專利名稱：一種制備微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于對(duì)微型燃料電池技術(shù)的研究，尤其涉及一種微型燃料電池金屬 流場(chǎng)板的制作方法。
技術(shù)背景隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，諸如筆記本電腦、手機(jī)、MP3等便攜式電子設(shè)備 層出不窮，然而便攜式電源技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于微電子的發(fā)展速度。隨著微型燃 料電池(Micro Fuel Cell, MFC)在關(guān)鍵材料方面取得的進(jìn)展，其作為新一代 便攜式電源越來(lái)越受到關(guān)注。這類電池一般以聚合物膜作為質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)，以 醇或者氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑，反應(yīng)產(chǎn)物是水和二氧化碳。微型燃料電 池具有高比能、高效率、使用方便、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是目前鋰電池、鎳氫、 鎳鎘電池等理想的替代品。微型燃料電池區(qū)別于一般意義燃料電池的特點(diǎn)之一是其流場(chǎng)板的微型化。 流場(chǎng)板是燃料電池中的重要部件，在燃料電池中起著分配流場(chǎng)、收集電流、支 撐電池結(jié)構(gòu)等作用。如附圖1所示，燃料(如甲醇、氫氣等)和氧化劑(如氧 氣、空氣等)分別通過陽(yáng)極流場(chǎng)板[1]和陰極流場(chǎng)板[4]上的流場(chǎng)進(jìn)入燃料電池； 經(jīng)催化劑分解后產(chǎn)生的電子，也需要流場(chǎng)板的導(dǎo)電作用流向外部負(fù)載。同時(shí)流 場(chǎng)板還需要保證電池結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固，起到保護(hù)內(nèi)部膜電極的作用。流場(chǎng)板中流場(chǎng)的形狀一般分為三類 一類是上下貫通的孔陣列，如附圖2所示；另一類是具 有入口[1]和出口[2]的連續(xù)溝道，如附圖3所示；還有一類是溝道和小孔的復(fù)合，如附圖4所示。隨著流場(chǎng)板的微型化，流場(chǎng)中的溝道尺寸從毫米級(jí)下降到微米級(jí)，原有的材料(如石墨)，原有的加工方法(如銑削、沖壓等)不再能滿足 需要，需要在材料和工藝兩個(gè)方面，探索流場(chǎng)板的制作方法。此外，燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，流場(chǎng)板作為電流的收集器 需要在存在電場(chǎng)的電解質(zhì)中工作，因此極易發(fā)生腐蝕，還需要考慮表面改性處 理。出于減小電阻的考慮，表面改性不僅要提高金屬的耐蝕性還要保證較高的 電導(dǎo)率，因此還需要針對(duì)不同材料和應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)材料進(jìn)行表面改性。申請(qǐng)?zhí)枮?00510086751. 0的專利申請(qǐng)說(shuō)明書，介紹了一種基于單晶硅微細(xì) 加工工藝以及濺射集電層方法制作的燃料電池流場(chǎng)板。對(duì)于單晶硅的微細(xì)加工 目前已經(jīng)相對(duì)成熟，可以制作高深寬比的微細(xì)結(jié)構(gòu)，但是，單晶硅是脆性材料， 不能施加足夠的封裝壓力。另一方面，硅流場(chǎng)板表面濺射的集電層受工藝限制，厚度一般不到IWII，因此電池內(nèi)阻很大，電池輸出性能難以提高，距離實(shí)用化尚 有一段距離。相對(duì)于硅流場(chǎng)板而言，金屬流場(chǎng)板本體電阻率小、韌性好，易獲得理想的 封裝效果，從而有利于降低電池內(nèi)阻和減小電池尺寸。但是，采用傳統(tǒng)加工方 法很難在金屬薄板上實(shí)現(xiàn)對(duì)微流場(chǎng)的加工。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述技術(shù)的不足，采用光刻技術(shù)和化學(xué)蝕 刻和電化學(xué)蝕刻的微細(xì)加工方法，能有效地解決這一難題。通過這種方法，不 僅可以在金屬板上加工微孔、微溝道、微凸起等常規(guī)加工難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，還 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的剪裁，保證流場(chǎng)和流場(chǎng)板外形之間的定位精度，并且加工后 無(wú)加工變質(zhì)層也無(wú)切削殘余應(yīng)力。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種制備微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝， 在金屬片表面通過光刻技術(shù)制作掩蔽層，通過化學(xué)蝕刻或者電化學(xué)蝕刻的方法 加工出微細(xì)結(jié)構(gòu)，以及在金屬表面制作導(dǎo)電耐蝕層，具體工藝步驟如下1) 首先將金屬片下料、拋光,采用堿性溶液或有機(jī)溶劑浸泡或超聲清洗，清洗后用大量水沖凈，11CTC-150。C烘30-60分鐘；2) 然后采用光刻工藝在單面或者雙面制作掩蔽層，基本步驟包括旋涂或空絲網(wǎng)涂布20-60微米左右耐蝕光刻膠，75。C-85。C前烘20-30分鐘，采用掩模 曝光方法，曝光劑量為20mJ/cm2-35mJ/cm2， 1%船2033溶液顯影30-90秒，去離子 水沖洗干凈后，85t:后烘10-30分鐘；3) 采用化學(xué)蝕刻或者電解蝕刻的方法加工出所需結(jié)構(gòu)，化學(xué)蝕刻的步驟包 括采用5%-30%濃度鹽酸或硫酸浸泡活化3-10分鐘，采用化學(xué)溶液噴淋或靜態(tài) 蝕刻至所需深度，用大量清水沖凈殘液；4) 最后去除金屬片上的掩蔽層，拋光或打磨后制作導(dǎo)電耐蝕層。 所述的微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝，所用材料為0.05-3mm厚度的金屬板，包括不銹鋼、鈦及其合金、鋁合金或銅及其合金。微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝，能加工微孔、微溝道、微突起結(jié)構(gòu)， 通過多次的光刻、蝕刻工藝，制作三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬流場(chǎng)板。微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝，根據(jù)流場(chǎng)板材料的不同，可以選擇 釆用電鍍、擴(kuò)散、離子注入、濺射或者沉積方法制作導(dǎo)電耐蝕層。導(dǎo)電耐蝕層 的材料可以為金、銀、鉑、氮化鈦，或是不銹鋼滲氮改性層或?qū)щ娋酆衔?。本發(fā)明的有益效果是采用此工藝制作的微型燃料電池流場(chǎng)板具有電阻小、 耐蝕、耐磨、無(wú)加工變質(zhì)層、無(wú)切削殘余應(yīng)力、 一致性好等特點(diǎn)。微結(jié)構(gòu)的最 小線寬可以達(dá)到50ym，結(jié)合大尺幅光刻-蝕刻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低成本，大批量 生產(chǎn)。


圖1為燃料電池的原理圖，其中1-陽(yáng)極流場(chǎng)板2-膜電極三合一組件3-負(fù)載4-陰極流場(chǎng)板。圖2為孔陣列微型燃料電池流場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為 連續(xù)溝道的微型燃料電池流場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-入口 2-出口 3-蛇形 流場(chǎng)。圖4為孔和溝道復(fù)合的微型燃料電池流場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5帶小孔 陣列的微型燃料電池流場(chǎng)板的照片，圖6小孔和溝道復(fù)合的流場(chǎng)板中的微流場(chǎng) 的顯微鏡照片。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施實(shí)施例1:以厚度為0. lmm的SUS316L不銹鋼板為原材料制作自呼吸式微型 燃料電池流場(chǎng)板，流場(chǎng)為由O300um的通孔組成的陣列，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。 具體步驟如下將下料、拋光后的不銹鋼板用丙酮、乙醇超聲清洗除油，ll(TC 烘干，然后單面旋涂20-60微米左右耐蝕光刻膠，75。C-85。C前烘20-30分鐘， 采用掩模曝光方法，曝光劑量為20mJ/cm2-35mJ/cm2， l%Na2C03溶液顯影30-90 秒，去離子水沖洗干凈后，85。C后烘30分鐘，在另一面旋涂20-60微米左右耐 蝕光刻膠，75。C-85。C前烘20-30分鐘，采用掩模曝光方法，雙面圖形對(duì)準(zhǔn)，曝 光劑量為20mJ/cm2-35mJ/cm2,1°甜320)3溶液顯影30-90秒，去離子水沖洗干凈后， 85t:后烘30分鐘；然后用17%濃度1活化30秒后，裝入雙面噴淋蝕刻機(jī)，采 用不銹鋼蝕刻液加工至微孔貫通，蝕刻后的不銹鋼板用去離子水沖凈殘液，采 用8(TC10g/LNaOH浸泡去除光刻膠；對(duì)清洗后的工件表面滲氮處理，以提高耐 蝕性。實(shí)施例2:以厚度為0.4mm的SUS304不銹鋼板為原材料，制作主動(dòng)式微型 燃料電池流場(chǎng)板，流場(chǎng)溝道寬300um，深100tim，蛇形布局，如附圖3所示。 具體步驟如下將下料、拋光后的不銹鋼板用丙酮、乙醇超聲清洗除油，ll(TC 烘干，然后單面旋涂20-60微米左右耐蝕光刻膠，75t:-85。C前烘20-30分鐘， 采用掩模曝光方法，曝光劑量為20mJ/cm2-35mJ/cm2， l%Na2C03溶液顯影30-90 秒，去離子水沖洗干凈后，85t:后烘30分鐘，背面用耐蝕膠帶掩蔽保護(hù)，裝入噴淋蝕刻機(jī)中，采用不銹鋼蝕刻液加工至所需深度。蝕刻后的不銹鋼板用去離子水沖凈殘液，背面膠帶揭下，然后用酒精將殘留部分擦洗干凈，采用80°C 10g/LNa0H浸泡去除光刻膠；最后對(duì)清洗后的工件表面滲氮處理，以提高耐蝕性。實(shí)施例3:以厚度為O. 5mm的銅板為原材料制作主動(dòng)式微型燃料電池流場(chǎng)板， 流場(chǎng)溝道寬300wm，深100pm，蛇形布局，如附圖3所示。具體步驟如下將 下料、拋光后的銅板用丙酮、乙醇超聲清洗除油，11(TC烘干，然后單面旋涂20-60 微米左右耐蝕光刻膠，75°C-85'C前烘20-30分鐘，采用掩模曝光方法，曝光劑 量為20mJ/cm2-35mJ/cm2， 1%%2(1)3溶液顯影30-90秒，去離子水沖洗干凈后，85 。C后烘30分鐘，背面用耐蝕膠帶掩蔽保護(hù)，裝入噴淋蝕刻機(jī)中，采用三氯化鐵 溶液，加工至所需深度。蝕刻后的銅板用去離子水沖凈殘液，背面膠帶揭下， 然后用酒精將殘留部分擦洗干凈，采用8CTC10gZLNaOH浸泡去除光刻膠；對(duì)清 洗后的工件表面電鍍金，以提高耐蝕性，降低電阻。實(shí)施例4:以厚度為O. 5mm的鈦板為原材料制作主動(dòng)式微型燃料電池流場(chǎng)板， 場(chǎng)溝道寬300ym，深100iim，蛇形布局，如附圖3所示。具體步驟如下將下 料、拋光后的鈦板用丙酮、乙醇超聲清洗除油，ll(TC烘干，然后單面旋涂20-60 微米左右耐蝕光刻膠，75°C-85。C前烘20-30分鐘，采用掩模曝光方法，曝光劑 量為20mJ/cm2-35mJ/cm2， 1%%2(:03溶液顯影30-90秒，去離子水沖洗干凈后，85 。C后烘30分鐘，背面用耐蝕膠帶掩蔽保護(hù)，裝入電解蝕刻裝置中，電解加工至 所需深度。蝕刻后的鈦板用去離子水沖凈殘液，背面膠帶揭下，然后用酒精將 殘留部分擦洗干凈，采用8CTC10g/LNaOH浸泡去除光刻膠；對(duì)清洗后的工件表 面滲氮，形成氮化鈦耐蝕層。實(shí)施例5:以厚度為0. 4mm的SUS316L不銹鋼板為原材料制作主動(dòng)式微型燃 料電池流場(chǎng)板，流場(chǎng)為小孔和溝道混合的三維流場(chǎng)，如附圖4所示，小孔尺寸 為O900um，溝道寬300tim，深100um。具體步驟如下將下料、拋光后的不 銹鋼板用丙酮、乙醇超聲清洗除油，ll(TC烘干，然后單面旋涂20-60微米左右 耐蝕光刻膠，75"C-85"C前烘20-30分鐘，采用掩模曝光方法，曝光劑量為 20mJ/cra2-35mJ/cm2， 1柳32(:03溶液顯影30-90秒，去離子水沖洗干凈后，85。C后 烘30分鐘，在另一面旋涂20-60微米左右耐蝕光刻膠，75°C-85"前烘20-30 分鐘，采用掩模曝光方法，雙面圖形對(duì)準(zhǔn)，曝光劑量為20mJ/cm2-35mJ/cm2， 1柳320)3溶液顯影30-90秒，去離子水沖洗干凈后，85r后烘30分鐘。之后， 溝道面用膠帶保護(hù)，小孔面用17%濃度1活化30秒后，裝入雙面噴淋蝕刻機(jī)，蝕刻200，去除膠帶，17。/。濃度HC1活化30秒，雙面蝕刻100um至小孔貫通， 蝕刻后的不銹鋼板用去離子水沖凈殘液，采用8(TC10g/LNaOH浸泡去除光刻膠; 對(duì)清洗后的工件表面滲氮處理，以提高耐蝕性。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種制備微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝，其特征是，在金屬片表面通過光刻技術(shù)制作掩蔽層，通過化學(xué)蝕刻或者電化學(xué)蝕刻的方法加工出微細(xì)結(jié)構(gòu)，以及在金屬表面制作導(dǎo)電耐蝕層，具體工藝步驟如下1)首先將金屬片下料、拋光，采用堿性溶液或有機(jī)溶劑浸泡或超聲清洗，清洗后用大量水沖凈，110℃-150℃烘30-60分鐘；2)然后采用光刻工藝在單面或者雙面制作掩蔽層，基本步驟包括旋涂或空絲網(wǎng)涂布20-60微米左右耐蝕光刻膠，75℃-85℃前烘20-30分鐘，采用掩模曝光方法，曝光劑量為20mJ/cm-35mJ/cm2，1％Na2CO3溶液顯影30-90秒，去離子水沖洗干凈后，85℃后烘10-30分鐘；3)采用化學(xué)蝕刻或者電解蝕刻的方法加工出所需結(jié)構(gòu)，化學(xué)蝕刻的步驟包括采用5％-30％濃度鹽酸或硫酸浸泡活化3-10分鐘，采用化學(xué)溶液噴淋或靜態(tài)蝕刻至所需深度，用大量清水沖凈殘液；4)最后去除金屬片上的掩蔽層，拋光或打磨后制作導(dǎo)電耐蝕層。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于制備微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝，其特征 在于所用材料為0.05-3mm厚度的金屬板，包括不銹鋼、鈦及其合金、鋁合金、 或銅及其合金。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于制備微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝，其 特征是，能加工微孔、微溝道、微突起結(jié)構(gòu)，通過多次的光刻、蝕刻工藝，制 作三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬流場(chǎng)板。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于制備微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝，其特征 是，根據(jù)流場(chǎng)板材料的不同，選擇采用電鍍、擴(kuò)散、離子注入、濺射或者沉積 方法制作導(dǎo)電耐蝕層；導(dǎo)電耐蝕層的材料為金、銀、鉑、氮化鈦，或不銹鋼滲 氮改性層或?qū)щ娋酆衔铩?br> 全文摘要
本發(fā)明一種制備微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作工藝屬于對(duì)微型燃料電池技術(shù)的研究，尤其涉及一種微型燃料電池金屬流場(chǎng)板的制作方法。其制作工藝是在金屬片表面通過光刻技術(shù)制作掩蔽層，通過化學(xué)蝕刻或者電化學(xué)蝕刻的方法加工出微細(xì)結(jié)構(gòu)，以及在金屬表面制作導(dǎo)電耐蝕層。所用材料為金屬板，包括不銹鋼、鈦及其合金、鋁合金、或銅及其合金。能加工微孔、微溝道、微突起結(jié)構(gòu)，通過多次的光刻、蝕刻工藝，制作三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬流場(chǎng)板。采用此工藝制作的流場(chǎng)板具有電阻小、耐蝕、耐磨、無(wú)加工變質(zhì)層、無(wú)切削殘余應(yīng)力、一致性好。微結(jié)構(gòu)的最小線寬可以達(dá)到50μm，結(jié)合大尺幅光刻蝕刻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低成本，大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101222057SQ200710158789
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月4日
發(fā)明者沖 劉, 孫靈俊, 施維枝, 梁軍生, 王立鼎 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)