燃料电池和薄膜制造技术

燃料电池和膜。本发明专利技术包含燃料电池（１００），用于燃料电池的多孔材料（１０６）以及制造方法，在优选的实施例中，多孔材料是一种蚀刻和阳极化处理的硅基电极，本发明专利技术还包含对材料进行压印和模制的方法，本发明专利技术还包含加速试验设计的组合步骤。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术基于申请日为1999年5月6日名称为“以平面集成电极为基础的微型燃料电池”的美国专利申请U.S.60/132,909，以及结合参考附图的说明书。按照由美国能源部签订的合同NO.DE-AC04-94AL86000规定，政府对所述专利技术具有特定的权利。在本专利技术的实施例中，燃料电池包含至少蚀刻处理的，导电的，多孔的至少包含一电极的薄膜，其中所述的薄膜可以人为地至少选择一层。在优选的实施例中，所选择的至少一层包含至少一介电层和至少一导电层，所述导电层至少包含选自由金，铝，铂组成的一种材料和一种导电的有机材料。在一优选的实施例中，本专利技术的燃料电池至少包含一种催化剂。在一优选实施例中，本专利技术的燃料电池至少包含一个用于支撑薄膜的支撑衬底，而所选用的衬底至少包含一燃料流路。本专利技术还包括制作蚀刻的多孔薄膜的方法，该方法包含下述步骤提供一支撑衬底；在支撑衬底上形成一薄膜；在薄膜内蚀孔；以及最好还包含蚀刻支撑衬底的步骤；最好使薄膜包含至少一层选自由至少一导电层和至少一介电层组成的组合层。本专利技术还包含一种燃料电池的实施方式，该方式包含蚀刻和阳极化处理的硅-基，多孔电极，并且最好还包含至少一催化剂。本专利技术包含制做硅-基多孔电极的方法，所述的方法为提供一硅-基衬底；至少蚀刻所述硅-基衬底的一侧面；对所述的硅-基衬底阳极化，由此在所述硅-基衬底内形成孔。本专利技术包含使衬底凸饰的方法，该方法包含下述步骤提供一支撑衬底；在支撑衬底上形成一薄膜；对薄膜形成特征图形；提供第二支撑衬底；将薄膜的凸饰图形形成在第二衬底内；最好所形成的图形包含至少由将材料添加到薄膜和从薄膜除去材料的步骤。本专利技术包含制做模件的方法，该方法包含下述步骤提供硅衬底；对硅衬底形成图形；将硅衬底与可形变的材料接触，由此将图形赋予可形变的材料，最好所述的形成图形步骤至少包含从由将材料加到薄膜以及从薄膜除去材料组成的组合中选择的步骤。本专利技术还包含组合的实验方法，该方法包含下述步骤提供制做燃料电池的材料，其中所述的材料包含一硅衬底；在硅衬底上制作多个燃料电池；测试燃料电池。在一优选实施例中，本专利技术的燃料电池能够在高温下操作，例如温度大于约100℃。在本专利技术的一个优选实施例中，阳极和阴极电极包含不同的表面积，该表面积可以按照需要补偿燃料特性。本专利技术的一个主要的目的是为满足小型和耐久的燃料电池的需要。本专利技术的主要特点是与传统的燃料电池相比较具有结构紧凑性和耐用性。本专利技术的其它目的，优点，新的特性和应用范围一部分将由下述的说明并结合附图予以详细地描述，而其它部分将由本领域的技术人员通过下述的审查或者通过本专利技术的实践清楚地得到了解。本专利技术的目的和优点可以借助各种指导和尤其在权利要求中指出的内容予以实现和获得。附图作为说明书的一部分说明本专利技术的多个实施例，它与说明书一起说明本专利技术的原理。而附图只是起到说明本专利技术优选实施例的目的，它并不构成对本专利技术的限制。附图说明图1a表示用于能量产生的燃料电池；图1b表示电解电池的示意图；图2a表示包含电解质的质子导电体的示意图；图2b表示支撑催化剂的粒子的示意图；图3表示电池电压与电流密度的关系图；图4表示本专利技术的平面燃料电池的优选实施例的示意图；图5表示本专利技术的平板燃料电池的优选实施例的截面图；图6a表示本专利技术的电极列阵的优选实施例的示意图；图6b表示本专利技术的电极列阵的优选实施例的示意图；图6c表示本专利技术的电极列阵的优选实施例的示意图；图7表示本专利技术的双极电池的优选实施例中的示意图；图8表示本专利技术的燃料电池的优选实施例中的截面视图；图9表示本专利技术的优选实施例的流路的平面截面视图；图10表示本专利技术的优选实施例的燃料电池的平面视图；图11表示本专利技术优选实施例的多个燃料电池的平面视图；图12a表示按照本专利技术优选实施例的平板印刷过程的示意图；图12b表示按照本专利技术优选实施例的平板印刷过程的示意图；图13表示按照本专利技术的优选实施例的蚀刻硅片的电子显微照相平面视图；图14a表示按照本专利技术的优选实施例的蚀刻硅片的电子显微照相平面视图；图14b表示按照本专利技术的优选实施例的蚀刻硅片的电子显微照相平面视图；图15表示按照本专利技术的优选实施例的部分电极列阵的平面视图；图16表示按照本专利技术的优选实施例的阳极化硅膜的电子显微照相平面视图；图17表示按照本专利技术的优选实施例的燃料电池的极化曲线图。具体实施例方式本专利技术包含燃料电池以及用于所述燃料电池的新型膜。一优选的实施例包含一新型的多孔的薄膜层，而另一实施例包含通过蚀刻硅片形成的多孔层。下面将详细描述所述的“硅片膜”实施例和“薄层膜”实施例。本专利技术的燃料电池可以采用各种不同的构成形式。这种构型包括双极和平面构型。通常，双极构型包含一设置在阳极和阴极之间的质子迁移材料，而平面构型包含一层至少具有阳极和阴极的质子迁移层。双极构型包含一夹层结构，而平面构型可以包含一夹层结构。双极构型包含至少两个硅片，而平面构型包含至少一个硅片。例如，在一优选的平面构型燃料电池的实施例中，单个硅片包含提供氢和氧燃料用的流路。在另一个平面构型的实施例中，通过利用至少两个硅片来构成氢和氧流路或者其它燃料的流路。在一优选实施例中，平面构型的燃料电池包含一多孔的薄层膜。所述的薄层膜包含，例如由蚀刻方法形成的孔。所述的膜还包含金和铂，其中金用作导电材料，而铂用作催化剂。在所述的实施例中，使用掩模可以有选择地将金镀到薄膜区域，而使用另一掩模可以有选择地将铂镀到薄膜的被金覆盖的区域。所述的薄膜有选择地包含至少一阳极和至少一阴极。当然，对于双极燃料电池，薄膜可以按需要包含至少一阳极和/或至少一阴极。在一优选实施例中，本专利技术的燃料电池包含至少一多孔的硅膜。按照本专利技术，所述的多孔的硅膜通过在例如硅片的第一侧进行蚀刻的方法加工，在硅片上沉积了碳化硅薄膜层，对硅片进行蚀刻，暴露导电的硅，而第二侧利用Bosch反应离子蚀刻的方法进行蚀刻，但是不限于该方法。所述的第一侧包含深度约为1微米的蚀刻，而第二侧包含的蚀刻深度在第一侧的50微米内。利用多孔硅的阳极化处理使暴露的硅形成多孔。最后位于第一和第二侧之间的约50微米的多孔硅区包含一多孔膜。所述的膜是可以使用例如催化剂镀层的。在一优选实施例中，利用燃料通过两个镀铂的多孔硅片膜流动形成燃料电池，其中在两个镀铂的多孔硅片膜之间夹有质子导电层。如图1所示，用于燃料电池的双极器件包含夹在阳极42和阴极44之间的电解质层46。所述器件40通常以两种方式工作燃料电池方式和电解方式。在燃料电池工作方式中，能量可以作为阳极42和阴极44之间的电势获得。在电解方式中，消耗水和能量而产生氧和氢。在电解方式中，将能量加到阳极42和阴极44之间。在上述的任一方式中，需要考虑成分的扩散和/或传送。本专利技术不限于氢气和氧气燃料；而甲醇和其它的燃料(固体，气体和/或液体)也在本专利技术的范围内。图2a和2b表示水，氢和氧的扩散示意图。图2a表示电极60的截面视图，而图2b表示在单个粒子周围的扩散。如图2a所示，支撑铂催化剂64的碳层位于膜66的表面。在该特例中，膜66包含一种高氟化树脂NAFION的材料(E.I.Du Pont de Nemours，Delaware-a porous plasticmaterial)，它允许氢原子(质子)通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其中至少包含一经蚀刻处理的，导电的，多孔的薄膜层，所述的膜层包含至少一电极。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：托姆克列司纳，阿兰P希尔惠司脱，盖尔N列巴，托马斯E席伯良，斯坦利克拉维茨，安德罗黑克特，
申请(专利权)人：三帝公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]