集成燃料电池及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池，其中，活性叠层（５、６、７）放置在薄导电层（２９）上，该薄导电层由具有气体供应横向通道（２５）的板（２１）支撑，其中所述薄层凸出到每个通道前面的活性叠层中，并且可透过所述气体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种燃料电池及制造一种集成燃料电池的方法。
技术介绍
图1表示通过微电子技术形成的集成燃料电池的示例。上述电池形成在由第一薄绝缘层2和第二厚绝缘层3覆盖的硅晶片l形成的支撑晶片上。在绝缘 层3的一部分上形成开口。支撑层4、催化层5、电解质层6和第二催化层7 相继沉积在上述开口。所有上述层形成活性叠层8。第一绝缘层2上的电极10 与燃料电池底面一侧的支撑层4接触。第二绝缘层3中的开口 ll接近电极lO。 上电极12与上催化层7接触。电极10和12具有开口，且通道13形成在相对 下金属化表面中的开口的硅晶片1中。下电极IO和上电极12分别形成阳极集 电体和阴极集电体。电解质6例如是聚合物酸，例如固体形式的Nafion,催化层例如是碳基和 铂基层。这些只是实施例中的示例。根据图l形成的各种类型的燃料电池是现 有技术公知的。为操作燃料电池，将氢气沿下表面一侧的H2箭头注入，空气(承载氧气) 注入上表面一侧。氢气在催化层5 "分解"， 一方面，形成直接朝向电解质6的 f质子，另一方面，形成直接通过电池外面朝向阳极集电体10的电子。IT质 子穿过电解质6到达催化层7，在此他们与通过阴极集电体来自电池外的氧和 电子重组。公知的形式为具有这样的结构正电压在阴极集电体12 (在氧侧) 上获得，而负电压在阳极集电体IO (在氢侧)上获得。上述类型的燃料电池的缺点在于发生在氣气入口通道13的开口水平的现 象。代替发生在的下催化层5的整个表面的交叉处的反应的现象，这些反应似乎实际上仅发生在上述表面的一部分上，实质上为对应氢气入口通道所占据的开口的表面。也就是说，上述类型的电池的效率由于可以预期的因素2和3降 低。可以认为这是由于以下事实造成的，即支撑层4至少部分穿透到通道，且 催化层5仅与通道13开口处的氢气接触。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种新型的集成燃料电池结构，可以改进每单位表面积的电化学效率。本专利技术的另 一 目的是提供一种制造上述燃料电池的方法。 本专利技术的另一目的是提供具有上述简单结构的燃料电池。 为达到上述目的，本专利技术提供一种在薄导电层上具有活性叠层的燃料电池，在晶片上形成有气体入口通道，薄导电层凸出到每个通道前面的活性叠层中，并且所述气体可透过。根据本专利技术实施例，薄导电层是金层。根据本专利技术实施例，燃料电池的各种活性层遵循薄导电层凸出的轮廓。 本专利技术还提供一种制造燃料电池的方法，包括提供支撑晶片的步骤；在支撑晶片的第一表面形成非贯通通道；用第一材料覆盖所述通道；在晶片第二表 面形成凹槽，上述凹槽暴露第一材料的底端；在第二表面上沉积能通过氢的导 电材料薄层；去除至少在导电材料薄层下面的上述材料的第一层；并在所述凹 槽形成可以形成具有可容纳氢气的底表面的燃料电池的叠层。 根据本专利技术的实施例，所述叠层的材料由喷墨方法沉积。附图说明下面将参考联系附图的具体实施例的非限制性说明，详细讨论前述的及其 它本专利技术的目的、特点和优点。 图l是公知燃料电池的截面图2A至2E是说明制造根据本专利技术的燃料电池的相继步骤的截面图；以及图3至7说明本专利技术实施例。具体实施例方式为了清楚地说明，通常在集成电路的表达中，多个截面中的元件都不是按 比例放缩的。图2A至2E是说明制造根据本专利技术的燃料电池相继步骤的简化截面图。在 上述制造过程中，由支撑晶片开始。为简化本专利技术的说明，将考虑支撑晶片由 硅制成的情况，但也会考虑由现有技术中各种材料制成的情况，其导致相关方 法的选择的相应适应性，特别是蚀刻方法，以及绝缘材料的选择。由此，图2A表示覆盖在具有保护层22和23的上和下(或前和后)表面 的硅晶片21。蚀刻后表面一侧上的保护层23来形成开口。通过各向异性的蚀 刻方法，例如等离子蚀刻，根据这些开口形成的形状，形成通道25。在图2B所示的下一步骤中，材料26沉积在通道25上以覆盖他们的壁和 底或把他们完全填满，如图所示。在以后可以看到，这些材料应选自相对于硅 和金属是可选择性蚀刻的材料。在本专利技术的应用实施例中，覆盖层26由通过热 生长法获得的硅氧化物层形成。保护层22和23也可以由硅氧化物制成，例如 通过沉积得到。在图2C所示的步骤中，开口形成在上保护层22中，凹槽28蚀刻在晶片 21前表面中。凹槽28足够深，能够延伸超出覆盖有层26的通道25的底部。 蚀刻步骤不蚀刻层26的材料，因此，保留凹槽28底部的层26的材料的凸起。 根据上述制造方法，这些凸起的形状根据等离子蚀刻的通道底部的形状而各不 相同。例如，这些凸起有圆盖形状的。如图2D所示步骤，金属层或合金层沉积在结构的上表面，其厚度足够可 以良好地导电，且薄厚使得氢气可以穿过。例如可以选择厚度为500nm的金层。然后，如图2E所示的步骤，层26的材料被去除，至少在通道25底部的 部分被去除，其中上述层被导电层29覆盖。金层29的凸起30被保留。作为大小的一个例子，应该注意到，支撑晶片21如果是硅晶片，厚度可为300至500微米之间，通道25可以是直径为40至50微米的环形孔，并具有40 至50微米的台阶(step)，通常穿孔区域表面积为lcm2。金层29的凸起30高 度为10到20微米。由图2E中的结构开始，形成相关附图l表示活性叠层8的沉积，很明显， 在上述叠层中，支撑层4不是必要的。实际上，上述支撑层的目的为避免第一 催化层5的材料回到通道。上述金凸起30的凹凸形状，可以是凸出的，导致氢 气离开通遒23向上、向侧边更好地分散在下催化剂层中。图3至7表示了形成活性叠层8的各种不同的方法。在这些图中，支撑晶 片指定的附图标记为21，通道指定的附图标记为25，氢气可穿透的薄导电层指 定的附图标记为29,第一催化层指定的附图标记为5，电解质层指定的附图标 记为6,第二催化层指定的附图标记为7,氧气可穿透的上电极指定的附图标记 为31。在图3的实施例中，第一催化层5沉积形成以具有基本平坦的上表面。电 解质层6沉积形成以具有基本恒定的厚度(正投影沉淀)，且第二催化层7仅沉 积在正投影沉淀形成的催化层6的凹处的中央。绝缘体32形成在第一导电层 29与第二导电层31有接触风险的地方。图4表示本专利技术的第二实施例，其中活性层5、 6和7的沉积均为正投影沉 淀。在上述实施例中，上催化层与第一电极29不接触。图5表示另一正投影沉淀实施例，其中上金属化层与凹槽28边缘接触，因 此有与下电极29短路的风险。为避免上述短路风险，绝缘层32沿形成活性层 的凹槽28的侧壁延伸。根据本专利技术的一个方面，材料层5、 6和7的沉积可以通过喷墨形成，现有 技术提供的图案尺寸在几十微米范围，其可以与根据本专利技术的电池的基本尺寸 兼容，正如先前所示，孔的直径在大约50微米。图4和5中的改变是为了增加各种活性层之间以及催化层和氢气和氧气入 口区域之间接触的表面积，以增加有关电池的效率。图6和7中的实施例使用图5中的结构并添加了纳米管，例如，在电池的上下表面添加了碳纳米管，特别是在通道25中。 一方面，提供上述具有碳纳米 管的衬垫可以改进结构中由于纳米管疏水特性产生的水管理，另一方面，可以 改进燃料电池核心的由于纳米管的低热阻产生的热管理。在图7的实施例中，凹槽形成在相对穿孔区域的下晶片表面。在上述实施 例中，这些凹槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，在薄导电层（２９）上具有活性叠层（８），在晶片（２１）上形成有气体入口通道（２５），薄导电层凸出到每个通道前面的活性叠层中，并可以透过所述气体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M罗伊，法比安皮埃尔，
申请(专利权)人：意法半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[]