形成微型燃料电池的方法技术

提供了一种制作燃料电池的方法，该方法仅需要前侧对准技术来制作气体进入孔。该方法包括蚀刻基板（１２）的前侧以提供沟道（２４、２６），以及在基板的前侧上形成基座（５４、８８），其中该基座（５４、８８）包括限定与沟道（２４、２６）对准的燃料区域（６８、１０２）的阳极侧（５６、８９）。电解质（４６、９６）布置在阳极侧（５６、８９）和阴极侧（５８、９０）之间，以及燃料区域（６８、１０２）覆盖有绝缘体（６６、９８）。从后侧去除基板（１２）的一部分以暴露沟道（２４、２６）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及燃料电池，更具体地涉及一种制作微型燃料电池并向该微型燃料电池提供气体进入的方法，该方法仅需要前侧对准和处理。
技术介绍
可再充电蓄电池目前是蜂窝式电话和各种其他便携式电子器件的主要电源。储存在蓄电池中的能量是有限的。它由储存材料的能量密度(Wh/L)、其化学性质和蓄电池的体积决定。例如，对于具有250Wh/L能量密度的典型的Li离子蜂窝式电话蓄电池来说，10cc蓄电池将储存2.5Wh的能量。根据使用，能量能够维持几小时至几天。再充电总是需要接入到电插座。有限的储存能量的量和频繁再充电是与蓄电池有关的主要麻烦。因此，需要一种用于蜂窝式电话电源的持续更长时间、容易再充电的解决方案。实现该需要的一种手段是具有带有可再充电蓄电池的混合式电源和对蓄电池涓流充电的方法。对于用于对蓄电池再充电的能量转换装置的重要考虑包括功率密度、能量密度、尺寸以及能量转换效率。诸如太阳能电池、利用环境温度波动的热电发电机及利用自然振动的压电发电机的能量获取方法是对蓄电池涓流充电的非常有吸引力的电源。然而，由这些方法产生的能量小，通常仅为几毫瓦。在感兴趣的模式中，即几百毫瓦，这指示需要大体积来产生充足的功率，使得它对于蜂窝式电话类型应用不具有吸引力。可替选的手段是输送高能量密度燃料并以高效率将该燃料能量转换成电能以对蓄电池再充电。正在研究具有高能量密度的放射性同位6素燃料用于便携式电源。然而，就该手段而言，功率密度低并且还有与放射性材料有关的安全问题。这对于遥感器型应用来说是有吸引力的电源，但是对于蜂窝式电话电源来说却不是。在各种其他能量转换技术中，最有吸引力的技术是燃料电池技术，因为其能量转换效率高并且展示出具有高效率的小型化的可能性。具有主动控制系统的燃料电池和能够在高温下工作的燃料电池是复杂的系统，并且非常难以小型化至蜂窝式电话应用所需的2-5cc体积。这些燃料电池的示例包括主动控制直接甲醇或甲酸燃料电池(DMFC或DFAFC)、重组氢燃料电池(RHFC)以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。被动呼吸空气式氢燃料电池、被动DMFC或DFAFC以及生物燃料电池对该应用来说是有吸引力的系统。然而，除了小型化问题之外，其他担心包括针对氢燃料电池的氢的供应、针对被动DMFC和DFAFC的寿命和能量密度以及针对生物燃料电池的寿命、能量密度和功率密度。传统DMFC和DFAFC设计包括每个电池的平坦的堆叠层。然后可以将各个电池堆叠起来以实现更高的功率、冗余和可靠性。这些层通常包括石墨、碳或碳复合物、聚合材料、诸如钛和不锈钢的金属以及陶瓷。通过通孔在周围限制堆叠层的功能区域，该通孔用于将结构拧紧在一起并且沿着电池和在电池之间容纳燃料和氧化剂的通道。另外，平坦的、堆叠的电池仅从横截面区域(x和y坐标)中的燃料/氧化剂交换得到功率。为了设计体积与典型的移动装置蓄电池(10cc-2.5Wh)相同的燃料电池/蓄电池混合式电源，将需要具有高功率密度和效率的较小蓄电池和燃料电池两者以达到比单独蓄电池的能量密度更高的总能量密度。例如，对于满足电话最高要求的4-5cc (1.0-1.25Wh)蓄电池来说，燃料电池将需要安装在l-2cc中，燃料占据其余的体积。燃料电池的功率输出需要为0.5W或以上，以便能够以合理的时间对蓄电池再充电。7大多数对于小型燃料电池的研制活动是尝试使传统燃料电池设计小型 化，得到的系统对于移动应用来说仍然太大。很少的微型燃料电池研 制活动已经公开了将传统硅处理方法用于平坦燃料电池构造，在少数 几种情况下，采用多孔硅来增加表面面积和功率密度。例如参见US专利/公布号2004/0185323、 2004/0058226、 6541149和2003/0003347。然 而，呼吸空气式平坦氢燃料电池的功率密度典型地为50-100mW/cm2。 产生500mW将需要5cn^以上的活性面积。此外，单个燃料电池的工 作电压是在0.5-0.7V范围中。需要将至少四至五个电池串联连接以使 燃料电池工作电压达到2-3V并且用于有效的DC-DC转换达到4V，以 便对Li离子蓄电池充电。因此，传统平坦燃料电池手段在用于蜂窝式 电话用途的燃料电池/蓄电池混合式电源中将不能满足燃料电池体积为 l-2cc的要求。在微制造的燃料电池中，通常氢的供应通过穿过基板后侧的蚀刻 孔来提供。就如在2004/0185323 、 2004/0058226 、 6541149和 2003/0003347中所述的堆叠结构而言，孔的对准不是关键的，因为所 有孔都到达阳极。然而，对于具有在基板的相同的面中设置的任何阳 极和阴极的3-D燃料电池而言，提供氢进入的孔的对准却是关键的。因此，希望提供一种集成的微型燃料电池设备，该设备从具有增 加的表面面积的三维燃料/氧化剂交换中获得功率并且仅需要前侧对准 和处理。在任何典型的聚合物电解质燃料电池中，与阴极侧的氧还原 反应相比，阳极侧的氢氧化反应的动力学更快。希望提高这两种反应 速率，但是具体地希望通过增加催化活性或通过提供更高的反应表面 面积来提高氧反应速率。此外，结合附图和本专利技术的
技术介绍
，从随 后的本专利技术的具体实施方式和所附的权利要求，使本专利技术的其他所期 望的特征和特性变得显而易见。
技术实现思路
提供了一种制作燃料电池的方法，该方法仅需要前侧对准技术来制作气体进入孔。该方法包括蚀刻基板的前侧以提供多个沟道，以及 在基板的前侧上形成多个基座，其中每个基座包括限定与沟道之一对 准的燃料区域的阳极侧。电解质布置在阳极侧和阴极侧中的每个之间， 并且每个燃料区域覆盖有绝缘体。从后侧去除基板的一部分以暴露沟 道。附图说明将在下文中结合下列附图来描述本专利技术，其中同样的附图标记表 示同样的元件，及图1-6和9-13是根据示例性实施例制作的两个燃料电池的局部横 截面图1-4、 7-13是根据第二个示例性实施例制作的燃料电池的局部横 截面图14是沿着图13的线12-12截取的局部截面顶视图； 图15-21是根据另一个示例性实施例制作的两个燃料电池的局部 横截面图；以及图22是沿着图21的线22-22截取的局部截面顶视图。具体实施例方式下面的具体实施方式实际上仅是示例性的并且不旨在限制本专利技术 或本专利技术的应用和用途。此外，不旨在受前面的
技术介绍
或下面的具 体实施方式中存在的任何理论束缚。微型燃料电池装置的主要构成是分隔阳极和阴极区域的反应物气 体的质子传导电解质、有助于在燃料电池的阳极和阴极处的气体种类 的氧化和还原的电催化剂、用以向阳极和阴极提供均匀的反应物气体 进入的气体扩散区域以及用于有效收集电子并且将电子传输到连接在燃料电池上的负载的集流体。其他可选的构成是有助于改善性能的与 电催化剂混合的离聚物和/或用于电催化剂颗粒的导电载体。在微型燃 料电池结构的制作中，电解质和电催化剂的设计、结构和处理对于高9能量和功率密度及改善的寿命和可靠性是关键的。在此描述了改善微 型燃料电池的表面面积的方法，导致提高的电化学接触面积、小型化 的高纵横比三维燃料电池以及仅需要前侧对准和处理的简化集成和处 理方案。三维燃料电池被集成为多个微型燃料电池。制作微型燃料电 池的一种已知的方式并入了在顶表面上形成燃料电池结构和在阳极下 方精确地从后侧蚀刻硅以提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作燃料电池的方法，该方法包括：　　蚀刻基板的第一侧以限定沟道；　　在所述基板的第一侧上形成基座，所述基座具有限定与所述沟道对准的燃料区域的阳极侧，以及阴极侧；　　将电解质布置在所述阴极侧和所述阳极侧之间；　　用绝缘体覆盖所述燃料区域；以及　　从第二侧去除所述基板的一部分以暴露所述沟道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制作燃料电池的方法，该方法包括蚀刻基板的第一侧以限定沟道；在所述基板的第一侧上形成基座，所述基座具有限定与所述沟道对准的燃料区域的阳极侧，以及阴极侧；将电解质布置在所述阴极侧和所述阳极侧之间；用绝缘体覆盖所述燃料区域；以及从第二侧去除所述基板的一部分以暴露所述沟道。2. 根据权利要求l所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括执行深反 应离子蚀刻。3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括提供具有 直径为5至20微米的沟道的蚀刻。4. 根据权利要求2所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括提供具有 纵横比为1:10的沟道的蚀刻。5. 根据权利要求2所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括提供具有 最小特征尺寸为IO微米的沟道的蚀刻。6. 根据权利要求l所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括执行电化 学蚀刻。7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括提供具有 深度为5至200微米的沟道的蚀刻。8. 根据权利要求6所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括提供具有 纵横比为1:100的沟道的蚀刻。9. 根据权利要求6所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括提供具有最小特征尺寸为1.0至5.0微米的沟道的蚀刻。10. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括用材料覆盖所述沟 道以防止随后的步骤填充所述沟道。11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述形成步骤包括在所述基 板的第一侧上方构图固体质子传导电解质，以限定由所述固体质子传 导电解质分隔的所述阳极侧和所述阴极侦'J 。12. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述形成步骤进一步包括 用电催化剂来涂覆所述阳极侧和所述阴极侧，其中所述阳极侧限定燃 料区域，以及所述阴极侧限定氧化剂区域。13. 根据权利要求l所述的方法，其中所述形成步骤包括在所述基板的第一侧上构图多孔的金属层，以限定由空腔分隔的所述阳极侧和所述阴极侧；以及用质子传导电解质材料来填充所述空腔。14. 根据权利要求l所述的方法，其中所述形成步骤包括 在所述基板的第一侧上沉积多金属层；蚀刻所述多金属层中的至少一种金属，由...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕维特S曼加特，约翰J蒂乌尔索，乔达里R科里佩拉，拉姆库玛尔克里什南，
申请(专利权)人：摩托罗拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]