(一)技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池，具体地说是一种硅基平面型燃料电池组。

本发明也涉及这种燃料电池的制作方法。

(二)背景技术

燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种利用化学能直接转化为电能的发电装置， 与传统发电方式比较之下，燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及较 高的能量转换效率等优点，是极具未来前瞻性的干净能源，可应用的范围包括 便携式电子产品、家用发电系统、运输工具、军用设备、太空工业以及大型发 电系统等各领域。

燃料电池的运作原理依据种类的不同会有些许差异，以直接甲醇燃料电池 (Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)为例，甲醇水溶液在阳极催化层进行氧化 反应，产生氢离子(H+)、电子(e-)以及二氧化碳(CO2)，其中氢离子可以 经由质子交换膜传递至阴极，而电子则经由外部电路传输至负载做功之后再传 递至阴极，此时供给阴极端的氧气会与氢离子及电子于阴极催化层进行还原反 应并产生水。

燃料电池主要由阳极极板、膜电极(Membrane Electolyte Assembly)和阴 极极板构成。其中膜电极包括催化电极层、扩散层和质子交换膜。催化电极层 是电化学反应发生的场所，起到加速电极与电解质界面上电化学反应的作用； 扩散层起到支撑催化层、收集电流及传导反应物的作用，通常由碳纸或碳布组 成；质子交换膜采用固体聚合物作为电解质，起到传递反应离子的作用。阴、 阳极双极板起支撑、集流、分隔氧化剂与还原剂作用，而且是引导氧化剂和还 原剂在电池膜电极表面流动的导电隔板。

微型燃料电池的单池输出电压由于其特定的电化学反应和电池尺寸而受到 限制，为了达到满足实际应用的更高电压，必须将多个电池串联起来构成电池 组。目前燃料电池单元串联成燃料电池组的方式主要可区分为堆栈型与平面型 两种。目前常见堆栈型燃料电池组的主要结构如图1所示，燃料电池单元沿与 极板垂直的方向重叠式的连接，其池体结构主要包括由阳极催化电极111、质 子交换膜112及阴极催化电极113所组合而成的膜电极组11，作为相邻单电池 之间电性连接的双极板12，阳极输出端极板13和阴极输出端极板14，以及位 于膜电极组两侧的阳极流场15和阴极流场16。堆栈型燃料电池组结构复杂、 占用空间大且不易组装与大量生产。

平面型燃料电池组中各燃料电池单元沿同一平面依次并排排列，两个相邻 燃料电池单元之间以导电材料串联上一级燃料电池单元的阳极与下一级燃料电 池单元的阴极。对于一些对电池厚度有较高要求的微型设备，平面结构的微电 源系统相对于竖直结构电源系统，由于其占用竖直空间小而具有独一无二的优 势。目前常见的平面型燃料电池组的主要结构如图2所示，其包括多个燃料电 池单元21以及串联两个相邻燃料电池单元的导电结构22。燃料电池单元21主 要包括由阳极催化电极2111、质子交换膜2112及阴极催化电极2113所组合而 成的膜电极组211，阳极极板212和阴极极板213。阳极极板212和阴极极板 213分别为燃料电池单元提供阳极流场214和阴极流场215。串联两个相邻燃料 电池单元的导电结构22多为采用金属材料或其合金所制成的集流网，通过热压 等方法使其与膜电极固着，集流网穿过两相邻膜电极的中间，它的一端与一膜 电极的阳极相连，另一端与该膜电极相邻的膜电极的阴极相连，采用多个集流 网依次连接多个膜电极。但是上述的电性连接方式存在一些问题，如制程复杂、 导电性不均匀、电性连接占用空间大和电性连接电阻大等。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种电池组内单池间电性连接空间小、电性连接电 阻小，能降低电池组组装的困难度的硅基平面型燃料电池组。

本发明的目的还在于提供一种制程简便、稳定度高、可批量化生产的硅基 平面型燃料电池组的制作方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明的硅基平面型燃料电池组的组成包括： 由多个燃料电池单元组成的池体部分，反应物供给装置、电能输出装置和固紧 装置，池体部分中的各燃料电池单元沿同一平面依次并排排列，反应物供给装 置包围在池体部分之外，电能输出装置从池体部分引出穿过反应物供给装置到 达电池组外部，固紧装置安装在反应物供给装置上。

本发明的硅基平面型燃料电池组是采用这样的方法来制作的：

1、极板的加工：

a.在硅片表面热氧化形成SiO2作为腐蚀掩膜层；

c.在SiO2上面刻蚀出与各极板的掩膜版对应的几何图形；

d.采用腐蚀液为40％的KOH溶液对硅片进行各向异性腐蚀；

e.用激光打孔方式或MEMS技术的干法腐蚀或湿法腐蚀来实现共用双极 板、阳极输出端极板背面的阳极沟道入口和阳极沟道出口的通孔；

f.在硅片表面镀金属Ti作为过渡金属层，然后镀Au；

g.对镀后的硅片进行合金化恒温热处理，恒温热处理温度360℃，热处理时 间为10分钟；

2、反应物供给装置的加工：

反应物供给装置各板件以有机玻璃为材料，通过雕刻机机械加工成板件；

3、电池组的总体装配：

a.将内腔上板、上隔板和外腔上板依次用粘合剂粘合到一起，保证各板的 螺栓通孔对齐，使内腔上板的导流通孔与上隔板的矩形缺口位置对应；

b.将池体下层的所有极板用粘合剂粘合到内腔上板，并保证极板的阳极沟 道入口和阳极沟道出口与内腔上板的导流通孔对齐；

c.在上层所有极板的阳极流场四周涂上粘合剂，将对应的膜电极粘合到阳 极流场上；

d.将内腔下板、下隔板和外腔下板依次用粘合剂粘合到一起，保证各板的 螺栓通孔对齐，使内腔下板的导流通孔与下隔板328的矩形缺口位置对应；

e.将池体下层的所有极板用粘合剂粘合到内腔下板，并保证极板的阳极沟 道入口和阳极沟道出口与内腔下板的导流通孔对齐；

f.在下层所有极板的阳极流场四周涂上粘合剂，将对应的膜电极粘合到阳 极流场上；

g.将阳极输出导线和阴极输出导线分别焊接到阳极输出端极板和阴极输 出端极板的金层上；

h.将电池组上半部分和下半部分通过螺栓通孔对齐，并利用螺栓和螺母固 紧；

i.用黏胶从侧面密封极板间的空隙，以及阳极输出端极板和阴极输出端极 板与内腔上、下板之间的空隙，形成密封件；

j.用粘合剂将两个内腔侧板与内腔上板和内腔下板侧沿粘合；

k.用粘合剂将两个外腔侧板与外腔上板和外腔下板侧沿粘合；

l.将前板和后板粘到内腔和外腔的前、后侧，并使阳极输出导线和阴极输 出导线穿过前板和后板的中心孔；

m.将氧化剂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剂 出口，将氧化剂排出管和燃料排出管插入并粘合到后板的氧化剂入口和燃料出 口。

本发明还可以包括这样一些特征：

所述的燃料电池单元由阳极流场、阴极流场和膜电极组成，阳极流场和阴 极流场分别位于膜电极的阳极侧和阴极侧。

所述的膜电极由阳极催化电极、质子交换膜和阴极催化电极组合而成。

其任一燃料电池单元与相邻的燃料电池单元的阴、阳极位置颠倒，即整个 膜电极所在平面的两侧，所有燃料电池单元的阴、阳极依次间隔分布。

所述的燃料电池单元的阳极流场和阴极流场由共用双极板或输出端极板提 供。

所述的共用双极板上含有阳极侧和阴极侧，分别为相邻的两个燃料电池单 元的同一侧提供一个阳极流场和一个阴极流场。

所述的共用双极板含流场一侧制备有使此共用双极板对应的两个相邻燃料 电池形成电性连接、以串联上一级燃料电池单元的阳极与下一级燃料电池单元 的阴极的金属导电层。

所述的输出端极板包括阳极输出端极板和阴极输出端极板，分别向池体两 端的两个燃料电池单元提供一个阳极流场和一个阴极流场。

所述的阳极输出端极板和阴极输出端极板含流场一侧制备有分别为整个池 体部分的阳极和阴极输出端提供电能导出的金属导电层。

所述的阳极流场为一四周封闭的矩形区域，包括多条平行沟道及分隔各沟 道的支撑梁，沟道方向垂直于燃料电池单元的串联方向，每条沟道的两端都有 单独的沟道入口和沟道出口，沟道入口和沟道出口由开在极板背面的通孔实现。

所述的阴极流场为一矩形区域，包括多条平行沟道及分隔各沟道的支撑梁， 沟道方向垂直于燃料电池单元的串联方向，每条沟道贯穿整个极板，在极板的 两个侧边形成两个缺口，分别为阴极沟道提供入口和出口。

所述的反应物供给装置由一个长方体内腔、一个长方体外腔、内腔和外腔 之间的隔板以及密封件组成。

所述的反应物包括燃料和氧化剂。

所述的内腔由内腔上板、内腔下板、两内腔侧板、前板和后板封闭而成， 内腔的上、下板与池体上、下两侧的极板背面紧密结合，并在与极板阳极沟道 口对应位置处开有导流通孔。

所述的密封件填充于池体两端处内腔上、下板之间的区域。

所述的内腔为氧化剂流场，通过电池组的池体及密封件的分隔而在内腔两 侧分别形成氧化剂进腔和氧化剂出腔；氧化剂在氧化剂进腔中分配到所有燃料 电池单元的每个阴极沟道入口，并侧向流过所有阴极沟道，反应残余物通过阴 极沟道出口在氧化剂出腔中再次汇集。

所述的隔板包括上隔板和下隔板，上隔板和下隔板分别与内腔上板和内腔 下板紧密结合，上、下隔板的两侧在与内腔上、下板导流通孔相对应的位置处 开有矩形缺口。

所述的外腔由外腔上板、外腔下板、两外腔侧板、前板和后板封闭而成， 外腔上板和外腔下板分别与上隔板和下隔板紧密结合。

所述的内腔与其所述的外腔之间为燃料流场，通过内腔和上、下隔板分隔 外腔而在外腔两侧分别形成燃料进腔和燃料出腔；燃料从燃料进腔经过上、下 隔板的矩形缺口，进入内腔上、下板的导流通孔，到达极板的阳极沟道入口， 并侧向流过所有阳极沟道；反应残余物从阴极沟道出口，依次通过内腔上、下 板的导流通孔和上、下隔板的矩形缺口在燃料出腔中再次汇集。

所述的内腔上板、内腔下板、上隔板、下隔板、外腔上板和外腔下板的两 端都各有两个螺栓通孔，用于各板之间的位置对准及螺栓螺母固紧。

所述的电能输出装置为分别与阳极输出端极板和阴极输出端极板电性连接 的导线，导线穿过反应物供给装置的前板和后板的中心孔，将整个电池组的电 能输出端引到电池组外部。

所述的前板在燃料进腔和氧化剂出腔对应位置处还分别开有通孔作为燃料 入口和氧化剂出口。

所述的后板在氧化剂进腔和燃料出腔对应位置处还分别开有通孔作为氧化 剂入口和燃料出口。

本发明另提供一种平面型燃料电池组的制作方法，包括电池组极板的加工、 反应物供给装置板件的加工和电池组的封装。其中，极板的加工包括共用双极 板、阳极输出端极板和阴极输出端极板的加工；反应物供给装置板件的加工包 括内腔上板、内腔下板、两内腔侧板、上隔板、下隔板、外腔上板、外腔下板、 两外腔侧板、前板和后板的加工；电池组的封装在极板、膜电极、反应物供给 装置板件、密封介质和电引出导线这些组件的基础上，通过粘合、焊接和螺栓 螺母固紧等手段实现。

本发明的效果在于：

1、电池组中相邻燃料电池单元的阴、阳极位置颠倒，相邻燃料电池单元之间的 串联通过镀有金层的共用双极板来实现，相邻燃料电池单元之间的电性连接 在水平面内实现，此连接方式能有效的减小电性连接部分所占用的空间及电 性连接产生的电阻。

2、反应物供给腔结构，解决了电池组中阴、阳极反应物流场间隔分布所带来的 反应物供给困难的问题，实现了电池组中所有燃料电池单元燃料和氧化剂的 统一供给，并保证了燃料和氧化剂流场之间的密封性。

3、可以根据不同需要来串联不同数目的燃料电池单元，而不需改变其结构，仅 改变它的尺寸即可。

4、采用MEMS微加工技术实现电池组极板的加工，其特点是精度较高，易于 加工，有利于电池的微型化发展。

5、反应物供给装置组件加工容易，反应物供给装置对硅片极板还起到支撑作 用，使硅片能承受更大的机械封装压力，这有效的减小了极板与膜电极之间 的欧姆接触电阻，对提高电池的性能有显著的作用。

6、适合批量化生产。

(四)附图说明

图1为目前常见堆栈型燃料电池组的结构示意图。

图2为目前常见平面型燃料电池组的结构示意图。

图3为本发明一较佳实施例的平面型燃料电池组的结构示意图。

图4为电池组的共用双极板结构示意图。

图5为电池组的阳极输出端极板结构示意图。

图6为电池组的阴极输出端极板结构示意图。

图7为将五个燃料电池单元串联组成的电池组池体的结构示意图。

图8为电池组的燃料和氧化剂供给装置的示意图。

图9为电池组燃料和氧化剂供给装置的内腔结构剖视图。

图10为电池组燃料和氧化剂供给装置的外腔结构剖视图。

图11为显示图8于A-A截面的结构剖面图。

图12为本发明一较佳实施例的平面型燃料电池组的组装示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一 较佳实施例，并配合所附图示详细说明。应理解的是本发明能够在不同的样态 上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图标在本质上 当作说明的用，而非用以限制本发明。

结合图3，本发明的平面型燃料电池组的主体为多个燃料电池单元组成的 池体部分，池体部分中的各燃料电池单元31沿同一平面依次并排排列，燃料电 池单元的阳极流场311和阴极流场312分别位于膜电极313的两侧，其中每一 燃料电池单元与相邻燃料电池单元的阳极流场311和阴极流场312位置颠倒， 即整个膜电极平面的两侧，所有燃料电池单元的阳极流场311和阴极流场312 依次交叉间隔分布。电池组相邻单池之间的串联通过相邻单池间镀有金层的共 用双极板314来实现，共用双极板上含有阳极侧和阴极侧，分别为相邻的两个 燃料电池单元提供一个阳极流场311和一个阴极流场312。这种电连接方式不 需要额外的电连接部分，电连接在平面内实现，而不必穿过膜电极所在平面， 这使得电连接部分占用较小的空间并产生较小的连接电阻。阳极引出端极板315 和阴极引出端极板316位与电池组的两端作为电能输出端。燃料电池单元的膜 电极的阳极一侧采用Pt-Ru/C催化层，其Pt载量为4.0mg/cm2，阴极采用Pt/C催化层，其Pt载量为4.0mg/cm2，扩散层为碳布，质子交换膜为Nafion117。电 池极板以硅片作为材料，极板除了作为电池阴极和阳极的流场外，还具有收集 电流的作用，同时相邻单池间的电连接也由极板实现，这要求极板的导电性必 须很好。为了降低硅极板的欧姆电阻，在其表面镀上一层金属层Au，Au层既 可以在流场内收集电流并在单池间传导电流，还可以减小极板与MEA膜之间 的接触电阻，同时也可以作为电池的引出电极。

电池组中的相邻单池共用双极板314、阳极引出端极板315和阴极引出端 极板316立体图分别如图4、图5和图6所示。所有极板的阳极流场311和阴 极流场312图形都是平行沟道型，并且所有阳极沟道3111和阴极沟道3121都 有独立的反应物入口和出口。阳极引出端极板和共用双极板阳极侧的所有阳极 沟道入口3112和阳极沟道出口3113由极板背面的通孔实现；阴极引出端极板 和共用双极板阴极侧的所有阴极沟道入口3122和阴极沟道出口3123由极板侧 面的缺口实现。这种流场结构使得单池内部各沟道及不同单池的沟道都相对独 立，一方面有利于反应物的均匀分布，另一方面可以有效减小因个别沟道堵塞 或流阻过大对电池组总体性能的影响。

图7所示为由五个燃料电池单元31组成的电池组池体30。池体上所有的 阳极沟道入口3112和阳极沟道出口3113都在池体的上、下底面，而所有单池 的阴极沟道入口3122和阴极沟道出口3123都在池体的侧壁。这种结构有利于 阳极燃料和阴极氧化物供给流场的分离，通过流体隔离结构使上、下面流场与 侧壁流场分离便可分别形成燃料供给结构和氧化物供给结构，易于实现统一的 供液和供气结构。

图8为电池组的燃料和氧化剂供给装置32的示意图，此结构为电池组提供 氧化剂进腔321、氧化剂出腔322、燃料进腔323和燃料出腔324。其主体部分 由一个长方体内腔325，一个长方体外腔326以及内腔325和外腔326之间的 上隔板327和下隔板328组成。图9为内腔325的剖视图，内腔上板3251和内 腔下板3252与电池组的极板背面紧密结合，并在所有阳极沟道入口3112和阳 极沟道出口3113对应位置处开有导流通孔3253。内腔325为氧化剂的流场， 通过电池组的池体30和密封件317分隔内腔而在两侧分别形成氧化剂进腔321 和氧化剂出腔322，这样，氧化剂在氧化剂进腔321中分配到每个单池的阴极 沟道3111，反应完后的氧化剂最后在氧化剂出腔322中再次汇流。图10为外 腔326的剖视图，内腔325与外腔326之间部分为燃料流场，通过内腔325和 上隔板327、下隔板328分隔外腔而在两侧分别形成燃料进腔323和燃料出腔 324。上隔板327和下隔板328的两侧开有与内腔上板3251和内腔下板3252导 流通孔3253相对应的矩形缺口329，隔板在燃料和氧化剂流场之间起隔流和引 流的作用。一方面，它将燃料进腔323和燃料出腔324隔开，保证燃料进腔323 和燃料出腔324只能经过池体30连通；另一方面，它侧面所开的矩形缺口329 使燃料进腔323通过内腔上板3251和内腔下板3252所开的导流通孔3253与所 有单池的阳极沟道入口3112相通。同样的，所有阳极沟道出口3113也有对应 开在内腔上板3251和内腔下板3252上的导流通孔3253，并通过隔板的矩形缺 口329与燃料出腔324相通，从而在燃料进腔323和燃料出腔324之间形成流 经所有阳极沟道3121的流场。

图11所示为图10中于A-A截面的剖面图，可以看出，燃料流场和氧化剂 流场通过内腔325，外腔326及上隔板327和下隔板328分隔，氧化剂直接从 氧化剂进腔321流经阴极沟道3111到达氧化剂出腔322，燃料从燃料进腔323 进入隔板的矩形缺口329，通过内腔上板3251的导流通孔3253到达阳极沟道 入口3112，流经阳极沟道3121后，通过阳极沟道出口3113、导流通孔3253、 矩形缺口329流入燃料出腔324。

共用双极板314、阳极输出端极板315和阴极输出端极板316以硅片作为 材料，通过MEMS微加工技术在硅片上加工出各种极板以及其上的流场图形。

极板的主要加工工艺流程如下：

a.在硅片表面热氧化形成SiO2作为腐蚀掩膜层

c.在SiO2上面刻蚀出与各极板的掩膜版对应的几何图形

d.采用腐蚀液为40％的KOH溶液对硅片进行各向异性腐蚀

e.用激光打孔方式或MEMS技术的干法腐蚀或湿法腐蚀来实现共用双极 板、阳极输出端极板背面的阳极沟道入口3112和阳极沟道出口3113的通孔

f.在硅片表面镀金属Ti作为过渡金属层，然后镀Au。Au层既可作为电池 的引出电极又在流场内起收集、传导电流的作用，同时可以减小极板与MEA 之间的接触电阻。

g.为了确保蒸镀后的金属层与硅片极板间的粘附更牢靠，对蒸镀后的硅片 进行合金化处理。恒温热处理温度360℃，热处理时间为10分钟。

反应物供给装置各板件以有机玻璃为材料，通过雕刻机机械加工成板件。

电池组的总体装配图如图12所示，电池组的装配流程如下：

a.将内腔上板3251、上隔板327和外腔上板3261依次用粘合剂粘合到一 起，保证各板的螺栓通孔331对齐，使内腔上板3251的导流通孔3253与上隔 板的矩形缺口329位置对应。

b.将池体下层的所有极板用粘合剂粘合到内腔上板3251，并保证极板的阳 极沟道入口3112和阳极沟道出口3113与内腔上板3251的导流通孔3253对齐。

c.在上层所有极板的阳极流场四周涂上粘合剂，将对应的膜电极粘合到阳 极流场上。

d.将内腔下板3252、下隔板328和外腔下板3262依次用粘合剂粘合到一 起，保证各板的螺栓通孔331对齐，使内腔下板3252的导流通孔3253与下隔 板328的矩形缺口329位置对应。

e.将池体下层的所有极板用粘合剂粘合到内腔下板3252，并保证极板的阳 极沟道入口3112和阳极沟道出口3113与内腔下板3252的导流通孔3253对齐。

f.在下层所有极板的阳极流场四周涂上粘合剂，将对应的膜电极313粘合 到阳极流场上。

g.将阳极输出导线341和阴极输出导线342用焊锡分别焊接到阳极输出端 极板315和阴极输出端极板316的金层上。至此，分别完成了电池组上半部分 和下半部分的组装。

h.将电池组上半部分和下半部分通过螺栓通孔331对齐，并利用螺栓332 和螺母333固紧，使膜电极313被紧密夹于上、下层的对应极板之间。

i.用黏胶从侧面密封极板间的空隙，以及阳极输出端极板和阴极输出端极 板与内腔上、下板之间的空隙，形成密封件317。

j.用粘合剂将两个内腔侧板3254与内腔上板3251和内腔下板3252侧沿粘 合。

k.用粘合剂将两个外腔侧板3263与外腔上板3261和外腔下板3262侧沿 粘合。

l.将前板3264和后板3265粘到内腔325和外腔326的前、后侧，并使阳 极输出导线341和阴极输出导线342穿过前板3264和后板3265的中心孔。

m.将氧化剂注入管3211和燃料注入管3231插入并粘合到前板的燃料入口 和氧化剂出口，将氧化剂排出管3221和燃料排出管3241插入并粘合到后板的 氧化剂入口和燃料出口。

虽然本发明已由上述的实施例详细叙述，但是不能认为它受到图示细节的 限制，因为无论如何在不脱离本发明精神实质的情况下可对其做出各种变化和 替换，所有这些变化和替换都被认为是所附权利要求所限定的分发明精神和保 护范围中。