專利名稱：硅基平面型燃料電池組及其制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種燃料電池，具體地說是一種硅基平面型燃料電池組。
本發明也涉及這種燃料電池的制作方法。
背景技術：
燃料電池(Fuel Cell，FC)是一種利用化學能直接轉化為電能的發電裝置，與傳統發電方式比較之下，燃料電池具有低污染、低噪音、高能量密度以及較高的能量轉換效率等優點，是極具未來前瞻性的干凈能源，可應用的范圍包括便攜式電子產品、家用發電系統、運輸工具、軍用設備、太空工業以及大型發電系統等各領域。
燃料電池的運作原理依據種類的不同會有些許差異，以直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)為例，甲醇水溶液在陽極催化層進行氧化反應，產生氫離子(H+)、電子(e-)以及二氧化碳(CO2)，其中氫離子可以經由質子交換膜傳遞至陰極，而電子則經由外部電路傳輸至負載做功之后再傳遞至陰極，此時供給陰極端的氧氣會與氫離子及電子于陰極催化層進行還原反應并產生水。
燃料電池主要由陽極極板、膜電極(Membrane Electolyte Assembly)和陰極極板構成。其中膜電極包括催化電極層、擴散層和質子交換膜。催化電極層是電化學反應發生的場所，起到加速電極與電解質界面上電化學反應的作用；擴散層起到支撐催化層、收集電流及傳導反應物的作用，通常由碳紙或碳布組成；質子交換膜采用固體聚合物作為電解質，起到傳遞反應離子的作用。陰、陽極雙極板起支撐、集流、分隔氧化劑與還原劑作用，而且是引導氧化劑和還原劑在電池膜電極表面流動的導電隔板。
微型燃料電池的單池輸出電壓由于其特定的電化學反應和電池尺寸而受到限制，為了達到滿足實際應用的更高電壓，必須將多個電池串聯起來構成電池組。目前燃料電池單元串聯成燃料電池組的方式主要可區分為堆棧型與平面型兩種。目前常見堆棧型燃料電池組的主要結構如圖1所示，燃料電池單元沿與極板垂直的方向重疊式的連接，其池體結構主要包括由陽極催化電極111、質子交換膜112及陰極催化電極113所組合而成的膜電極組11，作為相鄰單電池之間電性連接的雙極板12，陽極輸出端極板13和陰極輸出端極板14，以及位于膜電極組兩側的陽極流場15和陰極流場16。堆棧型燃料電池組結構復雜、占用空間大且不易組裝與大量生產。
平面型燃料電池組中各燃料電池單元沿同一平面依次并排排列，兩個相鄰燃料電池單元之間以導電材料串聯上一級燃料電池單元的陽極與下一級燃料電池單元的陰極。對于一些對電池厚度有較高要求的微型設備，平面結構的微電源系統相對于豎直結構電源系統，由于其占用豎直空間小而具有獨一無二的優勢。目前常見的平面型燃料電池組的主要結構如圖2所示，其包括多個燃料電池單元21以及串聯兩個相鄰燃料電池單元的導電結構22。燃料電池單元21主要包括由陽極催化電極2111、質子交換膜2112及陰極催化電極2113所組合而成的膜電極組211，陽極極板212和陰極極板213。陽極極板212和陰極極板213分別為燃料電池單元提供陽極流場214和陰極流場215。串聯兩個相鄰燃料電池單元的導電結構22多為采用金屬材料或其合金所制成的集流網，通過熱壓等方法使其與膜電極固著，集流網穿過兩相鄰膜電極的中間，它的一端與一膜電極的陽極相連，另一端與該膜電極相鄰的膜電極的陰極相連，采用多個集流網依次連接多個膜電極。但是上述的電性連接方式存在一些問題，如制程復雜、導電性不均勻、電性連接占用空間大和電性連接電阻大等。
發明內容本發明的目的在于提供一種電池組內單池間電性連接空間小、電性連接電阻小，能降低電池組組裝的困難度的硅基平面型燃料電池組。
本發明的目的還在于提供一種制程簡便、穩定度高、可批量化生產的硅基平面型燃料電池組的制作方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明的硅基平面型燃料電池組的組成包括由多個燃料電池單元組成的池體部分，反應物供給裝置、電能輸出裝置和固緊裝置，池體部分中的各燃料電池單元沿同一平面依次并排排列，反應物供給裝置包圍在池體部分之外，電能輸出裝置從池體部分引出穿過反應物供給裝置到達電池組外部，固緊裝置安裝在反應物供給裝置上。
本發明的硅基平面型燃料電池組是采用這樣的方法來制作的1、極板的加工a.在硅片表面熱氧化形成SiO2作為腐蝕掩膜層；c.在SiO2上面刻蝕出與各極板的掩膜版對應的幾何圖形；d.采用腐蝕液為40％的KOH溶液對硅片進行各向異性腐蝕；e.用激光打孔方式或MEMS技術的干法腐蝕或濕法腐蝕來實現共用雙極板、陽極輸出端極板背面的陽極溝道入口和陽極溝道出口的通孔；f.在硅片表面鍍金屬Ti作為過渡金屬層，然后鍍Au；g.對鍍后的硅片進行合金化恒溫熱處理，恒溫熱處理溫度360℃，熱處理時間為10分鐘；2、反應物供給裝置的加工反應物供給裝置各板件以有機玻璃為材料，通過雕刻機機械加工成板件；3、電池組的總體裝配a.將內腔上板、上隔板和外腔上板依次用粘合劑粘合到一起，保證各板的螺栓通孔對齊，使內腔上板的導流通孔與上隔板的矩形缺口位置對應；b.將池體下層的所有極板用粘合劑粘合到內腔上板，并保證極板的陽極溝道入口和陽極溝道出口與內腔上板的導流通孔對齊；c.在上層所有極板的陽極流場四周涂上粘合劑，將對應的膜電極粘合到陽極流場上；d.將內腔下板、下隔板和外腔下板依次用粘合劑粘合到一起，保證各板的螺栓通孔對齊，使內腔下板的導流通孔與下隔板328的矩形缺口位置對應；e.將池體下層的所有極板用粘合劑粘合到內腔下板，并保證極板的陽極溝道入口和陽極溝道出口與內腔下板的導流通孔對齊；f.在下層所有極板的陽極流場四周涂上粘合劑，將對應的膜電極粘合到陽極流場上；g.將陽極輸出導線和陰極輸出導線分別焊接到陽極輸出端極板和陰極輸出端極板的金層上；h.將電池組上半部分和下半部分通過螺栓通孔對齊，并利用螺栓和螺母固緊；i.用黏膠從側面密封極板間的空隙，以及陽極輸出端極板和陰極輸出端極板與內腔上、下板之間的空隙，形成密封件；j.用粘合劑將兩個內腔側板與內腔上板和內腔下板側沿粘合；k.用粘合劑將兩個外腔側板與外腔上板和外腔下板側沿粘合；l.將前板和后板粘到內腔和外腔的前、后側，并使陽極輸出導線和陰極輸出導線穿過前板和后板的中心孔；m.將氧化劑注入管和燃料注入管插入并粘合到前板的燃料入口和氧化劑出口，將氧化劑排出管和燃料排出管插入并粘合到后板的氧化劑入口和燃料出口。
本發明還可以包括這樣一些特征所述的燃料電池單元由陽極流場、陰極流場和膜電極組成，陽極流場和陰極流場分別位于膜電極的陽極側和陰極側。
所述的膜電極由陽極催化電極、質子交換膜和陰極催化電極組合而成。
其任一燃料電池單元與相鄰的燃料電池單元的陰、陽極位置顛倒，即整個膜電極所在平面的兩側，所有燃料電池單元的陰、陽極依次間隔分布。
所述的燃料電池單元的陽極流場和陰極流場由共用雙極板或輸出端極板提供。
所述的共用雙極板上含有陽極側和陰極側，分別為相鄰的兩個燃料電池單元的同一側提供一個陽極流場和一個陰極流場。
所述的共用雙極板含流場一側制備有使此共用雙極板對應的兩個相鄰燃料電池形成電性連接、以串聯上一級燃料電池單元的陽極與下一級燃料電池單元的陰極的金屬導電層。
所述的輸出端極板包括陽極輸出端極板和陰極輸出端極板，分別向池體兩端的兩個燃料電池單元提供一個陽極流場和一個陰極流場。
所述的陽極輸出端極板和陰極輸出端極板含流場一側制備有分別為整個池體部分的陽極和陰極輸出端提供電能導出的金屬導電層。
所述的陽極流場為一四周封閉的矩形區域，包括多條平行溝道及分隔各溝道的支撐梁，溝道方向垂直于燃料電池單元的串聯方向，每條溝道的兩端都有單獨的溝道入口和溝道出口，溝道入口和溝道出口由開在極板背面的通孔實現。
所述的陰極流場為一矩形區域，包括多條平行溝道及分隔各溝道的支撐梁，溝道方向垂直于燃料電池單元的串聯方向，每條溝道貫穿整個極板，在極板的兩個側邊形成兩個缺口，分別為陰極溝道提供入口和出口。
所述的反應物供給裝置由一個長方體內腔、一個長方體外腔、內腔和外腔之間的隔板以及密封件組成。
所述的反應物包括燃料和氧化劑。
所述的內腔由內腔上板、內腔下板、兩內腔側板、前板和后板封閉而成，內腔的上、下板與池體上、下兩側的極板背面緊密結合，并在與極板陽極溝道口對應位置處開有導流通孔。
所述的密封件填充于池體兩端處內腔上、下板之間的區域。
所述的內腔為氧化劑流場，通過電池組的池體及密封件的分隔而在內腔兩側分別形成氧化劑進腔和氧化劑出腔；氧化劑在氧化劑進腔中分配到所有燃料電池單元的每個陰極溝道入口，并側向流過所有陰極溝道，反應殘余物通過陰極溝道出口在氧化劑出腔中再次匯集。
所述的隔板包括上隔板和下隔板，上隔板和下隔板分別與內腔上板和內腔下板緊密結合，上、下隔板的兩側在與內腔上、下板導流通孔相對應的位置處開有矩形缺口。
所述的外腔由外腔上板、外腔下板、兩外腔側板、前板和后板封閉而成，外腔上板和外腔下板分別與上隔板和下隔板緊密結合。
所述的內腔與其所述的外腔之間為燃料流場，通過內腔和上、下隔板分隔外腔而在外腔兩側分別形成燃料進腔和燃料出腔；燃料從燃料進腔經過上、下隔板的矩形缺口，進入內腔上、下板的導流通孔，到達極板的陽極溝道入口，并側向流過所有陽極溝道；反應殘余物從陰極溝道出口，依次通過內腔上、下板的導流通孔和上、下隔板的矩形缺口在燃料出腔中再次匯集。
所述的內腔上板、內腔下板、上隔板、下隔板、外腔上板和外腔下板的兩端都各有兩個螺栓通孔，用于各板之間的位置對準及螺栓螺母固緊。
所述的電能輸出裝置為分別與陽極輸出端極板和陰極輸出端極板電性連接的導線，導線穿過反應物供給裝置的前板和后板的中心孔，將整個電池組的電能輸出端引到電池組外部。
所述的前板在燃料進腔和氧化劑出腔對應位置處還分別開有通孔作為燃料入口和氧化劑出口。
所述的后板在氧化劑進腔和燃料出腔對應位置處還分別開有通孔作為氧化劑入口和燃料出口。
本發明另提供一種平面型燃料電池組的制作方法，包括電池組極板的加工、反應物供給裝置板件的加工和電池組的封裝。其中，極板的加工包括共用雙極板、陽極輸出端極板和陰極輸出端極板的加工；反應物供給裝置板件的加工包括內腔上板、內腔下板、兩內腔側板、上隔板、下隔板、外腔上板、外腔下板、兩外腔側板、前板和后板的加工；電池組的封裝在極板、膜電極、反應物供給裝置板件、密封介質和電引出導線這些組件的基礎上，通過粘合、焊接和螺栓螺母固緊等手段實現。
本發明的效果在于1、電池組中相鄰燃料電池單元的陰、陽極位置顛倒，相鄰燃料電池單元之間的串聯通過鍍有金層的共用雙極板來實現，相鄰燃料電池單元之間的電性連接在水平面內實現，此連接方式能有效的減小電性連接部分所占用的空間及電性連接產生的電阻。
2、反應物供給腔結構，解決了電池組中陰、陽極反應物流場間隔分布所帶來的反應物供給困難的問題，實現了電池組中所有燃料電池單元燃料和氧化劑的統一供給，并保證了燃料和氧化劑流場之間的密封性。
3、可以根據不同需要來串聯不同數目的燃料電池單元，而不需改變其結構，僅改變它的尺寸即可。
4、采用MEMS微加工技術實現電池組極板的加工，其特點是精度較高，易于加工，有利于電池的微型化發展。
5、反應物供給裝置組件加工容易，反應物供給裝置對硅片極板還起到支撐作用，使硅片能承受更大的機械封裝壓力，這有效的減小了極板與膜電極之間的歐姆接觸電阻，對提高電池的性能有顯著的作用。
6、適合批量化生產。
圖1為目前常見堆棧型燃料電池組的結構示意圖。
圖2為目前常見平面型燃料電池組的結構示意圖。
圖3為本發明一較佳實施例的平面型燃料電池組的結構示意圖。
圖4為電池組的共用雙極板結構示意圖。
圖5為電池組的陽極輸出端極板結構示意圖。
圖6為電池組的陰極輸出端極板結構示意圖。
圖7為將五個燃料電池單元串聯組成的電池組池體的結構示意圖。
圖8為電池組的燃料和氧化劑供給裝置的示意圖。
圖9為電池組燃料和氧化劑供給裝置的內腔結構剖視圖。
圖10為電池組燃料和氧化劑供給裝置的外腔結構剖視圖。
圖11為顯示圖8于A-A截面的結構剖面圖。
圖12為本發明一較佳實施例的平面型燃料電池組的組裝示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述為了讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖示詳細說明。應理解的是本發明能夠在不同的樣態上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的范圍，且其中的說明及圖標在本質上當作說明的用，而非用以限制本發明。
結合圖3，本發明的平面型燃料電池組的主體為多個燃料電池單元組成的池體部分，池體部分中的各燃料電池單元31沿同一平面依次并排排列，燃料電池單元的陽極流場311和陰極流場312分別位于膜電極313的兩側，其中每一燃料電池單元與相鄰燃料電池單元的陽極流場311和陰極流場312位置顛倒，即整個膜電極平面的兩側，所有燃料電池單元的陽極流場311和陰極流場312依次交叉間隔分布。電池組相鄰單池之間的串聯通過相鄰單池間鍍有金層的共用雙極板314來實現，共用雙極板上含有陽極側和陰極側，分別為相鄰的兩個燃料電池單元提供一個陽極流場311和一個陰極流場312。這種電連接方式不需要額外的電連接部分，電連接在平面內實現，而不必穿過膜電極所在平面，這使得電連接部分占用較小的空間并產生較小的連接電阻。陽極引出端極板315和陰極引出端極板316位與電池組的兩端作為電能輸出端。燃料電池單元的膜電極的陽極一側采用Pt-Ru/C催化層，其Pt載量為4.0mg/cm2，陰極采用Pt/C催化層，其Pt載量為4.0mg/cm2，擴散層為碳布，質子交換膜為Nafion117。電池極板以硅片作為材料，極板除了作為電池陰極和陽極的流場外，還具有收集電流的作用，同時相鄰單池間的電連接也由極板實現，這要求極板的導電性必須很好。為了降低硅極板的歐姆電阻，在其表面鍍上一層金屬層Au，Au層既可以在流場內收集電流并在單池間傳導電流，還可以減小極板與MEA膜之間的接觸電阻，同時也可以作為電池的引出電極。
電池組中的相鄰單池共用雙極板314、陽極引出端極板315和陰極引出端極板316立體圖分別如圖4、圖5和圖6所示。所有極板的陽極流場311和陰極流場312圖形都是平行溝道型，并且所有陽極溝道3111和陰極溝道3121都有獨立的反應物入口和出口。陽極引出端極板和共用雙極板陽極側的所有陽極溝道入口3112和陽極溝道出口3113由極板背面的通孔實現；陰極引出端極板和共用雙極板陰極側的所有陰極溝道入口3122和陰極溝道出口3123由極板側面的缺口實現。這種流場結構使得單池內部各溝道及不同單池的溝道都相對獨立，一方面有利于反應物的均勻分布，另一方面可以有效減小因個別溝道堵塞或流阻過大對電池組總體性能的影響。
圖7所示為由五個燃料電池單元31組成的電池組池體30。池體上所有的陽極溝道入口3112和陽極溝道出口3113都在池體的上、下底面，而所有單池的陰極溝道入口3122和陰極溝道出口3123都在池體的側壁。這種結構有利于陽極燃料和陰極氧化物供給流場的分離，通過流體隔離結構使上、下面流場與側壁流場分離便可分別形成燃料供給結構和氧化物供給結構，易于實現統一的供液和供氣結構。
圖8為電池組的燃料和氧化劑供給裝置32的示意圖，此結構為電池組提供氧化劑進腔321、氧化劑出腔322、燃料進腔323和燃料出腔324。其主體部分由一個長方體內腔325，一個長方體外腔326以及內腔325和外腔326之間的上隔板327和下隔板328組成。圖9為內腔325的剖視圖，內腔上板3251和內腔下板3252與電池組的極板背面緊密結合，并在所有陽極溝道入口3112和陽極溝道出口3113對應位置處開有導流通孔3253。內腔325為氧化劑的流場，通過電池組的池體30和密封件317分隔內腔而在兩側分別形成氧化劑進腔321和氧化劑出腔322，這樣，氧化劑在氧化劑進腔321中分配到每個單池的陰極溝道3111，反應完后的氧化劑最后在氧化劑出腔322中再次匯流。圖10為外腔326的剖視圖，內腔325與外腔326之間部分為燃料流場，通過內腔325和上隔板327、下隔板328分隔外腔而在兩側分別形成燃料進腔323和燃料出腔324。上隔板327和下隔板328的兩側開有與內腔上板3251和內腔下板3252導流通孔3253相對應的矩形缺口329，隔板在燃料和氧化劑流場之間起隔流和引流的作用。一方面，它將燃料進腔323和燃料出腔324隔開，保證燃料進腔323和燃料出腔324只能經過池體30連通；另一方面，它側面所開的矩形缺口329使燃料進腔323通過內腔上板3251和內腔下板3252所開的導流通孔3253與所有單池的陽極溝道入口3112相通。同樣的，所有陽極溝道出口3113也有對應開在內腔上板3251和內腔下板3252上的導流通孔3253，并通過隔板的矩形缺口329與燃料出腔324相通，從而在燃料進腔323和燃料出腔324之間形成流經所有陽極溝道3121的流場。
圖11所示為圖10中于A-A截面的剖面圖，可以看出，燃料流場和氧化劑流場通過內腔325，外腔326及上隔板327和下隔板328分隔，氧化劑直接從氧化劑進腔321流經陰極溝道3111到達氧化劑出腔322，燃料從燃料進腔323進入隔板的矩形缺口329，通過內腔上板3251的導流通孔3253到達陽極溝道入口3112，流經陽極溝道3121后，通過陽極溝道出口3113、導流通孔3253、矩形缺口329流入燃料出腔324。
共用雙極板314、陽極輸出端極板315和陰極輸出端極板316以硅片作為材料，通過MEMS微加工技術在硅片上加工出各種極板以及其上的流場圖形。
極板的主要加工工藝流程如下a.在硅片表面熱氧化形成SiO2作為腐蝕掩膜層c.在SiO2上面刻蝕出與各極板的掩膜版對應的幾何圖形d.采用腐蝕液為40％的KOH溶液對硅片進行各向異性腐蝕e.用激光打孔方式或MEMS技術的干法腐蝕或濕法腐蝕來實現共用雙極板、陽極輸出端極板背面的陽極溝道入口3112和陽極溝道出口3113的通孔f.在硅片表面鍍金屬Ti作為過渡金屬層，然后鍍Au。Au層既可作為電池的引出電極又在流場內起收集、傳導電流的作用，同時可以減小極板與MEA之間的接觸電阻。
g.為了確保蒸鍍后的金屬層與硅片極板間的粘附更牢靠，對蒸鍍后的硅片進行合金化處理。恒溫熱處理溫度360℃，熱處理時間為10分鐘。
反應物供給裝置各板件以有機玻璃為材料，通過雕刻機機械加工成板件。
電池組的總體裝配圖如圖12所示，電池組的裝配流程如下a.將內腔上板3251、上隔板327和外腔上板3261依次用粘合劑粘合到一起，保證各板的螺栓通孔331對齊，使內腔上板3251的導流通孔3253與上隔板的矩形缺口329位置對應。
b.將池體下層的所有極板用粘合劑粘合到內腔上板3251，并保證極板的陽極溝道入口3112和陽極溝道出口3113與內腔上板3251的導流通孔3253對齊。
c.在上層所有極板的陽極流場四周涂上粘合劑，將對應的膜電極粘合到陽極流場上。
d.將內腔下板3252、下隔板328和外腔下板3262依次用粘合劑粘合到一起，保證各板的螺栓通孔331對齊，使內腔下板3252的導流通孔3253與下隔板328的矩形缺口329位置對應。
e.將池體下層的所有極板用粘合劑粘合到內腔下板3252，并保證極板的陽極溝道入口3112和陽極溝道出口3113與內腔下板3252的導流通孔3253對齊。
f.在下層所有極板的陽極流場四周涂上粘合劑，將對應的膜電極313粘合到陽極流場上。
g.將陽極輸出導線341和陰極輸出導線342用焊錫分別焊接到陽極輸出端極板315和陰極輸出端極板316的金層上。至此，分別完成了電池組上半部分和下半部分的組裝。
h.將電池組上半部分和下半部分通過螺栓通孔331對齊，并利用螺栓332和螺母333固緊，使膜電極313被緊密夾于上、下層的對應極板之間。
i.用黏膠從側面密封極板間的空隙，以及陽極輸出端極板和陰極輸出端極板與內腔上、下板之間的空隙，形成密封件317。
j.用粘合劑將兩個內腔側板3254與內腔上板3251和內腔下板3252側沿粘合。
k.用粘合劑將兩個外腔側板3263與外腔上板3261和外腔下板3262側沿粘合。
l.將前板3264和后板3265粘到內腔325和外腔326的前、后側，并使陽極輸出導線341和陰極輸出導線342穿過前板3264和后板3265的中心孔。
m.將氧化劑注入管3211和燃料注入管3231插入并粘合到前板的燃料入口和氧化劑出口，將氧化劑排出管3221和燃料排出管3241插入并粘合到后板的氧化劑入口和燃料出口。
雖然本發明已由上述的實施例詳細敘述，但是不能認為它受到圖示細節的限制，因為無論如何在不脫離本發明精神實質的情況下可對其做出各種變化和替換，所有這些變化和替換都被認為是所附權利要求所限定的分發明精神和保護范圍中。
權利要求
1.一種硅基平面型燃料電池組，其組成包括由多個燃料電池單元組成的池體部分，反應物供給裝置、電能輸出裝置和固緊裝置，其特征是池體部分中的各燃料電池單元沿同一平面依次并排排列，反應物供給裝置包圍在池體部分之外，電能輸出裝置從池體部分引出穿過反應物供給裝置到達電池組外部，固緊裝置安裝在反應物供給裝置上。
2.根據權利要求1所述的硅基平面型燃料電池組，其特征是所述的燃料電池單元由陽極流場、陰極流場和膜電極組成，陽極流場和陰極流場分別位于膜電極的陽極側和陰極側；所述的膜電極由陽極催化電極、質子交換膜和陰極催化電極組合而成；其任一燃料電池單元與相鄰的燃料電池單元的陰、陽極位置顛倒，即整個膜電極所在平面的兩側，所有燃料電池單元的陰、陽極依次間隔分布；所述的燃料電池單元的陽極流場和陰極流場由共用雙極板或輸出端極板提供。
3.根據權利要求2所述的硅基平面型燃料電池組，其特征是所述的共用雙極板上含有分別為相鄰的兩個燃料電池單元的同一側提供一個陽極流場和一個陰極流場的陽極側和陰極側。
4.根據權利要求3所述的硅基平面型燃料電池組，其特征是所述的共用雙極板含流場一側制備有使此共用雙極板對應的兩個相鄰燃料電池形成電性連接、以串聯上一級燃料電池單元的陽極與下一級燃料電池單元的陰極的金屬導電層。
5.根據權利要求2所述的硅基平面型燃料電池組，其特征是所述的輸出端極板包括陽極輸出端極板和陰極輸出端極板，分別向池體兩端的兩個燃料電池單元提供一個陽極流場和一個陰極流場；所述的陽極輸出端極板和陰極輸出端極板含流場一側制備有分別為整個池體部分的陽極和陰極輸出端提供電能導出的金屬導電層。
6.根據權利要求2所述的硅基平面型燃料電池組，其特征是所述的陽極流場為一四周封閉的矩形區域，包括多條平行溝道及分隔各溝道的支撐梁，溝道方向垂直于燃料電池單元的串聯方向，每條溝道的兩端都有單獨的溝道入口和溝道出口，溝道入口和溝道出口由開在極板背面的通孔實現；所述的陰極流場為一矩形區域，包括多條平行溝道及分隔各溝道的支撐梁，溝道方向垂直于燃料電池單元的串聯方向，每條溝道貫穿整個極板，在極板的兩個側邊形成兩個缺口，分別為陰極溝道提供入口和出口。
7.根據權利要求1所述的硅基平面型燃料電池組，其特征是所述的反應物供給裝置由一個長方體內腔、一個長方體外腔、內腔和外腔之間的隔板以及密封件組成；所述的反應物包括燃料和氧化劑；所述的內腔由內腔上板、內腔下板、兩內腔側板、前板和后板封閉而成，內腔的上、下板與池體上、下兩側的極板背面緊密結合，并在與極板陽極溝道口對應位置處開有導流通孔；所述的內腔為氧化劑流場，通過電池組的池體及密封件的分隔而在內腔兩側分別形成氧化劑進腔和氧化劑出腔；氧化劑在氧化劑進腔中分配到所有燃料電池單元的每個陰極溝道入口，并側向流過所有陰極溝道，反應殘余物通過陰極溝道出口在氧化劑出腔中再次匯集。
8.根據權利要求7所述的硅基平面型燃料電池組，其特征是所述的隔板包括上隔板和下隔板，上隔板和下隔板分別與內腔上板和內腔下板緊密結合，上、下隔板的兩側在與內腔上、下板導流通孔相對應的位置處開有矩形缺口；所述的外腔由外腔上板、外腔下板、兩外腔側板、前板和后板封閉而成，外腔上板和外腔下板分別與上隔板和下隔板緊密結合；所述的內腔與其所述的外腔之間為燃料流場，通過內腔和上、下隔板分隔外腔而在外腔兩側分別形成燃料進腔和燃料出腔；燃料從燃料進腔經過上、下隔板的矩形缺口，進入內腔上、下板的導流通孔，到達極板的陽極溝道入口，并側向流過所有陽極溝道；反應殘余物從陰極溝道出口，依次通過內腔上、下板的導流通孔和上、下隔板的矩形缺口在燃料出腔中再次匯集；所述的內腔上板、內腔下板、上隔板、下隔板、外腔上板和外腔下板的兩端都各有兩個螺栓通孔，用于各板之間的位置對準及螺栓螺母固緊。
9.根據權利要求1所述的硅基平面型燃料電池組，其特征是所述的電能輸出裝置為分別與陽極輸出端極板和陰極輸出端極板電性連接的導線，導線穿過反應物供給裝置的前板和后板的中心孔，將整個電池組的電能輸出端引到電池組外部。
10.一種硅基平面型燃料電池組的制作方法，其特征是(1)極板的加工a.在硅片表面熱氧化形成SiO2作為腐蝕掩膜層；c.在SiO2上面刻蝕出與各極板的掩膜版對應的幾何圖形；d.采用腐蝕液為40％的KOH溶液對硅片進行各向異性腐蝕；e.用激光打孔方式或MEMS技術的干法腐蝕或濕法腐蝕來實現共用雙極板、陽極輸出端極板背面的陽極溝道入口和陽極溝道出口的通孔；f.在硅片表面鍍金屬Ti作為過渡金屬層，然后鍍Au；g.對鍍后的硅片進行合金化恒溫熱處理，恒溫熱處理溫度360℃，熱處理時間為10分鐘；(2)反應物供給裝置的加工反應物供給裝置各板件以有機玻璃為材料，通過雕刻機機械加工成板件；(3)電池組的總體裝配a.將內腔上板、上隔板和外腔上板依次用粘合劑粘合到一起，保證各板的螺栓通孔對齊，使內腔上板的導流通孔與上隔板的矩形缺口位置對應；b.將池體下層的所有極板用粘合劑粘合到內腔上板，并保證極板的陽極溝道入口和陽極溝道出口與內腔上板的導流通孔對齊；c.在上層所有極板的陽極流場四周涂上粘合劑，將對應的膜電極粘合到陽極流場上；d.將內腔下板、下隔板和外腔下板依次用粘合劑粘合到一起，保證各板的螺栓通孔對齊，使內腔下板的導流通孔與下隔板328的矩形缺口位置對應；e.將池體下層的所有極板用粘合劑粘合到內腔下板，并保證極板的陽極溝道入口和陽極溝道出口與內腔下板的導流通孔對齊；f.在下層所有極板的陽極流場四周涂上粘合劑，將對應的膜電極粘合到陽極流場上；g.將陽極輸出導線和陰極輸出導線分別焊接到陽極輸出端極板和陰極輸出端極板的金層上；h.將電池組上半部分和下半部分通過螺栓通孔對齊，并利用螺栓和螺母固緊；i.用黏膠從側面密封極板間的空隙，以及陽極輸出端極板和陰極輸出端極板與內腔上、下板之間的空隙，形成密封件；j.用粘合劑將兩個內腔側板與內腔上板和內腔下板側沿粘合；k.用粘合劑將兩個外腔側板與外腔上板和外腔下板側沿粘合；l.將前板和后板粘到內腔和外腔的前、后側，并使陽極輸出導線和陰極輸出導線穿過前板和后板的中心孔；m.將氧化劑注入管和燃料注入管插入并粘合到前板的燃料入口和氧化劑出口，將氧化劑排出管和燃料排出管插入并粘合到后板的氧化劑入口和燃料出口。
全文摘要
本發明提供的是一種硅基平面型燃料電池組及其制作方法。硅基平面型燃料電池組由多個燃料電池單元組成的池體部分，反應物供給裝置、電能輸出裝置和固緊裝置，池體部分中的各燃料電池單元沿同一平面依次并排排列，反應物供給裝置包圍在池體部分之外，電能輸出裝置從池體部分引出穿過反應物供給裝置到達電池組外部，固緊裝置安裝在反應物供給裝置上。本發明的產品具有內單池間電性連接空間小、電性連接電阻小，能降低電池組組裝的困難度等優點。本發明的方法具有制程簡便、穩定度高、可批量化生產等優點。
文檔編號H01M8/00GK1945889SQ20061015095
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月27日 優先權日2006年10月27日
發明者劉曉為, 張宇峰, 索春光, 張博, 張鵬 申請人:哈爾濱工業大學