體材料，并使其表面流平；c.以石英玻璃為支撐板，對其進行抗粘附的表面預處理，將模具和流平處理后的基體材料一起翻轉(zhuǎn)，壓向石英玻璃支撐板；d.在透明的玻璃基片一側(cè)，使用UV對基體材料進行充分曝光；e.完全固化后，脫模；f.在基體材料上復制出雙極板的三維微溝道結(jié)構(gòu)特征。
所述步驟④中，鍍銅層采用常用的堿性鍍銅溶液，其配方及工藝條件是硫酸銅CuSO4·5H2O200-300g/L乙二胺 150-190ml/L硝酸銨NH4NO340-60g/L硫酸鈉Na2SO4·5H2O 20-40g/LPH值 7.5-8涂覆的金屬銅導電層厚 90-110μm。
所述步驟④中，鍍鎳層采用快速鎳溶液，其配方及工藝條件是硫酸鎳NiSO4·7H2O200-300/L羧酸銨鹽 50-66g/L醋酸銨CH3COONH420-26g/L草酸銨(COONH4)2·H2O 0.05-0.15g/L氨水NH3含量25％-28％140-160ml/LPH值 7.2-7.5在銅的基底上涂覆的光亮鎳抗蝕保護層厚20-30μm。
本發(fā)明提出了一種適合于微型燃料電池的聚合物/銅鎳基復合雙極板，基于微壓印和電刷鍍方法，開發(fā)一種與常規(guī)硅微工藝完全不同的復合制備工藝，實現(xiàn)曲線型截面的真三維微溝道低成本制備，從而為微型燃料電池提供了一種全新的雙極板及其大規(guī)模低成本制備技術(shù)。
本發(fā)明的有益效果是結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，實現(xiàn)了曲線型截面的真三維微溝道低成本制備，從而為微型燃料電池提供了一種全新的低成本雙極板及其大規(guī)模制備技術(shù)。


圖1為本發(fā)明的沉積完成銅鎳復合鍍層后的雙極板微溝道示意圖；圖2為本發(fā)明的雙極板復合制備工藝技術(shù)路線圖；圖3為本發(fā)明的三維微型金屬模具的制作示意圖；圖4為本發(fā)明的三維微溝道的逆壓印成型示意圖。
其中，1.基體，2.導電層，3.保護層，4.三維微溝道，5.電子束曝光區(qū)域，6.電子束流劑量控制，7.電子束流，8.電子光刻膠，9.電子光刻膠微結(jié)構(gòu)，10.金屬背襯，11.精密電鑄微特征，12.模具基底，13.金屬模具，14.脫模劑，15.UV曝光，16.液態(tài)基體材料，17.粘附性控制材料，18.支撐板。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1中，用于微型燃料電池的復合雙極板，它有基體1，所述基體1上規(guī)則排列有若干個三維微溝道4，同時在整體基體1的上表面附著導電層2，在導電層2上附著保護層3。其中，基體1為紫外光固化型聚合物導電材料，以高導電銅為導電層2，以光亮鎳為抗腐蝕保護層3，各三維微溝道4平行均勻間隔排列。
本發(fā)明的微型燃料電池復合雙極板以一種紫外光固化型聚合物導電材料為基體，以高導電銅為導電層，以光亮鎳為抗腐蝕保護層。其制作采用一種復合制備工藝。該工藝結(jié)合了微壓印和電刷鍍的優(yōu)點，并通過對銅鎳鍍層進行滲氮表面改性處理，提高雙極板的耐腐蝕性，降低接觸電阻。全部工藝過程均在常溫、常壓環(huán)境下完成，雙極板復合制作工藝技術(shù)路線圖參見圖2，包括①模具制作；②支撐板表面預處理；③微溝道逆壓印成型；④電刷鍍銅鎳復合鍍層的制備；⑤銅鎳復合鍍層滲氮表面改性處理；⑥去除石英玻璃支撐板；⑦反應物和生成物的進出口微孔的制作。
(1)模具制作常規(guī)投影光刻與刻蝕的組合屬于平面工藝或二維半工藝，不能精確控制微納結(jié)構(gòu)的側(cè)壁斜角，無法實現(xiàn)真三維微結(jié)構(gòu)(特征不是直壁狀)的制作。電子束直寫光刻系統(tǒng)具有伴隨點曝光掃描途徑而連續(xù)改變其曝光劑量的能力，從而可以在電子光刻膠8(如PMMA類)上獲得連續(xù)變化的曝光深度。利用此特性，可以在電子光刻膠上形成真正三維形狀的微納結(jié)構(gòu)。隨后通過精密微電鑄工藝沉積金屬(如鎳)，制作三維微型金屬模具。三維微型金屬模具的制作原理如圖3所示，a圖為具有伴隨點曝光掃描途徑而連續(xù)改變其曝光深度的電子束流7，它由電子束流劑量控制6控制，電子光刻膠體8內(nèi)的曝光區(qū)域5為近似半圓型側(cè)壁微結(jié)構(gòu)；b圖為顯影除膠后的電子光刻膠微結(jié)構(gòu)9；c圖為精密電鑄微特征11，將金屬沉積到電子光刻膠的微結(jié)構(gòu)型腔內(nèi)，形成反型微結(jié)構(gòu)模具；d圖為將模具與金屬背襯10結(jié)合，一方面增加模具剛度，另一方面便于微壓印工藝的使用。
(2)支撐板表面預處理取石英玻璃基片作為制作復合雙極板的支撐板18，采用氮氣流和超聲波清洗方法對石英玻璃基片進行清洗，去除油污，清洗后的石英玻璃基片在180℃烘箱中烘烤3小時；隨后通過在其表面涂鋪粘附性控制層材料進行抗粘附的表面預處理。
(3)微溝道逆壓印成型通過采用“逆壓印”工藝在基體材料上實現(xiàn)三維微溝道的壓印成型。微壓印是一種低成本、大面積、高效率的微納結(jié)構(gòu)復型工藝。較之現(xiàn)行的投影光刻和其它下一代光刻(NGL)技術(shù)，具有高分辯率、超低成本(國際權(quán)威機構(gòu)評估同等制作水平的微壓印比傳統(tǒng)光學投影光刻至少低一個數(shù)量級)和高生產(chǎn)率等特點。其中“正壓印”已經(jīng)較為成熟，能實現(xiàn)小面積、10nm以下特征尺度的各種納米結(jié)構(gòu)成形，并在MEMS、微/納光電子器件制造中獲得了應用，國際上也已有若干生產(chǎn)納米壓印設備和熱壓印設備的廠家。
因此，采用微壓印制作壓微米級到微米級微結(jié)構(gòu)，足可滿足其所需的分辯率。但由于微型燃料電池雙極板的微溝道是一種大面積三維微結(jié)構(gòu)的特征，若采用傳統(tǒng)的“正壓印”工藝，需要對模具施加的較大壓印力，容易發(fā)生粘附，導致抗蝕劑固化后脫模困難，對于三維微結(jié)構(gòu)更加加劇了脫模的難度。“逆壓印”工藝基材微結(jié)構(gòu)成形依賴于已圖型化的有機光固化材料對基片的粘結(jié)轉(zhuǎn)移，而非“正壓印”那樣依賴模具對材料的強迫成形，因此逆壓印需要的壓印力很小，從而減小了基材和模具的受力變形。這一方面保證大面壓印的精度，另一方面降低發(fā)生粘連的可能性，與“正壓印”工藝相比，脫模容易?！澳鎵河　惫に嚨淖顬殛P(guān)鍵的技術(shù)一是對模具表面進行處理，降低它的表面能，以保證順利的脫模，實現(xiàn)聚合物材料從模具上脫開粘附到石英玻璃支撐板上。二是對石英玻璃支撐板的表面進行處理，精確控制基體材料與石英玻璃支撐板表面的粘附強度(因為，一方面需要具有較高粘附強度，以保證在脫模過程中使基體材料從金屬模具中脫離；另一方面，又不能有過高的粘附強度，因為，后續(xù)工藝需要將制作完成的雙極板從石英玻璃支撐板上剝離下來)。
因此，本發(fā)明一方面需要對模具表面進行處理(蒸度聚四氟乙稀薄層或表面硅烷化處理)，降低它的表面能，以保證基體材料對模具表面的非浸潤性。另一方面則需要通過對石英玻璃支撐板表面涂覆粘附性控制材料層，精確控制其對基體材料的粘附強度。
三維微溝道逆壓印復制過程的原理如圖4示。
整個逆壓印工藝過程包括①在制作完成后的模具基底12上的金屬模具13表面涂覆脫模劑14(如a圖)；②向金屬模具13澆注液態(tài)基體材料16，并使其表面流平(如b圖)；③以石英玻璃為支撐板18，在上設有粘附性控制材料17對其進行抗粘附的表面預處理，將模具和流平處理后的基體材料一起翻轉(zhuǎn)，壓向石英玻璃支撐板18(如c圖)；④在透明的玻璃基片一側(cè)，使用UV對基體材料進行充分UV曝光15(如d圖)；⑤完全固化后，脫模(如e圖)；⑥在基體材料上復制出雙極板的三維微溝道4(如f圖)。脫模過程可能出現(xiàn)與模具粘連、微結(jié)構(gòu)蹦塌倒邊等潛在危險，從而破壞微結(jié)構(gòu)復型質(zhì)量。另外，大面積壓印過程中還可能存在由于基底及模具表面本身的不平度而造成的壓印邊界與中間區(qū)域質(zhì)量不同，應盡可能避免該類現(xiàn)象或缺陷的產(chǎn)生。
(4)電刷鍍銅鎳復合鍍層的制備選擇銅鎳復合鍍層作為雙極板工作層，首先利用電刷鍍工藝在所制備的微溝道表面上刷鍍100μm厚度銅金屬導電層，然后以此為基底繼續(xù)在其上刷鍍25μm厚度的光亮鎳鍍層作為抗腐蝕防護性鍍層。
銅鎳復合鍍層是一種多層膜，電鍍是制備多層膜常用的方法，與電鍍法相比，電刷鍍制備超薄的多層膜具有沉積速度快、鍍層致密、晶粒細化等優(yōu)點，可獲得組織致密、性能優(yōu)異的復合材料。此外，電刷鍍的方法具有設備簡單、成本低、工藝靈活、沉積速度快、鍍層致密、結(jié)合強度高、晶粒細化、對環(huán)境污染小等優(yōu)點。本發(fā)明采用雙液法制備銅鎳復合鍍層多層膜，即在含不同金屬離子的液體系中分別電刷鍍銅(Cu)和鎳(Ni)。鍍銅層采用常用的堿性鍍銅溶液，其配方及工藝條件是硫酸銅CuSO4·5H2O250g/L乙二胺 170ml/L硝酸銨NH4NO350g/L硫酸鈉Na2SO4·5H2O 30g/LPH值 7.5-8鍍鎳層采用快速鎳溶液，其配方及工藝條件是硫酸鎳NiSO4·7H2O254/L羧酸銨鹽 56g/L醋酸銨CH3COONH423g/L草酸銨(COONH4)2·H2O 0.1g/L氨水NH3含量25％-28％150ml/LPH值 7.2-7.5通過控制沉積電壓和電刷鍍時間的方法來控制單層膜的厚度。每完成一道工序，試件均應以清水沖洗干凈。處理后的標準是工件表面對水潤濕良好、無干斑或無掛水珠現(xiàn)象。沉積完成銅鎳復合鍍層后的雙極板微溝道的示意圖如1所示。
(5)銅鎳復合鍍層滲氮表面改性處理由于質(zhì)子交換膜在運行過程會發(fā)生極微量的降解，導致電池反應生成的水的PH值呈弱酸性，銅鎳鍍層雖然具有一定的抗蝕性，但隨著時間的增加氧電極側(cè)金屬氧化膜的增厚，不僅會使接觸電阻增加，而且在酸性條件下產(chǎn)生的多價金屬離子還會降低電極催化劑的活性，使電池的性能下降。因而，需要進一步提高銅鎳鍍層抗蝕性和減小接觸電阻。表面改性處理是提高材料抗腐蝕性和減小表面接觸電阻的一種有效手段。雖然Brady和Davies等人研究結(jié)果表明滲氮改性的Ni-50Cr是比較理想的質(zhì)子交換膜(PEMFC)雙極板材料，在提高電池性能、延長極板使用壽命方面更有優(yōu)勢，但對進入商業(yè)市場微型燃料電池的而言，采用低成本、電導率高、耐蝕性好的涂層更切實可行，因此，本發(fā)明采用表面滲氮工藝對鍍層表面進行改性處理，降低接觸電阻，增加抗蝕性。
(6)去除石英玻璃支撐板(7)反應物和生成物的進出口微孔的制作通過激光加工制作反應物和生成物的進出口微孔。
本發(fā)明提出的新型聚合物/銅鎳基復合雙極板以一種紫外光固化型聚合物導電材料為基體，以高導電銅為導電層，以光亮鎳為抗腐蝕保護層。除了采用以鎳作為抗腐蝕保護材料以外，一是還可以選擇以鉻(Cr)作為抗腐蝕保護材料；二是選擇以Ni-50Cr合金作為抗腐蝕保護材料。在實驗中證明Ni-50Cr合金效果更好，但其成本較高。
使用本發(fā)明工藝制作微型燃料電池雙極板，模具制作的方法有多種，除了本發(fā)明推薦的以電子束直寫光刻和精密微電鑄工藝制備；二是電子束直寫加反應離子刻蝕工藝；三是采用微立體光刻；四是灰度光刻；五是在玻璃襯底上進行濕法軟刻蝕。
為了降低大批量生產(chǎn)制作的成本和縮短生產(chǎn)周期，可以僅采用本工藝單件制作微流場，而反應物和生成物的進出口的制作和復合鍍層滲氮表面改性處理采用多件同時加工的方式。
權(quán)利要求
1.一種用于微型燃料電池的復合雙極板，它有基體，其特征是所述基體上規(guī)則排列有若干個三維微溝道，同時在基體的上表面附著導電層，在導電層上附著保護層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微型燃料電池的復合雙極板，其特征是所述基體為紫外光固化型聚合物導電材料，以高導電銅為導電層，以光亮鎳為抗腐蝕保護層，各三維微溝道平行均勻間隔排列。
3.一種權(quán)利要求1所述的用于微型燃料電池的復合雙極板制備方法，其特征是它的方法為，①以電子束直寫光刻和精密微電鑄工藝制備含三維微溝道的金屬模具；②以石英玻璃為支撐板，對其進行抗粘附的表面預處理；③采用三維微溝道的逆壓印成型工藝，制作三維微溝道；④采用雙液法制備銅鎳復合鍍層多層膜，在含不同金屬離子的液體系中分別電刷鍍銅和鎳，即用電刷鍍在所制備的微溝道表面上涂覆高導電金屬銅制導電層；在銅的基底上繼續(xù)電刷鍍涂覆一層較薄的光亮鎳層，充當抗蝕保護層；⑤對銅鎳復合鍍層進行滲氮表面改性處理，以降低接觸電阻；⑥將制備的復合雙極板從石英玻璃支撐板分離；⑦通過激光加工制作反應物和生成物的進出口微孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于微型燃料電池的復合雙極板制備方法，其特征是所述步驟①中金屬模具的制備方法為，a.采用電子束直寫光刻系統(tǒng)對電子光刻膠PMMA進行曝光，電子光刻膠體內(nèi)的曝光區(qū)域為雙極板流場的三維微結(jié)構(gòu)特征；b.顯影后在電子光刻膠獲得流場三維微結(jié)構(gòu)圖型；c.將金屬沉積到電子光刻膠的微結(jié)構(gòu)型腔內(nèi)，形成反型微結(jié)構(gòu)模具；d.將模具與金屬背襯結(jié)合，一方面增加模具剛度，另一方面便于微壓印工藝的使用，完成整個金屬模具的制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于微型燃料電池的復合雙極板制備方法，其特征是所述步驟②中，表面預處理采用氮氣流和超聲波清洗方法對石英玻璃基片進行清洗，去除油污，清洗后的石英玻璃基片在160-200℃烘箱中烘烤2.5-3.5小時；隨后通過在其表面涂鋪脫模劑進行抗粘附的表面預處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于微型燃料電池的復合雙極板制備方法，其特征是所述步驟③中，三維微溝道的逆壓印成型按以下步驟制作a.在制作完成后的金屬模具表面涂覆脫模劑；b.向金屬模具澆注液態(tài)基體材料，并使其表面流平；c.以石英玻璃為支撐板，對其進行抗粘附的表面預處理，將模具和流平處理后的基體材料一起翻轉(zhuǎn)，壓向石英玻璃支撐板；d.在透明的玻璃基片一側(cè)，使用UV對基體材料進行充分曝光；e.完全固化后，脫模；f.在基體材料上復制出雙極板的三維微溝道結(jié)構(gòu)特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于微型燃料電池的復合雙極板制備方法，其特征是所述步驟④中，鍍銅層采用常用的堿性鍍銅溶液，其配方及工藝條件是硫酸銅CuSO4·5H2O200-300g/L乙二胺 150-190ml/L硝酸銨NH4NO340-60g/L硫酸鈉Na2SO4·5H2O 20-40g/LPH值 7.5-8涂覆的金屬銅導電層厚90-110μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于微型燃料電池的復合雙極板制備方法，其特征是所述步驟④中，鍍鎳層采用快速鎳溶液，其配方及工藝條件是硫酸鎳NiSO4·7H2O200-300/L羧酸銨鹽 50-66g/L醋酸銨CH3COONH420-26g/L草酸銨(COONH4)2·H2O 0.05-0.15g/L氨水NH3含量25％-28％140-160ml/LPH值 7.2-7.5在銅的基底上涂覆的光亮鎳抗蝕保護層厚20-30μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于微型燃料電池的復合雙極板及其制備方法。它以一種紫外光固化型聚合物導電材料為基體，以高導電銅為導電層，以光亮鎳為抗腐蝕保護層。其制作采用一種復合制備工藝，該工藝結(jié)合了微壓印(一種低成本、大面積、高效率的微結(jié)構(gòu)復型工藝)和電刷鍍(一種低成本微電鍍工藝)的優(yōu)點，并通過對銅鎳鍍層進行滲氮表面改性處理，提高雙極板的耐腐蝕性，降低接觸電阻。全部工藝過程均在常溫、常壓環(huán)境下完成。這種新型的微型燃料電池聚合物/銅鎳基復合雙極板結(jié)構(gòu)及其制備方法，具有生產(chǎn)成本低、工藝簡單、適合大批量制作、能夠?qū)崿F(xiàn)真三維曲線型截面微溝道低成本制備的優(yōu)點。
文檔編號H01M4/88GK101071871SQ20071001579
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月5日
發(fā)明者蘭紅波, 丁玉成 申請人:山東大學