带毛细排水结构的微型PEMFC阴极极板及其制作方法

摘要

本发明公开了属于微能源和微机械加工技术领域的带毛细排水结构的微型PEMFC阴极极板及其制作方法。微型PEMFC阴极极板带有毛细排水结构，一系列亲水性毛细孔阵列制作于阴极极板上。所述毛细孔为刻蚀穿通阴极极板的孔。所述毛细孔阵列制作于被动式阴极极板窗格式结构的窗脊上或是主动式阴极极板的沟脊上。所述毛细排水结构在毛细孔靠近膜电极一侧制作亲水性区域。极板制作方法主要基于双面光刻、体硅腐蚀和硅深孔刻蚀工艺。最后利用低温氧等离子体表面处理工艺进行表面亲水化处理。本发明的排水结构制作工艺更为简单，并且与传统工艺的兼容性更好，这有利于实现电池与其他系统的集成，并且有利于大批量制作，从而降低成本。

主权项

带毛细排水结构的微型PEMFC阴极极板的制作方法，其特征在于，该方法步骤如下，(a)在双面抛光的n型<100>晶向的硅片上，热氧化生长30nm～150nm的SiO2，在压力为20Pa～40Pa下淀积150nm～300nm的Si3N4作为KOH体硅腐蚀的掩蔽层；(b)第一次光刻，在硅片一侧，采用正胶暗场的光刻板，进行光刻，在被动式阴极极板上光刻出硅杯及毛细孔区或者在主动式阴极极板上光刻出沟道区进出口及毛细孔区，此面为极板面向空气一侧，称为硅片背面，然后用反应离子刻蚀去除光刻暴露的Si3N4，用质量分数为35％～40％的氢氟酸按体积比氢氟酸∶水＝1∶(100～200)配制的氢氟酸的水溶液刻蚀去除开口区域的SiO2；(c)60℃～80℃水浴加热，并超声搅拌下，用质量分数为30％～35％的KOH水溶液，体硅腐蚀硅片，腐蚀深度为200μm～300μm；(d)在硅片同膜电极接触的一侧，即硅片正面，利用正胶亮场光刻板，进行第二次光刻，光刻出与膜电极接触的电流收集层图形，然后在曝光之后形成的光刻胶图形上溅射10nm～30nm的Ti，再溅射150nm～400nm的Pt作为电流收集层金属，其中，Ti为粘附层，Pt为导电层及抗腐蚀层；(e)采用正胶剥离技术，利用丙酮刻蚀光刻胶并剥离掉光刻胶上的金属，最终形成正面的电流收集层图形；(f)在电流收集层金属上溅射0.3μm～1μm厚的金属铝作为感应耦合离子刻蚀的掩蔽层；(g)在溅射好的金属铝上，利用正胶暗场光刻板进行第三次光刻，在被动式阴极极板上光刻出正面开口及毛细孔区，或者，在主动式阴极极板上光刻出沟道区 域及毛细孔区，然后利用质量分数为10％～15％的磷酸水溶液湿法腐蚀，去掉开口区域的金属铝；(h)利用感应耦合离子刻蚀从金属铝一侧进行深刻蚀，直到所有的毛细孔均被刻蚀穿通，之后利用质量分数为10％～15％的磷酸水溶液去除作为掩蔽层的金属铝，最后利用氧等离子体对毛细孔内壁和毛细孔端的亲水区进行表面处理，处理时间为30～60分钟，使其亲水化。