專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池和電源片技術(shù)的制作方法
燃料電池和電源片4支術(shù)
本申請(qǐng)是2000年11月17日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?0816129.1， 發(fā)明名稱(chēng)為"燃料電池和電源片技術(shù)"的分案申請(qǐng)。
本發(fā)明的背景
電化學(xué)燃料電池并不是新出現(xiàn)的。Alexander Grove于1839 年發(fā)明以后，它最近又成為廣泛發(fā)展的對(duì)象。美國(guó)國(guó)家4元空和宇 宙航行局在他們二十世紀(jì)六十年代的航天計(jì)劃中運(yùn)用了這項(xiàng)技
使。戴姆勒-克萊斯勒汽車(chē)公司和福特汽車(chē)公司 一起在一家合股 經(jīng)營(yíng)的公司投資了 7.5億美元用于發(fā)展燃料電池裝置。隨著與環(huán) 境相關(guān)的^見(jiàn)定和立法的加強(qiáng)，即^f吏不是必需的，在法律進(jìn)程中發(fā) 展"綠色"能源也變得更加合法。
信息化時(shí)代已經(jīng)預(yù)示了用于^^驗(yàn)，處理，運(yùn)用，4妄近和控制 信息的新方法的必要性。隨著基礎(chǔ)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展以運(yùn)用這些 新的需求，對(duì)于更小，更輕和更快(燃料更換/再充電)的電能資 源的需求不斷增加。特別是便攜式的計(jì)算和通訊設(shè)備將從基于電 源的小型燃料電池而大大地受益。
本發(fā)明的概述
依照本發(fā)明，提供一種使用聚合物/SAMs (自裝配單分子層 技術(shù))，MEMS (微型機(jī)電系統(tǒng))，"化學(xué)芯片技術(shù)"和半導(dǎo)體制 造#支術(shù)的組合來(lái)直4妻在襯底上制造*見(jiàn)才莫可調(diào)的電池組的方法和
設(shè)備，優(yōu)選的襯底是半導(dǎo)體晶片。這些半導(dǎo)體晶片可以是"堆疊 的，，(例如電學(xué)上串耳關(guān)或并耳關(guān)，也單獨(dú)地編排以獲得不同的功率 (V*I)特性和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)配置)。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案通過(guò)在平面半導(dǎo)體晶片上制造 多個(gè)單個(gè)的燃料電池構(gòu)成的，其中液流槽道是通過(guò)蝕刻或者其他
眾所周知的半導(dǎo)體加工方法形成的。氧被導(dǎo)入槽道的 一端而氫被
導(dǎo)入另一端；兩種氣體被隔膜分開(kāi)。電極在隔膜的相對(duì)的面上構(gòu) 成，催化劑在兩邊與電極和隔膜電連接。最后，氣密外罩或蓋子 被連接在電池上。
優(yōu)選地，隔膜是一種將聚合物柱沉淀或?qū)蛹谝r底中的蝕刻 槽道中以在氧和氫之間構(gòu)造氣密阻擋層的PEM(質(zhì)子交換隔膜)， 隔膜使在催化劑下形成的氬離子穿過(guò)阻擋層，從而能在H離子與 氧在另 一 條槽道結(jié)合時(shí)產(chǎn)生通過(guò)接點(diǎn)的電流和水。
另外，許多燃津牛電池可以在部分相同的晶片上相互電連4妻并 連4妻到氣源上形成"電源片"。常^見(jiàn)的電^各系統(tǒng)可以與電源片一 起整體結(jié)合到晶片上，以提供用于單個(gè)電池的過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制作 用。包括多個(gè)電源片(電源盤(pán))或多個(gè)電池的晶片可以垂直地堆疊。
本發(fā)明的特性和優(yōu)勢(shì)的進(jìn)一步的理解在這里可以在考慮到 通過(guò)隨后的詳細(xì)描述和下面插圖的i兌明而祐j人iK到。
本發(fā)明附圖的簡(jiǎn)單描述
本發(fā)明前述的和其他的目的，特征和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)隨后本發(fā)明 優(yōu)選實(shí)施方案的更加詳細(xì)的描述變得顯然，如在附圖中所演示
的，在不同附圖中相同的參考符號(hào)指相同的部分。這些附圖不是 4安比例的，附圖重點(diǎn)方文在i兌明本發(fā)明的原理上。


圖1是依照本發(fā)明的半導(dǎo)體燃津牛電池組的平面示意圖。
圖2是本發(fā)明燃并+電池12的沿ii-n線的截面示意簡(jiǎn)圖。
圖3(a)-(h)是制備本發(fā)明的PEM阻擋層結(jié)構(gòu)30主要加工步驟 的剖面示意圖。
圖4是i兌明本發(fā)明PEM阻擋層^,才灸的4壽件的截面示意圖。
圖5是PEM結(jié)構(gòu)實(shí)施方案的剖面圖。
圖6是替換的PEM結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖7是另一個(gè)替換PEM結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖8是可以一皮集成到燃并牛電池片上的電^各的方塊圖。
圖9是用于才喿作單個(gè)電池或電池組的集成控制系統(tǒng)線^各的示 意圖。
圖IO是用于電池的匯集管系統(tǒng)的側(cè)一見(jiàn)示意圖。
圖11是多個(gè)電池并排排列在晶片上形成一個(gè)電源片并且4皮 此在頂端堆;故形成一個(gè)電源盤(pán)的平面示意圖。
圖12是圖11的片^殳側(cè)一見(jiàn)圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述
下面是本發(fā)明的實(shí)施方案的描述。
如圖1所示，是在常規(guī)的半導(dǎo)體晶片IO上集成有多個(gè)半導(dǎo) 體燃并+電池12的平面圖。多個(gè)電池可以在晶片上相互電連4妄并 且#皮供以氣體形成電源片15。為了簡(jiǎn)化，燃^牛電池12和電源片 15都沒(méi)有"^要比例表示，因?yàn)樵谝粋€(gè)4"的晶片上至少有80， 000， OOO個(gè)電池。如圖2所示的是一個(gè)這樣的電池的片段。以它最簡(jiǎn) 單的形態(tài)，每個(gè)電池12包4舌4于底14, 4妻觸點(diǎn)16A和B,和在絕 緣層狀聚合物支撐結(jié)構(gòu)20的第一層20(a)的兩面上形成的并且 緊密地與金屬電"l妻觸點(diǎn)-接觸的導(dǎo)電聚合物基層18。
在中央結(jié)構(gòu)20兩側(cè)的帶有嵌入的催化劑粒子28的導(dǎo)電聚合 物22形成PEM阻擋層4巴氬隔離在左邊而氧隔離在右邊。蝕刻槽 道50B和50A分別用于導(dǎo)入02和H2氣體，散熱罩40蓋在電池 12上，如圖2所示。
圖3a-3h是一系列的剖面示意圖，表示的是在個(gè)別步驟中 PEM阻擋層30制造細(xì)節(jié)。圖3a表示的是已經(jīng)被蝕刻到半導(dǎo)體襯 底14上的電池槽道的底部。它也顯示了負(fù)責(zé)/人電池12豐lr出電子 到配電規(guī)定路線和其它電路的接觸點(diǎn)16。這些接觸點(diǎn)都通過(guò)眾所 周知的半導(dǎo)體制造工藝的光刻的工藝來(lái)沉積的。
圖3b表示的是已經(jīng)涂抹在該結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)電聚合物基層18。 基層18通過(guò)物理/導(dǎo)電的方式與^妻觸點(diǎn)16連4妾用來(lái)吸引如圖 3a-3h所示的步艱《的導(dǎo)電聚合物22。
圖3c表示的是已涂抹在該結(jié)構(gòu)上的絕緣聚合物基層20 ( a)。 它被安置在兩個(gè)導(dǎo)電聚合物基層18位置之間并用于吸引絕緣的 聚合物20。圖3d所示是涂抹在該結(jié)構(gòu)上的聚合物保護(hù)層21。保護(hù)層21 負(fù)責(zé)排斥聚合物并防止聚合物在不需要的地方生長(zhǎng)。圖3e所示是已經(jīng)生長(zhǎng)在它的基層20A上的第一層20B絕緣 聚合物。這是PEM阻擋層的中心材料。它幫助在構(gòu)造的時(shí)候支 撐壽交薄的外側(cè)22。圖3f所示是隨后鋪設(shè)的絕緣聚合物層20，按照一層接一層 的方式構(gòu)成垂直的阻擋層。在這種垂直方向上面積;故大。圖3g所示是生長(zhǎng)在它的基層18上的導(dǎo)電聚合物22的第一 層22a。這是PEM阻擋層的帶有催化劑的外側(cè)材料。圖3h所示是導(dǎo)電聚合物22的按照在結(jié)構(gòu)上一層接一層鋪設(shè) 的方式隨后鋪設(shè)的各層。圖2所示的是在移去聚合物保護(hù)層21 并加上蓋子40和預(yù)先存在的側(cè)壁52 (為了簡(jiǎn)化從圖3a-3h中省 略的)后的全部結(jié)構(gòu)。如果層21是半導(dǎo)體制造程序中最后的步 驟的原始鈍化層，保護(hù)層可能不必移去。再如圖2所示，構(gòu)成燃并牛電池12的元件的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)將 得到i兌明。通常表示為30的質(zhì)子交換隔膜在燃并+ H2和氧化劑 02之間形成阻擋層。PEM阻擋層30由兩種材并牛三個(gè)部分組成。先是第一外壁 22B,然后是中心20，最后是第二外壁22C。阻擋層由第一種材 泮十的中心塊2 CU妄觸兩個(gè)第二種材^T牛的外壁構(gòu)成的。
構(gòu)成中心塊的材料20,優(yōu)選的是能夠使氫離子(質(zhì)子)從氫 的一側(cè)通過(guò)到氧的一側(cè)的離子聚合物。它是電學(xué)上的絕緣體，所 以它實(shí)際上不會(huì)在電池的兩個(gè)4妄點(diǎn)16A和16B之間出現(xiàn)短^各。 它可以由Nafion⑧或者與之有相同特征材料構(gòu)成。如圖中點(diǎn)劃線 (虛線)所示的外負(fù)載5可以穿過(guò)接觸點(diǎn)連接來(lái)輸出電能。第二種材料22,形成兩個(gè)外壁，也是一種能夠通過(guò)氫離子的 類(lèi)似的離子聚合物。另外，它摻雜有微小的催化劑粒子28 (如圖 中小點(diǎn)所示)，例如，鉑/合金催化劑，并且也是導(dǎo)電的。通過(guò)將催化劑粒子28嵌入到聚合物22中，達(dá)到與PEM30 的最大限度的密切接觸。這樣的密切接觸提供了允許離子朝著陰 極16B自由地移動(dòng)的容易利用的途徑。催化作用是表面效應(yīng)。通it一奪催4b粒子28懸浮在聚合物22中，可有,支運(yùn)用全部z表面。這 樣將顯著地增大系統(tǒng)效率。通過(guò)使得第二種物質(zhì)22導(dǎo)電，制造出電極。電極接近催化 反應(yīng)的程度影響它收集電子的能力。這一方法允許催化反應(yīng)在電 極本身內(nèi)部有效地發(fā)生。這樣緊密的接觸提供了允許電子朝著陽(yáng) 極16A自由地移動(dòng)的容易利用的途徑。這樣將成功地收集最大量 的自由電子。此外，這樣將顯著的增大系統(tǒng)的效率。除了上面已經(jīng)描述的PEM30電學(xué)上和化學(xué)上的功能特點(diǎn)以 外，還有一些重要的物理4爭(zhēng)4i,描述如下這一自組裝工藝考慮到更加優(yōu)化的PEM阻擋層結(jié)構(gòu)。通過(guò) 設(shè)計(jì)其將更加有效。首先，關(guān)于形成分開(kāi)氫和氧的槽道的問(wèn)題。這要求生長(zhǎng)/構(gòu)成 P EM結(jié)構(gòu)，以便其完全分割蝕刻槽道5 0成為兩個(gè)獨(dú)立的槽道5 0 A
和50B。這意味著它必須定型以在槽道的中央并且堅(jiān)固地向上倚 靠著電池末端的壁生長(zhǎng)。它還必須生長(zhǎng)到槽道的高度以允許它才妄 觸到底部的蓋子40上的粘合劑42。第二，關(guān)于形成氣體密封的問(wèn)題。這要求PEM結(jié)構(gòu)30完全 地結(jié)合基層結(jié)構(gòu)18和20A，襯底14和電池末端的壁(未顯示)， 并且結(jié)合涂在蓋子40上的粘合劑42。通過(guò)適當(dāng)選擇聚合物，在 它們?cè)诓鄣乐?妄觸的物質(zhì)間形成化學(xué)結(jié)合。除了這種化學(xué)結(jié)合， 還有通過(guò)在PEM阻擋層頂部向下壓的蓋子40形成的物理密封效 果。如果PEM30的高度控制得恰當(dāng)，外加的蓋子的壓力形成機(jī) 械"O環(huán)"型自密封。在襯底14上生長(zhǎng)PEM30排除了在將它與 蓋子40結(jié)合時(shí)的任何細(xì)微的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。在蓋子上沒(méi)有細(xì)微的細(xì) 節(jié)需要瞄準(zhǔn)。再如圖4所示，表示的是包括鑄造/噴射工藝和結(jié)構(gòu)的PEM 阻擋層替換實(shí)施方案簡(jiǎn)化透—見(jiàn)圖。使用MEMS力口工方法，三條槽道60A, 60B和60C都凈皮蝕 刻在半導(dǎo)體襯底140中。外側(cè)的兩個(gè)槽道60A和60C通過(guò)薄壁 70A和70B與中間槽道60B分隔開(kāi)。這些壁中蝕刻有許多細(xì)小的 縫隙S!-Sn。產(chǎn)生的齒TVTnw在縫隙區(qū)域中有催化劑280附著在 上面。在這些薄壁70A, 70B的底部，在組成外側(cè)槽道60A和 60C的壁的一側(cè)，金屬電才及160A, 160B就附著在上面。當(dāng)電^L 160定位后，催化劑28(M皮附著在那些齒上。這才羊就4吏得催化劑 附著，以便產(chǎn)生電接觸并且在一定程度覆蓋在它們底部的相應(yīng)電 極160。另外，金屬導(dǎo)線90被放置成與每個(gè)電極160連接，然后 向上延伸離開(kāi)外部槽道。蓋子400和用來(lái)將蓋子粘結(jié)到襯底140的粘合層420 —起提 供。以這樣的方式，在4于底上形成三個(gè)獨(dú)立的槽道；氫槽道60A, 反應(yīng)槽道60B，和氧槽道60C。另外，蓋子400還有在不同的在 關(guān)鍵部位放置的電解液注入口或者孔500。這些孔500提供了通 向僅僅在反應(yīng)槽道中的聚合物材料(未顯示)的電解液隔膜的加 料通道。如果這些孔能夠穿過(guò)襯底設(shè)立，那么一個(gè)或更多的這樣 的槽道就可以垂直通過(guò)電池。匯集管可以和晶片的一個(gè)頂部蓋子 或者底部一側(cè)上的孔緊密配合以控制向槽道的分配。圖4所示的結(jié)構(gòu)是按照下面所述裝配的首先，構(gòu)造半導(dǎo)體制造工藝包括襯底加工和所有電路沉積。接著，加工蓋子400同時(shí)準(zhǔn)備有粘合劑420。蓋子400被粘 結(jié)在邱于底140上。然后電解'液(未顯示)注入該結(jié)構(gòu)。反應(yīng)槽道60B的薄壁70A和70B用來(lái)在電解液澆鑄期間l呆 持電解液?？p隙S廣Sn允許氳和氧在各自的通道60A和60B中可 以接近催化劑280和PEM300。在縫隙區(qū)域用催化劑280敷蓋齒 T廣Tnw在氫氣進(jìn)入縫隙時(shí)才是供反應(yīng)地點(diǎn)。當(dāng)電解液#皮灌/注入反 應(yīng)槽道60B時(shí)，電解液將會(huì)完全充滿(mǎn)反應(yīng)槽道。電解液的表面張 力使它不會(huì)穿過(guò)縫隙并進(jìn)入氣體槽道，否則也會(huì)充滿(mǎn)氣體槽道。 因?yàn)樵陔娊庖簂吏用之后存在一些壓力，當(dāng)壓力將其推進(jìn)到縫隙中 時(shí)，在電解液的表面會(huì)產(chǎn)生鼓"長(zhǎng)效應(yīng)。這樣將導(dǎo)致電解液與涂在 縫隙S廣Sn側(cè)面的催化劑280接觸。 一旦形成這樣的接觸并且隔 膜(電解液)水合，它將會(huì)進(jìn)一步膨脹，以確保以催化劑的良好 接觸。112/02氣體都能夠擴(kuò)散進(jìn)入隔膜(非常薄，例如5微米)， 進(jìn)到催4匕劑區(qū)i或。因?yàn)樗绱说谋?，可以產(chǎn)生更好的歲文果，即小 阻力(1211)損耗很低。然后將反應(yīng)的三個(gè)組成相互接觸。與催化 劑280保持電接觸的電極160A和160B是第四組成并在氮離子 通過(guò)電解液隔膜在另外一側(cè)完成反應(yīng)時(shí)為自由電子提供槽道[通 過(guò)外負(fù)載(未顯示)]。
如圖5-7的4黃斷面^L圖所示，本發(fā)明的PEM結(jié)構(gòu)30的不同 的替換構(gòu)造將會(huì)詳細(xì)地描述。如圖5，中央PEM結(jié)構(gòu)20構(gòu)成為 連續(xù)的絕緣垂直元件，電極/催化劑16/28非連續(xù)元件，導(dǎo)線90 連4妄在它們上面。圖6是替換的PEM結(jié)構(gòu)的浮見(jiàn)圖，其中催化劑 28被嵌入在絕緣的芯20上，電極16被構(gòu)成從側(cè)面臨近催化劑。 最后，如圖7，該P(yáng)EM結(jié)構(gòu)與圖5中的相似，^f旦是它的位于中間 的芯2(^是非連續(xù)的。圖8是示意方塊圖，表示的是一些可以和多個(gè)微控制器一起 被結(jié)合到半導(dǎo)體晶片IO上的可能的電路，用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制多路 電池的性能。 一些傳感電路80, 82， 84和86都提供用來(lái)執(zhí)行某 些功能。剩余的可以用來(lái)4是高容量。溫度電路80提供輸入值來(lái)偵:樣i控制器88限定燃術(shù)牛電池12 的熱量曲線。電壓電^各82在電池的不同程度的配置體系或組合 的情況下監(jiān)測(cè)電壓。它提供關(guān)于負(fù)載變化的信息。通過(guò)這些信息， 處理器88可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的配置以達(dá)到/維持所需要的性能。電流 電路84執(zhí)行類(lèi)似于上面提到的電壓監(jiān)測(cè)電路82的功能。壓力電^各86監(jiān)測(cè)在內(nèi)部氣體槽道50A, 50B中的壓力。因?yàn)?系統(tǒng)的性能受到這個(gè)壓力的影響，；微控制器88可以^4居這些讀 取數(shù)據(jù)作出調(diào)整以保持系統(tǒng)在最優(yōu)化的性能狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。未定義電路81的構(gòu)成可以用來(lái)為微控制器88預(yù)先考慮到的未來(lái)功能提 供幾個(gè)備用輸入。另外，酉己置電路94可以至少用于控制V承I開(kāi)關(guān)，如結(jié)合圖9 描述的。輸出電壓和電流的能力通過(guò)配置這些開(kāi)關(guān)來(lái)確定。4要所 需的動(dòng)態(tài)程序控制提供局部電路92,例如監(jiān)測(cè)電路的參數(shù)。這些 輸出值可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)那些變化。本地子系統(tǒng)94通過(guò)孩i控制器98 控氣體流速，故障導(dǎo)致隔離和除去生成物。本地電源電^各96用
來(lái)分4秦一部分通過(guò)燃料電池12產(chǎn)生的電流來(lái)給所載的電子元件 才是供動(dòng)力。這一電源供應(yīng)電i 各96具有自我調(diào)節(jié)和控制電^各。兩 線通信I/F裝置98可以被整體結(jié)合到電源片上來(lái)在通信裝置和與 它們連接電源總線(未顯示)之間提供電連接。微控制器8是集成電子子系統(tǒng)的核心部分。它負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和控 制所有指定的系統(tǒng)功能。另外，它控制任何外部通信的通信協(xié)議。 它能夠?qū)崿F(xiàn)電路內(nèi)部程序編制以便它的執(zhí)行控制程序能夠按照 需要更新。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理并且也能夠具有自我/ 系統(tǒng)診斷和安全特征。參照?qǐng)D9,表示的是本發(fā)明的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。在這個(gè)實(shí)施方案中，單獨(dú)的電池12p 122-12n都在半導(dǎo)體晶片上構(gòu)成并JU吏用能夠通過(guò)如圖8所示的微控制器88控制的晶體管開(kāi)關(guān)97平行接 線并耳關(guān)在電源總線99A和99B上。開(kāi)關(guān)97B和97A分別是陰^L 總線開(kāi)關(guān)和陽(yáng)極總線開(kāi)關(guān)，而97C是串耳關(guān)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)97D和97E 分別是陽(yáng)極和陰極并聯(lián)開(kāi)關(guān)。這才羊允許單獨(dú)的電池或電池組(電源片15)以不同的構(gòu)建連 線，例如，并4關(guān)或串耳關(guān)。通過(guò)將電池串l關(guān)產(chǎn)生不同的電壓。電流 的容量也可以通過(guò)并聯(lián)這些電池來(lái)增加。一4殳而言，電源片的功 率曲線可以一皮動(dòng)態(tài)地控制以達(dá)到或維-持"編程"的沖支術(shù)要求。相 反地，電源片在制造的時(shí)候可以一皮i殳定為一些H態(tài)曲線，并且由 此排除對(duì)電源片開(kāi)關(guān)的需要。通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的開(kāi)和關(guān)以及通過(guò)改 變配線開(kāi)關(guān)的才及性可以產(chǎn)生交流AC和直流DC電源l俞出。為實(shí)施電源管理子系統(tǒng)，要求從發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生反々貴。電^各系 統(tǒng)可以直接在電源片上構(gòu)成，以不斷地測(cè)量該過(guò)程的效率。這一 反饋可以用來(lái)在閉合循環(huán)方式中改變系統(tǒng)的控制。這樣就使動(dòng)態(tài) 維持系統(tǒng)最大效率成為可能。 一些這樣的電路接下來(lái)討論。 隨著系統(tǒng)需求在一4炎時(shí)間發(fā)生變化，功率生成過(guò)程的性質(zhì)也 發(fā)生變化。為了維持最優(yōu)性能，了解幾種運(yùn)作參數(shù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)可 有助于作出能使系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)的決定。這些參數(shù)的范圍通過(guò)程序 來(lái)限定。例如，它能夠估夂到同時(shí)測(cè)量一個(gè)獨(dú)立的電池或電池ia的電壓 和電流。可以監(jiān)測(cè)功率llr出，并且4口果電池或電池《且沒(méi)有運(yùn)4亍， 如果有必要它可以纟皮移走。這可以通過(guò)先前已經(jīng)描述的電源開(kāi)關(guān)97來(lái)完成。另一方面，為了伏J匕系統(tǒng)性能， 一體4b的MEMs構(gòu)成的樣￡型風(fēng)扇可以用來(lái)控制氧或氫在燃料電池或電池組之間的流動(dòng)。在移動(dòng)電源片上有效加載區(qū)域的時(shí)4夷，也可以維持平均功率水平。因?yàn)闆](méi)有一個(gè)區(qū)域此時(shí)是100%的，這就必須^是供一個(gè)壽交好的總工作特性水平。這種工作負(fù)載循環(huán)法尤其適用于電涌要求。在這里該相X念是是4巴電力分成^:來(lái)改善電池〗吏用特4i。電源片的熱特;f正期望得到改變，因?yàn)殡娏ω?fù)載和它的熱量可能對(duì)電池電力產(chǎn)生的程度有反作用。對(duì)電池使用的適當(dāng)?shù)臏囟葌?感和合理的響應(yīng)將會(huì)將熱量積聚的損毀影響減到最小。蓋子40是兩片"電源片"組合的第二片。其優(yōu)選的由金屬 制成以提供機(jī)械剛性支持易碎的半導(dǎo)體襯底14。這是考慮到容易操作和4是供穩(wěn)定的基礎(chǔ)以在其上建立"電源組，，，例如，許多電源片15逐個(gè)的堆疊在4皮此的頂部。其目的是建立有更強(qiáng)電力的 物理單元 圖10圖解說(shuō)明的是燃料50A和氧化劑/產(chǎn)物槽道50A ( 50B 沒(méi)有顯示)如何被蝕刻在村底14的表面上的。這些凹槽都是三 面的。并且必須在頂部一側(cè)被閉合和密封。蓋子40和粘合劑42
在結(jié)合到襯底14上并且完成這些槽道時(shí)提供這樣的構(gòu)成密封的 作用。燃并牛供應(yīng)和氧化劑的基質(zhì)床以及產(chǎn)物水的移去槽道由此在 坤t底的表面構(gòu)成。蓋子40 4是供了機(jī)械穩(wěn)定的連接體，輸入/輸出口就構(gòu)造在它 上面。這些是氣體供應(yīng)和水脫除口。該設(shè)計(jì)必須在襯底上包含從 巨大的外部環(huán)境到微米大小特征的尺寸轉(zhuǎn)換。這是通過(guò)延伸微米 大小的槽道到相對(duì)更大的孔H實(shí)現(xiàn)的。這種4交大的孔〗吏襯底和蓋 子之間的定位技術(shù)要求降低。在蓋子上的大孔與襯底中的大孔對(duì) 齊，襯底具有同樣加工在襯底中的孩i米大小的連通大孔到電池的 槽道。每個(gè)晶片都有自己的匯集管。這將需要外部連接以進(jìn)行燃料 供應(yīng)，氧化劑和產(chǎn)物的排除。外部管路系統(tǒng)可能要求有自動(dòng)對(duì)接 系統(tǒng)。現(xiàn)在的MEMS工藝過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)蝕刻穿過(guò)晶片的孔。這 樣的垂直通過(guò)孔可以簡(jiǎn)化匯集管的設(shè)計(jì)并且改善氣體流動(dòng)。圖11和圖12圖解說(shuō)明的是許多方法之一，其中幾個(gè)電池12 (在這個(gè)示例中是三個(gè)電池)可并排構(gòu)成在晶片14上而形成電 源片15。電源盤(pán)可以相互垂直向上堆疊，來(lái)構(gòu)成帶有分別與氫和 氧源連4妄的llT入口 50HI, 50OI的垂直的柱狀物。晶片的垂直柱 狀物和在晶片的垂直柱狀物中構(gòu)成的電源片包括電源組(93 )。圖12圖解說(shuō)明的是堆疊若干電源盤(pán)15是如何用來(lái)構(gòu)成帶有 可只見(jiàn)功率的電源組(93)的。"堆疊" 一詞的〗吏用是由于它建i義緊 密才妻近晶片，以實(shí)現(xiàn)縮短電連4妻和減小的管i 各系統(tǒng)。實(shí)際上，堆 疊實(shí)際涉及結(jié)合晶片的電能以構(gòu)成更加強(qiáng)大的單元。它們僅僅需 要電學(xué)上的堆疊來(lái)實(shí)現(xiàn)它的結(jié)合。然而，在最小的空間內(nèi)產(chǎn)生最 大數(shù)量的電力并且擁有最高的功效是所希望的。當(dāng)考慮到最短的 電連接(電源總線)替換時(shí)，也應(yīng)該考慮到^使用兩個(gè)主匯集管作 為電氣電源總線的可能性。這可以通過(guò)電學(xué)上隔離這些匯集管/ 電氣電源總線段并且使用它們從一 個(gè)晶片到另 一個(gè)晶片傳送電力 來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣減少了大的電源接線需求并且允許這 一 作用在增長(zhǎng) 的準(zhǔn)確性和可靠性同時(shí)通過(guò)自動(dòng)的方式完成。理想的匯集管設(shè)計(jì)將允許電源盤(pán)的堆疊。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，實(shí)用的匯集管95將被分段構(gòu)成，每段都是蓋子40的一個(gè)完整部 分。當(dāng)盤(pán)被堆疊起來(lái)，匯集管(管路)也就形成了。這種類(lèi)型的 i殳計(jì)將大大地減少外部管^各系統(tǒng)的需求。特殊的末端罩將在電源 組的末端完成匯集管?？傊?，本發(fā)明的一個(gè)主要的目的是能夠利用類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo) 體晶片加工方法大量生產(chǎn)由晶片IO組成的電源片15，在每個(gè)電 源片15包含多個(gè)電池12。這一工藝原本就支持非常小的部件結(jié) 構(gòu)。反過(guò)來(lái)，這些部件結(jié)構(gòu)(電池)預(yù)期產(chǎn)生單位電池非常小量 的電能。各個(gè)電池都將被設(shè)計(jì)成材料能夠支持的最大電能。為獲 得任何有效的實(shí)際電能，數(shù)百萬(wàn)個(gè)電池將被構(gòu)造在單個(gè)電源片15 上并且許多電源片15被構(gòu)造在"電源盤(pán)，，(半導(dǎo)體晶片10)上。 這就是為什么適當(dāng)?shù)墓β蔿lr出可以乂人單個(gè)晶片獲得。10juMx 10 juM的電池<吏4尋在每平方厘米的面積上含一百萬(wàn)個(gè)電池成為可 能。最終的電池布局將由組成物質(zhì)的物理性質(zhì)和它們的特征決 定。固體聚合物氫燃料電池的基本電化學(xué)反應(yīng)在大約80到100 。C之間的工作溫度下有最大效率。這在 一般象硅一樣的半導(dǎo)體襯 底的工作范圍之內(nèi)。然而，如果晶片都堆疊，可能會(huì)要求另外的 散熱裝置。既然不管怎樣都需要有罩，可以合理的把蓋子40制 成散熱片用來(lái)增加安全系數(shù)。
燃料和氧化劑/產(chǎn)物槽道都被蝕刻在半導(dǎo)體襯底的表面。這些凹槽都有三個(gè)側(cè)面頂部一側(cè)必須^皮蓋上并密封。蓋子40纟是供這樣的作用。它被涂上粘合劑以在結(jié)合到半導(dǎo)體襯底上并完成槽道 時(shí)形成密封。這樣就半導(dǎo)體襯底的表面上形成了燃料供應(yīng)和氧化 劑基質(zhì)床及水的移去的槽道。電池的兩個(gè)主要的槽道都通過(guò)結(jié)合到同樣的粘合劑的PEM彼此隔開(kāi)。這樣，消除了對(duì)任何纟鼓粒臨 界調(diào)整的要求。等同物雖然本發(fā)明通過(guò)參照它的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)4亍了詳細(xì);也展示 和描述，〗旦是所屬領(lǐng)域的普通^支術(shù)人員將會(huì)理解在形式和細(xì)節(jié)上 不同的改變也可以制造出來(lái)而不用脫離本發(fā)明附加4又利要求書(shū)的范圍。例如，雖然石圭因?yàn)樗鞔_確定的電學(xué)和才幾4戒4爭(zhēng)4i而成為襯底14的選4奪材料，^旦其他半導(dǎo)體材料也可以作為替代物，因 此，例如Gd， Ge,或者III-V化合物例如GaAs可作為替代物。 另 一方面，用來(lái)做電池的襯底也可以由非晶體的材料例如玻璃或 者是塑料，或者是酚醛塑料構(gòu)成；在某些情況下，電池的控制可 以在單獨(dú)的半導(dǎo)體模上構(gòu)成并且與電池保持電連接以形成雜合層(SAM)接觸面，然而，其他的金屬例如銀或者是柏，也可以 用作替代。同樣地，雖然PEM是許多由分子鏈構(gòu)成的，但是優(yōu) 選的都帶有對(duì)金親合力的基礎(chǔ)，以便將其被結(jié)合到金的SAM結(jié) 構(gòu)上。此外，其他純金屬例如鉑和銀也可以替代。SAM的替換 催化劑也是有可能的。這樣的催化劑和PEMs可能通過(guò)犧牲才莫4壽 造或者是沉積和蝕刻凈皮應(yīng)用在4t底上。
權(quán)利要求
1.一種操作電源電池的方法，該方法包括通過(guò)連接到多個(gè)電源電池的至少子集上的至少一個(gè)電氣元件的電控制，動(dòng)態(tài)地控制多個(gè)電源電池中在多個(gè)電源電池中的電源電池的至少子集的電能的產(chǎn)生來(lái)響應(yīng)燃料和氧化劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中至少一個(gè)電氣元件是以被配置 成串聯(lián)或并行連接電池電源的排列方式連接到電源電池上 的多個(gè)開(kāi)關(guān)，其中動(dòng)態(tài)控制電能的產(chǎn)生包括打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)以4空制多個(gè)電源電池總計(jì)的豐lr出電壓、電流或者電壓和電流 兩者。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中動(dòng)態(tài)控制電能的產(chǎn)生包括以閉 環(huán)方式將電能的產(chǎn)生控制成多個(gè)電源電池可能的物理才喿作 狀態(tài)范圍內(nèi)的任意操作狀態(tài)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括監(jiān)控多個(gè)電源電池的電 能輸出，并反饋電能的表示以控制至少一個(gè)電氣元件從而調(diào) 整多個(gè)電源電池的電能輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括感應(yīng)負(fù)載的電能牽引， 反饋該電能牽引的表示，并動(dòng)態(tài)地將電能的產(chǎn)生控制到足夠 的量以支持電能牽引，但是比沒(méi)有反饋電能牽引的表示的電 能的產(chǎn)生具有減少的過(guò)量電能。
全文摘要
在此公開(kāi)的燃料電池是在半導(dǎo)體晶片上構(gòu)成的，燃料電池是通過(guò)在晶片上構(gòu)造槽道并在蝕刻的槽道上構(gòu)造質(zhì)子交換膜PEM隔離層而構(gòu)成。該隔離層將槽道分為兩部分。氫燃料被導(dǎo)入其中的一個(gè)分割出的槽道而氧化劑被導(dǎo)入另一個(gè)槽道。氫與槽道內(nèi)的氫一側(cè)的陽(yáng)極上形成的催化劑起反應(yīng)釋放出氫離子(質(zhì)子)，釋放出的氫離子(質(zhì)子)被吸收進(jìn)入PEM。質(zhì)子穿過(guò)PEM遷移并且與在PEM的氧一側(cè)的陰極上返回的氫的電子和氧重新結(jié)合形成水。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101118974SQ20071015270
公開(kāi)日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月24日
發(fā)明者斯蒂芬·A·馬莎 申請(qǐng)人:集成燃料電池技術(shù)公司