專利名稱：集成燃料電池及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池及制造一種集成燃料電池的方法。
背景技術：
圖1表示通過微電子技術形成的集成燃料電池的示例。上述電池形成在由
第一薄絕緣層2和第二厚絕緣層3覆蓋的硅晶片l形成的支撐晶片上。在絕緣 層3的一部分上形成開口。支撐層4、催化層5、電解質層6和第二催化層7 相繼沉積在上述開口。所有上述層形成活性疊層8。第一絕緣層2上的電極10 與燃料電池底面一側的支撐層4接觸。第二絕緣層3中的開口 ll接近電極lO。 上電極12與上催化層7接觸。電極10和12具有開口，且通道13形成在相對 下金屬化表面中的開口的硅晶片1中。下電極IO和上電極12分別形成陽極集 電體和陰極集電體。
電解質6例如是聚合物酸，例如固體形式的Nafion,催化層例如是碳基和 鉑基層。這些只是實施例中的示例。根據圖l形成的各種類型的燃料電池是現 有技術公知的。
為操作燃料電池，將氫氣沿下表面一側的H2箭頭注入，空氣(承載氧氣) 注入上表面一側。氫氣在催化層5 "分解"， 一方面，形成直接朝向電解質6的 f質子，另一方面，形成直接通過電池外面朝向陽極集電體10的電子。IT質 子穿過電解質6到達催化層7，在此他們與通過陰極集電體來自電池外的氧和 電子重組。公知的形式為具有這樣的結構正電壓在陰極集電體12 (在氧側) 上獲得，而負電壓在陽極集電體IO (在氫側)上獲得。
上述類型的燃料電池的缺點在于發生在氣氣入口通道13的開口水平的現 象。代替發生在的下催化層5的整個表面的交叉處的反應的現象，這些反應似
乎實際上僅發生在上述表面的一部分上，實質上為對應氫氣入口通道所占據的
開口的表面。也就是說，上述類型的電池的效率由于可以預期的因素2和3降 低。可以認為這是由于以下事實造成的，即支撐層4至少部分穿透到通道，且 催化層5僅與通道13開口處的氫氣接觸。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種新型的集成燃料電池結構，可以改進每單位
表面積的電化學效率。
本發明的另 一 目的是提供一種制造上述燃料電池的方法。 本發明的另一目的是提供具有上述簡單結構的燃料電池。 為達到上述目的，本發明提供一種在薄導電層上具有活性疊層的燃料電池，
在晶片上形成有氣體入口通道，薄導電層凸出到每個通道前面的活性疊層中，
并且所述氣體可透過。
根據本發明實施例，薄導電層是金層。
根據本發明實施例，燃料電池的各種活性層遵循薄導電層凸出的輪廓。 本發明還提供一種制造燃料電池的方法，包括提供支撐晶片的步驟；在支
撐晶片的第一表面形成非貫通通道；用第一材料覆蓋所述通道；在晶片第二表 面形成凹槽，上述凹槽暴露第一材料的底端；在第二表面上沉積能通過氫的導 電材料薄層；去除至少在導電材料薄層下面的上述材料的第一層；并在所述凹 槽形成可以形成具有可容納氫氣的底表面的燃料電池的疊層。 根據本發明的實施例，所述疊層的材料由噴墨方法沉積。


下面將參考聯系附圖的具體實施例的非限制性說明，詳細討論前述的及其 它本發明的目的、特點和優點。 圖l是公知燃料電池的截面圖2A至2E是說明制造根據本發明的燃料電池的相繼步驟的截面圖；以及
圖3至7說明本發明實施例。
具體實施例方式
為了清楚地說明，通常在集成電路的表達中，多個截面中的元件都不是按 比例放縮的。
圖2A至2E是說明制造根據本發明的燃料電池相繼步驟的簡化截面圖。在 上述制造過程中，由支撐晶片開始。為簡化本發明的說明，將考慮支撐晶片由 硅制成的情況，但也會考慮由現有技術中各種材料制成的情況，其導致相關方 法的選擇的相應適應性，特別是蝕刻方法，以及絕緣材料的選擇。
由此，圖2A表示覆蓋在具有保護層22和23的上和下(或前和后)表面 的硅晶片21。蝕刻后表面一側上的保護層23來形成開口。通過各向異性的蝕 刻方法，例如等離子蝕刻，根據這些開口形成的形狀，形成通道25。
在圖2B所示的下一步驟中，材料26沉積在通道25上以覆蓋他們的壁和 底或把他們完全填滿，如圖所示。在以后可以看到，這些材料應選自相對于硅 和金屬是可選擇性蝕刻的材料。在本發明的應用實施例中，覆蓋層26由通過熱 生長法獲得的硅氧化物層形成。保護層22和23也可以由硅氧化物制成，例如 通過沉積得到。
在圖2C所示的步驟中，開口形成在上保護層22中，凹槽28蝕刻在晶片 21前表面中。凹槽28足夠深，能夠延伸超出覆蓋有層26的通道25的底部。 蝕刻步驟不蝕刻層26的材料，因此，保留凹槽28底部的層26的材料的凸起。 根據上述制造方法，這些凸起的形狀根據等離子蝕刻的通道底部的形狀而各不 相同。例如，這些凸起有圓蓋形狀的。
如圖2D所示步驟，金屬層或合金層沉積在結構的上表面，其厚度足夠可 以良好地導電，且薄厚使得氫氣可以穿過。例如可以選擇厚度為500nm的金層。
然后，如圖2E所示的步驟，層26的材料被去除，至少在通道25底部的 部分被去除，其中上述層被導電層29覆蓋。金層29的凸起30被保留。
作為大小的一個例子，應該注意到，支撐晶片21如果是硅晶片，厚度可為
300至500微米之間，通道25可以是直徑為40至50微米的環形孔，并具有40 至50微米的臺階(step)，通常穿孔區域表面積為lcm2。金層29的凸起30高 度為10到20微米。
由圖2E中的結構開始，形成相關附圖l表示活性疊層8的沉積，很明顯， 在上述疊層中，支撐層4不是必要的。實際上，上述支撐層的目的為避免第一 催化層5的材料回到通道。上述金凸起30的凹凸形狀，可以是凸出的，導致氫 氣離開通遒23向上、向側邊更好地分散在下催化劑層中。
圖3至7表示了形成活性疊層8的各種不同的方法。在這些圖中，支撐晶 片指定的附圖標記為21，通道指定的附圖標記為25，氫氣可穿透的薄導電層指 定的附圖標記為29,第一催化層指定的附圖標記為5，電解質層指定的附圖標 記為6,第二催化層指定的附圖標記為7,氧氣可穿透的上電極指定的附圖標記 為31。
在圖3的實施例中，第一催化層5沉積形成以具有基本平坦的上表面。電 解質層6沉積形成以具有基本恒定的厚度(正投影沉淀)，且第二催化層7僅沉 積在正投影沉淀形成的催化層6的凹處的中央。絕緣體32形成在第一導電層 29與第二導電層31有接觸風險的地方。
圖4表示本發明的第二實施例，其中活性層5、 6和7的沉積均為正投影沉 淀。在上述實施例中，上催化層與第一電極29不接觸。
圖5表示另一正投影沉淀實施例，其中上金屬化層與凹槽28邊緣接觸，因 此有與下電極29短路的風險。為避免上述短路風險，絕緣層32沿形成活性層 的凹槽28的側壁延伸。
根據本發明的一個方面，材料層5、 6和7的沉積可以通過噴墨形成，現有 技術提供的圖案尺寸在幾十微米范圍，其可以與根據本發明的電池的基本尺寸 兼容，正如先前所示，孔的直徑在大約50微米。
圖4和5中的改變是為了增加各種活性層之間以及催化層和氫氣和氧氣入 口區域之間接觸的表面積，以增加有關電池的效率。
圖6和7中的實施例使用圖5中的結構并添加了納米管，例如，在電池的
上下表面添加了碳納米管，特別是在通道25中。 一方面，提供上述具有碳納米 管的襯墊可以改進結構中由于納米管疏水特性產生的水管理，另一方面，可以 改進燃料電池核心的由于納米管的低熱阻產生的熱管理。
在圖7的實施例中，凹槽形成在相對穿孔區域的下晶片表面。在上述實施 例中，這些凹槽用于保護碳納米管。應該注意到其它實施例中提供的上述凹槽 可以降低氫氣入口通道的高度。
權利要求
1、一種燃料電池，在薄導電層(29)上具有活性疊層(8)，在晶片(21)上形成有氣體入口通道(25)，薄導電層凸出到每個通道前面的活性疊層中，并可以透過所述氣體。
2、 如權利要求l所述燃料電池，其中薄導電層是金層。
3、 如權利要求l所述燃料電池，其中各個燃料電池活性層符合薄導電層的 凸起(30)的輪廓。
4、 一種制造燃料電池的方法，包括步驟 提供支撐晶片(21);從支撐晶片(21)的第一表面形成非貫通通道(25); 用第一材料(26)覆蓋所述通道；在晶片的第二表面上形成凹槽(28)，上述凹槽暴露第一材料的底面； 在第二表面沉積能使氫氣穿透的導電材料(29)薄層； 去除至少在導電材料薄層下面的材料(26)的第一層；且 在所述凹槽中形成疊層(8)，其能夠形成可以容納氫氣的具有底面的燃料 電池。
5、 如權利要求4所述方法，其中所述疊層材料層通過噴墨方法沉積。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池，其中，活性疊層(5、6、7)放置在薄導電層(29)上，該薄導電層由具有氣體供應橫向通道(25)的板(21)支撐，其中所述薄層凸出到每個通道前面的活性疊層中，并且可透過所述氣體。
文檔編號H01M8/04GK101361217SQ200680049320
公開日2009年2月4日 申請日期2006年12月27日 優先權日2005年12月27日
發明者M·羅伊, 法比安·皮埃爾 申請人:意法半導體有限公司