一种燃料电池电堆结构及其燃料电池和应用

摘要

本发明公开了一种燃料电池电堆结构及其燃料电池和应用，电堆结构包括相互串联且堆叠为一体的且数量不少于3个的燃料电池单元；燃料电池单元包括依次堆叠为一体的阳极板、阳电极、电解质隔膜、阴电极、阴极板；其中，阴极板和阳极板采用掺杂导电的晶体硅材料制成的硅极板；硅极板具有内部冷却介质流道、正面还原剂流道和/或反面氧化剂流道，且内部冷却介质流道、正面还原剂流道和/或反面氧化剂流道分别设有与其相连通的硅极板进出口组合；相比于现有技术中的金属极板、石墨极板或复合材料极板，本发明提出的硅极板在寿命、成本、效率以及功率密度上具有更佳的优势，对于燃料电池的大批量产业化进程无疑是具有重大意义和核心推进作用的。

权利要求

1.一种燃料电池电堆结构，其特征在于，所述电堆结构包括相互串联且堆叠为一体的且数量不少于3个的燃料电池单元；

每个所述燃料电池单元包括依次堆叠为一体的阳极板、阳电极、电解质隔膜、阴电极、阴极板；所述电堆结构包括位于两端的端部燃料电池单元和位于中部的1个或多个中部燃料电池单元，其中，中部燃料电池单元包括中部硅极板，所述中部硅极板具有内部冷却介质流道、正面还原剂流道和反面氧化剂流道；且所述内部冷却介质流道、正面还原剂流道和反面氧化剂流道分别设有与其相连通的中部硅极板进出口组合；所述端部燃料电池单元包括端部硅极板和所述中部硅极板；所述端部硅极板具有内部冷却介质流道和正面还原剂流道；且所述端部硅极板的内部冷却介质流道和正面还原剂流道分别设有与其相连通的端部硅极板进出口组合；或者所述端部硅极板具有内部冷却介质流道和反面氧化剂流道；且所述端部硅极板的内部冷却介质流道和反面氧化剂流道分别设有与其相连通的端部硅极板进出口组合；

所述中部硅极板包括2个以上的中部硅片，中部硅片具有双面流道；其中，在中部硅片双面上分别制作导电材料层，该导电材料层同时作为掩膜层，之后采用碱溶液腐蚀工艺在中部硅片双面上加工流道；然后将所述中部硅片未覆盖流道的表面区域之间采用导电材料复合连接堆叠为一体，且通过所述复合连接形成位于所述中部硅极板内部的内部流道，所述内部流道作为所述中部硅极板的内部冷却介质流道；位于所述中部硅片的非堆叠面的流道作为还原剂流道或氧化剂流道；

所述端部硅极板包括端部硅片和中部硅片，其中，端部硅片具有单面流道，中部硅片具有双面流道；其中，在端部硅片的单面上以及端部硅极板的中部硅片的双面上分别制作导电材料层，该导电材料层同时作为掩膜层，之后采用碱溶液腐蚀工艺在端部硅片的设有导电材料层的单面上以及端部硅极板的中部硅片的双面上加工流道；然后将端部硅片的设有流道一侧的未覆盖流道的表面区域与端部硅极板的中部硅片的未覆盖流道的表面区域之间采用导电材料复合连接堆叠为一体，且通过所述复合连接形成位于所述端部硅极板内部的内部流道，所述内部流道作为所述端部硅极板的内部冷却介质流道；位于所述端部硅极板的中部硅片的非堆叠面的流道作为还原剂流道或氧化剂流道；

所述端部硅极板和中部硅极板均为采用掺杂导电的晶体硅材料制成的硅极板。

2.如权利要求1所述的燃料电池电堆结构，其特征在于，所述中部硅极板同时作为单个燃料电池单元的阴极板和与其相邻的单个燃料电池单元的阳极板。

3.如权利要求1所述的燃料电池电堆结构，其特征在于，所述导电材料采用与硅材料具有共晶键合效应的金属导电材料。

4.如权利要求1所述的燃料电池电堆结构，其特征在于，所述电堆结构的输出功率不低于0.1KW。

5.如权利要求1所述的燃料电池电堆结构，其特征在于，所述还原剂为氢气或天然气或煤气或甲醇，所述氧化剂为氧气或空气。

6.如权利要求1所述的燃料电池电堆结构，其特征在于，所述阳电极、电解质隔膜、阴电极采用MEA膜电极组件，其中，所述电解质隔膜为质子交换膜。

7.如权利要求1所述的燃料电池电堆结构，其特征在于，所述冷却介质为水。

8.一种燃料电池，包括电堆结构、封装绝缘件以及外部安装件，其特征在于，所述电堆结构采用如权利要求1-7之一所述的燃料电池电堆结构。

9.一种如权利要求8所述的燃料电池的应用，其特征在于，应用于便携式产品，或应用于固定式的供电或热装置产品，或应用于交通运输产品。

说明书

一种燃料电池电堆结构及其燃料电池和应用

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池领域，具体涉及了一种燃料电池电堆结构及其燃料电池和应用。

背景技术

[0002] 燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，能量转化率高；而且采用氢作为燃料的燃料电池反应产物为水，环境友好，理论上可实现零污染排放；另外，燃料电池没有机械传动部件，运动部件少，工作时噪音很低；而且燃料电池还具有比能量高，可靠性高，燃料范围广，启动时间短，体积小，携带方便等优点。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是目前最有发展前途的发电技术。

[0003] 从结构上来说，燃料电池通常包括电极(Electrode)、电解质隔膜(Electrolyte Membrane)与集电器(Current Collector)；其中，燃料电池的电极是燃料发生氧化反应以及氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，为了促进反应的发生，一般在电极上还会设置催化剂；电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子；而集电器通常又称作双极板(Bipolar Plate)，是燃料电池电堆中重要的性能元件，双极板负责把燃料和空气分配到阴阳电极表面以及电池堆的散热，也是负责将单电池串联起来组成电池堆的关键部件，主要起分割氧化剂、还原剂和冷却剂以及收集电流的作用，对燃料电池堆质量、体积、成本、可靠性以及功率密度等方面影响占很大权重，其成本占据了整个燃料电池成本的20-60％。因此，高性能、低成本双极板材料的开发，对于燃料电池的大规模商业化应用具有重要的意义。目前双极板材料的研发占据了燃料电池研发费用的40-60％，从另一方面也证实了双极板是决定燃料电池能够产业化的核心关键因素。

[0004] 经研究验证，双极板需具备的特点有：良好的阻气功能；较好的导热性能；较低的体电阻和接触电阻；耐腐蚀性强；质量轻、强度高、适于批量加工等特性。

[0005] 现有技术中，燃料电池的双极板的种类主要有石墨板或金属板，其中石墨板主要是利用碳粉或石墨粉混合可石墨化树脂压制而得，其主要存在体积大、功率密度小以及强度小的缺点；金属板一般直接采用不锈钢、钛合金、铝合金等直接加工而成，其主要存在易被腐蚀的缺陷，一般需要进行各种表面改性，进而又带来了制备工艺复杂，成本高的问题；现已有一些采用复合板来作为双极板的技术方案，一种是采用多层复合型，采用以薄金属为分隔板，有孔薄碳板为流场板，以极薄导电胶粘合，制作非常繁琐，另一种是采用复合材料型，采用热塑或热固性树脂混合石墨粉增强纤维等形成预制料并固化、石墨化后成型，但其导电效果差，而且成本高。

[0006] 因此，寻求一种合适的双极板材料作为燃料电池的双极板，并满足双极板所要求的良好的阻气功能；较好的导热性能；较低的体电阻和接触电阻；耐腐蚀性强；质量轻、强度高、适于批量加工等特性，对于燃料电池的大批量产业化进程无疑是具有重大意义和核心推进作用的。

发明内容

[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种燃料电池电堆结构及其燃料电池和应用，提出采用硅极板直接作为燃料电池的双极板，不仅满足了双极板做要求的良好的阻气功能；导电、导热性能好；较低的体电阻和接触电阻；耐腐蚀性强；质量轻、强度高、适于批量加工等特性；而且本发明相比于现有技术中的金属极板、石墨极板或复合材料极板，在寿命、成本、效率以及功率密度上具有更佳的优势，对于燃料电池的大批量产业化进程无疑是具有重大意义和核心推进作用的。

[0008] 在提出本发明技术方案之前，本申请人经过仔细批量检索，发现了一些与本发明疑似接近的现有技术方案，本申请人进行了仔细阅读和重点分析：

[0009] 据有关期刊文献记载到：材料硅具有气体透过率低、导热系数高和加工容易等特点，是微型燃料电池制作中比较理想的基底材料，并且在硅的表面镀上金属(通常为贵金属)，就能获得导电性能和更好的稳定性、抗腐蚀性能。2000年，Kelly和Meyers首先发表了以硅基制作微型燃料电池的相关文献。此后硅在微型燃料电池有了较大的发展。Kim用硅作为基底制作了微型燃料电池，其流道尺寸为400微米(宽)x230微米(深)，并且在硅微双极板的背部加上了厚500微米的耐热玻璃，这样做的目的是加强其物理强度，克服硅片比较脆的缺点；并且在硅双极板上镀金，使其具有更好的稳定性，当输出电压为0.6V时，其实际功率密度为203mW/cm2,最大功率密度可达261mW/cm2,电池的体积比功率密度为360mW/cm3.但是硅材料作为双极板材料也有一些不足之处，例如需镀上贵金属来收集电流，这就不仅增加了生产过程，也增加了材料成本。经申请人仔细分析发现，这些技术利用了硅的气密特性、传热性和易精细加工的特性，因此想到将硅片直接作为燃料电池的衬底，再在硅衬底上面制作用于收集电流的金属层，将电极产生的电流收集后沿着平行于硅衬底表面的方向流出电池，该结构由于沿着金属层膜传导电流，因而只能做成面积较小的燃料电池，且不能多层地堆叠起来；同时，由于该硅衬底结构内部无法设置提供冷却介质流动的结构，这些原因最终导致了采用硅材料作为燃料电池极板衬底的技术方案长久以来仅能在微型燃料电池产品中应用。

[0010] 如上所述，申请人经深入检索发现了疑似公开了采用硅材料应用到燃料电池的现有技术方案，为了对本发明技术方案进行更好地说明，申请人进一步特别列出了如下专利文献来结合说明这些技术方案与本发明的不同：

[0011] 1、如授权公告号为CN100397687C的中国发明专利公开了自呼吸式微型质子交换膜燃料电池的阴极流场板及制作方法，采用MEMS技术加工的新结构，具体提出了：流场板的结构特点是在厚度为300-500微米左右的硅片材料上将阴极流场加工成双层复合镂空结构，该流场板靠近空气一侧，加工成垂直于硅片方向的镂空流道，在靠近膜电极的另一侧，对应于靠近空气侧的镂空流道处加工垂直于硅片的流道，使硅片贯穿；该方法的硅极板作为微型燃料电池的阴极衬底结构，不仅需要在硅衬底上设置贵金属导电层来实现极板结构要求的收集电流功能，制备工艺复杂，材料成本高，而且无法设置冷却水流道，只能制作微型燃料电池；

[0012] 2、授权公告号为CN101894954B的发明专利公开了一种基于常温键合技术的微小型燃料电池封装方法，提出了阴极、阳极极板的制作方法，在<100>晶向双面抛硅片上用热氧化法两面生长50nm二氧化硅作为应力缓冲层，再LPCVD沉积160nm氮化硅作为掩蔽层，正面溅射20nm的Cr作为粘附层，再溅射0.2微米的Au作为电流收集层，然后光刻出流场结构图案后用反应离子刻蚀去除光刻暴露的氮化硅，去除光刻胶体；然后用KOH溶液加超声波腐蚀硅片，当两侧腐蚀面相遇，形成穿通的进出口和通孔后停止；最后用反应离子刻蚀去除正面暴露的氮化硅，用氢氟酸水溶液去除正面键合的二氧化硅；该方法的硅极板同样是作为微型燃料电池的极板衬底结构，不仅需要在硅衬底上设置贵金属导电层(Au或Pt，而且还需要设置Cr作为粘附层)来实现极板结构要求的收集电流功能，制备工艺复杂，材料成本高，而且无法设置冷却水流道，只能制作微型燃料电池；

[0013] 3、公开号为CN101867052A的发明专利公开了轮辐式自呼吸微型燃料电池及其制备方法，采用硅片作为阴极、阳极极板，具体工艺为：清洗硅片，利用低压化学气相沉积法在硅片表面制备作为腐蚀掩模的氮化硅薄膜，利用光刻技术在薄膜上形成掩模图形，以实现选择腐蚀的目的；采用40％的KOH溶液对硅片进行各向异性腐蚀，利用反应离子刻蚀法去除硅片表面残留氮化硅薄膜，采用激光加工技术在硅片表面形成侧壁陡直的进出口通道，利用磁控溅射技术在硅片腐蚀面形成Ti/Au的金属层，用以收集和传导电流；同样地，该方法的硅极板同样是作为微型燃料电池的极板衬底结构，不仅需要在硅衬底上设置贵金属导电层(Ti/Au)来实现极板结构要求的收集电流功能，制备工艺复杂，材料成本高，而且无法设置冷却水流道，只能制作微型燃料电池；

[0014] 4、授权公告号为CN100483829C的发明专利公开了一种堆叠式硅基微型燃料电池组及其制作方法，采用了硅衬底，具体公开了硅极板的刻蚀方法，在<100>晶向双面抛硅片上用热氧化法两面生长二氧化硅，再LPCVD0.1微米氮化硅作为掩蔽层，光刻出流场结构图案后用反应离子刻蚀去除光刻暴露的氮化硅，去除光刻胶体；然后用KOH溶液加超声波腐蚀硅片，当两侧腐蚀面相遇，形成穿通的进出口和通孔后停止；同样地，该方法的硅极板同样是作为微型燃料电池的衬底结构，不仅需要在硅衬底上设置贵金属导电层(Ti/Pt)来实现极板结构要求的收集电流功能，制备工艺复杂，材料成本高，而且无法设置冷却水流道，只能制作微型燃料电池；

[0015] 5、授权公告号为CN100369304C的发明专利公开了一种硅基微型直接甲醇燃料电池用催化电极的制备方法，具体公开了采用电阻率为0.012-0.013Ω.cm的P型或N型晶向为<100>的硅片，清洗后氧化生成1.0-1.5微米的二氧化硅层，采用光刻技术形成流场图形，然后采用湿法腐蚀技术在硅片上腐蚀沟道流场，腐蚀深度在150-240微米；最后通过电化学方法在硅片表面形成多孔硅，在上面淀积上催化剂后，多孔硅表面大大增加催化剂的有效反应面积。在此燃料电池中，硅片作为微型燃料电池的催化电极材料的载体，与本发明利用晶硅制作极板所要解决的技术问题以及采用的技术方案不同。

[0016] 结合如上所述，这些现有疑似提出燃料电池采用硅材料的技术方案，申请人发现这些技术方案要么是仅将硅极板作为其极板部件的衬底支撑件，需要在硅极板上涂覆贵金属等材料来实际用于燃料电池极板部件的电流收集，如本文上述的期刊、以及1.CN100397687C、2.CN101894954B、3.CN101867052A、4、CN100483829C；要么就是将硅片制成多孔硅结构，作为燃料电池的催化剂载体和电极材料，如5.CN100483829C；而且这些现有技术还有一个共同特点，这些提出将硅作为极板衬底或电极材料的技术方案全部都是被限制应用于微型燃料电池，微型燃料电池均一般采用1个，最多2个的燃料电池单元，输出功率一般在毫瓦到几十瓦之间，且该硅衬底结构也无法设置冷却水流道，散热性能无法得到保证；申请人发现至今没有技术人员提出将此技术方案概念应用到非微型的规模工业用燃料电池中，经申请人深入分析后，发现这是由于将这些现有技术提出将硅片用来制作硅衬底的工艺方法的灵感均来自于电子行业中硅芯片加工技术，具体为MEMS加工技术，将该MEMS加工技术应用到微型燃料电池中用来制作硅衬底或多孔硅电极，而由于非微型的规模工业用燃料电池具有若干个燃料电池单元串联的电堆结构，首先硅衬底无法作为提供足够机械支撑力，其次还需要在硅极板衬底上电镀贵金属来实现收集电流功能，如果采用MEMS加工工艺制作非微型的规模工业用燃料电池会非常繁琐，成本也会过高，跟金属极板或石墨极板没有竞争优势；更重要的是，如前文所述，这些技术方案是将电极产生的电流收集后沿着平行于硅衬底的方向流出电池，该结构由于沿着金属层膜传导电流，因而只能做成面积较小的燃料电池，且不能多层地堆叠起来；而且电堆结构由于输出功率高，工作过程中会产生热量，所以极板除了需要具有氧化剂和还原剂流道外，还需要设置冷却水流道。因此在此基础上，本领域技术人员不会有动机想到将硅材料应用到非微型的规模工业用燃料电池中。

[0017] 而本申请发明人经过对燃料电池的了解，以及对于硅材料几十年的研究探索分析经验，发现硅材料通过特定选择和设计后是完全可以直接作为燃料电池的硅极板，而且相比于现有技术中的金属极板、石墨极板或复合材料极板，本发明的硅极板获得令人惊喜的突出技术效果，主要采用的技术方案如下：

[0018] 一种燃料电池电堆结构，其中，所述电堆结构包括相互串联且堆叠为一体的且数量不少于3个的燃料电池单元；所述燃料电池单元包括依次堆叠为一体的阳极板、阳电极、电解质隔膜、阴电极、阴极板；其中，所述阴极板和阳极板采用掺杂导电的晶体硅材料制成的硅极板；所述硅极板具有内部冷却介质流道、正面还原剂流道和/或反面氧化剂流道，且所述内部冷却介质流道、正面还原剂流道和/或反面氧化剂流道分别设有与其相连通的硅极板进出口组合。

[0019] 优选地，所述硅极板可同时作为单个燃料电池单元的阴极板和与其相邻单个燃料电池单元的阳极板。

[0020] 优选地，所述硅极板包括2个或2个以上的硅片，其中，所述硅片具有单面或双面流道；所述硅片未覆盖流道的表面区域之间采用导电材料复合连接堆叠为一体，且通过所述复合连接形成位于所述硅极板内部的内部流道，所述内部流道作为所述内部冷却介质流道；位于所述硅片的非堆叠面的流道作为还原剂流道或氧化剂流道。

[0021] 优选地，所述掺杂导电的晶体硅材料采用单晶体或多晶体掺杂硅片，且其电阻率不高于0.1Ω.cm。

[0022] 优选地，所述电堆结构的输出功率不低于0.1KW。

[0023] 优选地，所述电堆结构包括位于两端的端部燃料电池单元和位于中部的1个或多个中部燃料电池单元，其中，中部燃料电池单元包括中部硅极板，所述中部硅极板具有内部冷却介质流道、正面还原剂流道和反面氧化剂流道；且所述内部冷却介质流道、正面还原剂流道和反面氧化剂流道分别设有与其相连通的硅极板进出口组合。

[0024] 优选地，所述端部燃料电池单元包括端部硅极板和所述中部硅极板；其中，所述端部硅极板具有内部冷却介质流道、正面还原剂流道或反面氧化剂流道；且所述内部冷却介质流道、正面还原剂流道或反面氧化剂流道分别设有与其相连通的硅极板进出口组合。

[0025] 优选地，所述中部硅极板包括第一中部硅片和第二中部硅片，其中，所述第一中部硅片具有反面第一内部冷却介质流道、正面还原剂流道和第一进出口组合，所述第二中部硅片具有正面第二内部冷却介质流道、反面氧化剂流道和第二进出口组合；所述第一中部硅片未覆盖所述第一内部冷却介质流道的反面区域和第二中部硅片未覆盖所述第二内部冷却介质流道的正面区域之间采用导电材料复合连接堆叠为一体，所述第一内部冷却介质流道与所述第二内部冷却介质流道对应配合且通过所述复合连接形成所述内部冷却介质流道；所述第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过所述复合连接形成所述硅极板进出口组合。

[0026] 优选地，所述端部硅极板包括端部硅片和中部硅片，其中，所述端部硅片具有正面或反面第一内部冷却介质流道和第一进出口组合，所述中部硅片具有反面或正面第二内部冷却介质流道、正面还原剂流道或反面氧化剂流道和第二进出口组合；所述端部硅片未覆盖所述第一内部冷却介质流道的正面或反面区域和中部硅片未覆盖所述第二内部冷却介质流道的反面或正面区域之间采用导电材料复合连接堆叠为一体，所述第一内部冷却介质流道与所述第二内部冷却介质流道对应配合且通过所述复合连接形成所述内部冷却介质流道；所述第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过所述复合连接形成所述硅极板进出口组合。

[0027] 优选地，所述硅片的厚度范围为0.2-5mm。

[0028] 优选地，所述硅片的尺寸范围在50-300mm。

[0029] 优选地，所述还原剂为氢气或天然气或煤气或净化气或甲醇，所述氧化剂为氧气或空气。

[0030] 优选地，所述阳电极、电解质隔膜、阴电极采用MEA膜电极组件，其中，所述电解质隔膜为质子交换膜。

[0031] 优选地，所述冷却介质为水。

[0032] 优选地，在本发明中，用于硅片之间复合连接的导电材料的厚度范围在微米级，可以为1-100微米或1-50微米或1-20微米，在材料选择上，可以为导电金属材料或如导电胶等导电非金属材料，由于导电胶类的导电非金属材料难以加工到微米级厚度，而且在复合连接过程中，通常需要排除有机溶剂，这不利于工艺的实施，因此，优选地，本发明所述的导电材料采用金属导电材料；为了利于金属导电材料之间以及其与硅片之间的良好复合连接，进一优选地，本发明所述的导电材料采用与硅材料具有共晶键合效应的金属导电材料，也就是说在等于或接近共晶温度(本发明所述共晶温度就是硅和该对应金属导电材料发生共晶反应时的温度)时，金属导电材料与硅可以发生良好共晶反应，使得硅片之间的金属导电材料层以及与其接触的硅片表面层互熔键合，冷却后形成了粘接牢固的一体硅金属导电合金复合结构，最终实现了硅片之间的优异复合连接效果；具体优选地，这些金属导电材料具体可以为：镍Ni、金Au、银Ag、铜Cu、铝Al等材料；硅和这些金属导电材料的共晶温度通常明显要低于硅本身或金属导电材料本身的熔融温度，共晶温度范围一般在500-1000℃，具体其与硅共晶温度可以根据实际采用的金属导电材料类型来确定，这些通过查阅相关现有技术资料就可以得到。

[0033] 优选地，还原剂流道和/或氧化剂流道的深度范围为50-300微米，宽度范围为500-3000微米。

[0034] 优选地，一种燃料电池，包括电堆结构、封装绝缘件以及外部安装件，其中，所述电堆结构采用如上所述的燃料电池电堆结构。

[0035] 优选地，一种如上所述的燃料电池应用，其中，应用于便携式产品，或应用于固定式的供电或热装置产品，或应用于交通运输产品。

[0036] 优选地，一种如上所述的燃料电池应用，其中，应用于汽车产品。

[0037] 本发明是鉴于本申请人发明人对于硅材料几十年的研究探索分析经验基础上提出了将掺杂导电的晶体硅材料直接作为燃料电池的硅极板，并提出了硅极板的结构设计，具体采用两个或两个以上硅片堆叠复合而成，通过该堆叠复合加工形成了内部流道，内部流道可直接作为冷却介质流道；本发明提供的硅极板作为燃料电池内部的骨架结构，可以提供足够机械支撑力，同时硅极板直接作为电流收集板进行燃料电池堆叠方向上的电流传输，不仅不需要额外设置金属膜层，而且实现了具有电堆结构的燃料电池所要求的多层堆叠结构；而且硅极板具有的内部流道直接作为冷却介质流道，进一步有效将燃料电池工作过程时产生的热量及时向外部输送；因此，本发明提供的硅极板完全能够满足燃料电池双极板所要求的良好的阻气功能；较好的导热性能；较低的体电阻和接触电阻；耐腐蚀性强；质量轻、强度高、适于批量加工等特性，相比于现有技术中的金属极板、石墨极板或复合材料极板，本发明提出的硅极板在寿命、成本、效率以及功率密度上具有更佳的优势，对于燃料电池的大批量产业化进程无疑是具有重大意义和核心推进作用的。

[0038] 本发明还进一步提出了优选的硅极板制备方法，采用在硅片表面上制作导电材料层，导电材料层优选如镍、铜等贱金属材料，本发明的该导电材料层既作为硅片后续腐蚀工艺中的掩模层结构，同时更是将两个硅片复合连接堆叠为一体的过渡粘接结构，工艺最为简单有效，易于实施，而且工艺成本最低，适合进行批量制造应用。

[0039] 本发明还进一步提出了优选的用于硅片之间复合连接的导电材料，具体提出将与硅材料具有共晶键合效应的金属导电材料作为连接硅片之间的复合材料，在共晶温度下进行烧结，使得硅片之间的金属导电材料层以及与其接触的硅片表面层互熔键合，冷却后形成了粘接牢固的一体硅金属导电合金复合结构，最终实现了硅片之间的优异复合连接效果。

[0040] 需要说明的是，本发明提供的硅极板由于具有以上优异特性，因此尤其适合应用于具有电堆结构的非微型燃料电池产品领域(尤其是输出功率不低于0.1KW的非微型燃料电池)，相比于现有技术中的金属极板、石墨极板或复合材料极板具有更佳的性能优势；当然地，本领域技术人员可以根据实际需要把硅极板直接应用于微型燃料电池领域(一般只有1-2个燃料电池单元)，其相对于现有将硅作为极板衬底的微型燃料电池在材料成本、制备工艺以及机械强度和冷却性能上具有一些明显的技术优势，这些同样应属于本发明的保护范围之内。

[0041] 本发明需要特别说明的是，本发明全文出现的正面和反面的表述仅是为了说明各类流道是分布在硅片不同面的位置分布关系，正面和反面都是相对而言的，实际方向根据参照物不同而不同，其不作为本发明对具体方向的限定。

附图说明

[0042] 附图1是本发明具体实施方式下电堆结构100的截面结构示意图；

[0043] 附图2是本发明实施例1的中部燃料电池单元100b、100c、100d和端部燃料电池单元100a、100e的截面结构示意图；

[0044] 附图3是本发明实施例1的中部硅极板110、端部硅极板130、130’的截面结构示意图；

[0045] 附图4是本发明实施例1中部硅极板110中还原剂流道111的结构示意图；

[0046] 附图5是本发明实施例1中部硅极板110的制备工艺流程图；

[0047] 附图6是本发明实施例2中部硅极板210的制备工艺流程图；

[0048] 附图7是本发明实施例3中部硅极板310的制备工艺流程图；

[0049] 附图8是本发明实施例4中部硅极板410的制备工艺流程图；

[0050] 附图9是本发明实施例5中微型燃料电池的燃料电池单元10的截面结构示意图；

[0051] 附图10是本发明实施例6中微型燃料电池的燃料电池单元20a、20b的截面结构示意图。

具体实施方式

[0052] 本发明实施例公开了一种燃料电池电堆结构，其中，电堆结构包括相互串联且堆叠为一体的且数量不少于3个的燃料电池单元；燃料电池单元包括依次堆叠为一体的阳极板、阳电极、电解质隔膜、阴电极、阴极板；其中，阴极板和阳极板采用掺杂导电的晶体硅材料制成的硅极板；硅极板具有内部冷却介质流道、正面还原剂流道和/或反面氧化剂流道，且内部冷却介质流道、正面还原剂流道和/或反面氧化剂流道分别设有与其相连通的硅极板进出口组合。

[0053] 本发明实施例还公开了一种燃料电池，包括电堆结构、封装绝缘件以及外部安装件，其中，电堆结构采用如上所述的燃料电池电堆结构。

[0054] 本发明实施例还公开了一种如上所述的燃料电池应用，其中，应用于便携式产品，或应用于固定式的供电或热装置产品，或应用于交通运输产品。

[0055] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0056] 实施例1：

[0057] 请参见图1所示的一种燃料电池电堆结构100，电堆结构100包括相互串联且堆叠为一体的且数量不少于3个的燃料电池单元，具体地，在本实施方式中，燃料电池单元的数量为5个；优选地，电堆结构100的输出功率不低于0.1KW，当然地，在本发明其他实施方式中，本领域技术人员完全可以根据实际需要应用的产品领域的所需功率需要，来选择燃料电池单元的数量，本发明对此不做具体限定。

[0058] 如图1所示，本实施例1的电堆结构包括位于两端的端部燃料电池单元100a、100e和位于中部的3个中部燃料电池单元100b、100c、100d，每个燃料电池单元包括依次堆叠为一体的阳极板、阳电极、电解质隔膜、阴电极、阴极板，阴极板和阳极板采用掺杂导电的晶体硅材料制成的硅极板，其中，硅极板同时作为单个燃料电池单元的阴极板和与其相邻单个燃料电池单元的阳极板；

[0059] 优选地，在本实施方式中，掺杂导电的晶体硅材料采用单晶体或多晶体掺杂硅片；优选地，在本实施方式中，硅片的电阻率不高于0.1Ω.cm，更优选地，硅片的电阻率范围为
0.0005-0.05Ω.cm；

[0060] 需要说明的是，本发明在具体实施时可以根据具体选择的硅片所属晶体硅类型来选择硅极板的制备方法，本文后面会具体展开说明。

[0061] 优选地，在本实施方式中，硅片的厚度范围为0.2-5mm，尺寸范围在50-300mm；硅片的形状可以为方型形状，也可以为圆型形状，也可以为其他需要的形状，本发明具体实施对此不做具体限定；

[0062] 具体优选地，在本实施方式中，所采用的硅片均为N型单晶体掺磷硅片，呈方型形状，晶向为非<111>晶向，具体可以为<100>晶向或<110>晶向或其他与<111>晶向具有明显角度的晶向，这有利于本实施方式后续采用碱溶液腐蚀工艺；N型单晶体掺磷硅片的电阻率约为0.01Ω.cm；硅片的厚度为0.5mm，尺寸约为150mm；

[0063] 优选地，在本发明实施例中，硅极板具有内部冷却介质流道、正面还原剂流道和/或反面氧化剂流道，且内部冷却介质流道、正面还原剂流道和/或反面氧化剂流道分别设有与其相连通的硅极板进出口组合；优选地，硅极板具体包括2个或2个以上的硅片，其中，硅片具有单面或双面流道；硅片未覆盖流道的表面区域之间采用导电材料复合连接堆叠为一体，且通过复合连接形成位于硅极板内部的内部流道，内部流道作为内部冷却介质流道；位于硅片的非堆叠面的流道则作为还原剂流道或氧化剂流道；

[0064] 进一步具体优选地，在本实施例1中，请进一步参见图2和图3所示，中部燃料电池单元100b、100c、100d包括中部硅极板110，中部硅极板110采用两个硅片复合加工而成，具有内部冷却介质流道112、正面还原剂流道111和反面氧化剂流道113；且内部冷却介质流道112、正面还原剂流道111和反面氧化剂流道113分别设有与其相连通的硅极板进出口组合(可结合参考图4所示)，具体地，包括三组硅极板进出口组合，分别用于与内部冷却介质流道112、正面还原剂流道111和反面氧化剂流道113连通，同时该三组硅极板进出口组合的进口分别通入冷却介质、还原剂和氧化剂，其出口分别用于排出经过各自流道后的冷却介质、多余的还原剂和氧化剂及它们的反应产物；

[0065] 在本发明实施时，还原剂可以为氢气或天然气或煤气或净化气或甲醇等，氧化剂可以为氧气或空气，本领域技术人员可以根据本发明的技术内容以及需要应用的领域来具体选择还原剂和氧化剂类型；具体优选地，在本实施方式中，还原剂为氢气，氧化剂为氧气，反应产物为水，阳电极、电解质隔膜、阴电极采用MEA膜电极组件120，电解质隔膜为质子交换膜，冷却介质为水，这有利于本发明提供燃料电池电堆结构的效率、功率密度以及节约成本，易于操作应用实施，而且本实施方式中的反应产物为水，没有任何危害物质产生，非常环保；其中，本实施例的MEA膜电极组件120以及质子交换膜可以直接采用现有技术中的任意一种技术方案，市场上可以容易购买得到，属于产业化较为成熟的公知技术，本发明对该部分不做具体展开说明；

[0066] 为了确保本实施例燃料电池的绝缘安装的安全性，各燃料电池单元的MEA膜电极组件120与其硅极板两侧设有一定安全封装结缘距离，距离一般设置为毫米级别，如5-15mm；该安全封装结缘距离用于后续进行绝缘封装。

[0067] 其中，请参见图4所示，为了实现这些进出口组合与对应连通的流道的导流唯一性，进出口组合与其对应连通的流道之间设有导流道，导流道可与流道在制备过程中一同制备而成，其中，正面还原剂流道111对应的硅极板进出口组合包括图4所示的进口114a和出口114a’(其余流道对应的硅极板进出口组合已示出但未标记，进口114a和出口114a’分别对应的导流道分别为进口导流道115a和出口导流道115a’；

[0068] 本发明实施例的中部硅极板110上的具体流道、进口和出口的形状设计可以参考图4的设计，也可以采用现有技术中任意一种，本发明不做特别限定；

[0069] 进一步具体来说，请进一步结合参见图5所示，在本实施方式中，中部硅极板110包括第一中部硅片和第二中部硅片，其中，第一中部硅片具有反面第一内部冷却介质流道、正面还原剂流道111和第一进出口组合，第二中部硅片具有正面第二内部冷却介质流道、反面氧化剂流道113和第二进出口组合；第一中部硅片未覆盖第一内部冷却介质流道的反面区域和第二中部硅片未覆盖第二内部冷却介质流道的正面区域之间采用导电材料复合连接堆叠为一体，反面第一内部冷却介质流道与正面第二内部冷却介质流道对应配合且通过复合连接形成内部冷却介质流道112；第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过复合连接形成硅极板进出口组合。本实施例中的反面第一内部冷却介质流道、正面第二内部冷却介质流道以及反面氧化剂流道113的具体流道结构和形状可直接参考图4所示的正面还原剂流道111，为了节省篇幅，不再重复说明；

[0070] 优选地，在本发明实施例中，还原剂流道111和氧化剂流道113的深度范围为50-300微米，宽度范围为500-3000微米；具体优选地，在本发明实施方式中，还原剂流道111和氧化剂流道113的深度为100±10微米，宽度为1000±100微米；第一内部冷却介质流道、第二内部冷却介质流道的深度和宽度设计方案与还原剂流道111和氧化剂流道113相同；

[0071] 在本实施例1中，请进一步参见图2和图3所示，端部燃料电池单元100a包括端部硅极板130、MEA膜电极组件120和中部硅极板110，端部燃料电池单元100e包括端部硅极板130’、MEA膜电极组件120和中部硅极板110，其中，端部硅极板130采用两个硅片复合加工而成，具有内部冷却介质流道131、反面氧化剂流道132；且内部冷却介质流道131、反面氧化剂流道132分别设有与其相连通的硅极板进出口组合；端部硅极板130’采用两个硅片复合加工而成，具有内部冷却介质流道131、正面还原剂流道132’；且内部冷却介质流道131、正面还原剂流道132’分别设有与其相连通的硅极板进出口组合；本实施例的端部硅极板130、
130’的硅极板进出口组合采用与中部燃料电池单元100b、100c、100d的硅极板进出口组合相同的技术方案，具体不做展开说明；

[0072] 进一步具体来说，端部硅极板130分别包括端部硅片和中部硅片，其中，其端部硅片具有反面第一内部冷却介质流道和第一进出口组合，其中部硅片具有正面第二内部冷却介质流道、反面氧化剂流道132和第二进出口组合；端部硅极板130’分别包括端部硅片和中部硅片，其中，其端部硅片具有正面第一内部冷却介质流道和第一进出口组合，其中部硅片具有反面第二内部冷却介质流道、正面还原剂流道132’和第二进出口组合；端部硅片和中部硅片采用导电材料复合连接堆叠为一体，第一内部冷却介质流道与第二内部冷却介质流道对应配合且通过复合连接形成内部冷却介质流道131；第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过复合连接形成硅极板进出口组合。

[0073] 在本发明实施方式中，根据中部硅极板110和端部硅极板130、130’的结构设计特性，本领域技术人员可以采用多种工艺路径来制备得到本发明实施例的中部硅极板110和端部硅极板130、130’，典型的方法为：采用刻蚀工艺或激光工艺或丝网印刷工艺在硅片单面或双面上加工流道或进出口组合；然后采用导电材料将2个或2个以上的硅片复合连接堆叠为一体，通过该复合连接形成位于硅极板内部的内部流道，内部流道作为硅极板的内部冷却介质流道。

[0074] 由于本发明燃料电池电堆结构100中的每个燃料电池单元100a、100b、100c、100d、100e采用串联且堆叠为一体，因此本发明电堆结构实现了在堆叠方向上的电流收集传输、以及在堆叠方向上各燃料电池单元之间通过对应配合的硅极板进出口组合，各燃料电池单元的内部冷却介质流道112、131，还原剂流道111,132’和氧化剂流道113,132在堆叠方向上的分别连通；

[0075] 在本实施例中，用于硅片之间复合连接的导电材料的厚度范围在微米级，在材料选择上，可以为导电金属材料或如导电胶等导电非金属材料；优选地，导电材料采用金属导电材料；为了利于金属导电材料之间以及其与硅片之间的良好复合连接，进一优选地，本实施例的导电材料采用与硅材料具有共晶键合效应的金属导电材料，也就是说在等于或接近共晶温度(本发明所述共晶温度就是硅和该对应金属导电材料发生共晶反应时的温度)时，金属导电材料与硅可以发生良好共晶反应，使得硅片之间的金属导电材料层以及与其接触的硅片表面层互熔键合，冷却后形成了粘接牢固的一体硅金属导电合金复合结构，最终实现了硅片之间的优异复合连接效果；具体优选地，这些金属导电材料具体可以为：镍Ni、金Au、银Ag、铜Cu、铝Al等材料；硅和这些金属导电材料的共晶温度通常明显要低于硅本身或金属导电材料本身的熔融温度，共晶温度范围一般在500-1000℃，具体其与硅共晶温度可以根据实际采用的金属导电材料类型来确定，这些通过查阅相关现有技术资料就可以得到。

[0076] 本实施例出现的正面和反面的表述仅是为了说明各类流道是分布在硅片不同面的位置分布关系，正面和反面都是相对而言的，实际方向根据参照物不同而不同，其不作为本实施例对具体方向的限定。

[0077] 在这些多种工艺路径中，本发明实施例1还提出优选的制备方法，工艺最为简单有效，易于实施，而且工艺成本最低，具体如下：

[0078] 具体优选地，请参见图5所示，本实施例1提出如上所述中部硅极板110的制备方法，包括如下操作步骤：

[0079] A10)、准备第一硅片和第二硅片,硅片应进行事先清洗，进一步具体优选地，采用金刚线切割的硅片，还可以进一步进行化学抛光或机械抛光，以减少表面粗燥度，利于后续步骤的工艺制备效果；

[0080] A20)、通过丝网印刷工艺在第一硅片和第二硅片双面上分别制作导电材料层116，优选地，导电材料层116的厚度为1-15微米，导电材料为与硅材料具有共晶键合效应的贱金属导电材料，由于本实施方式中需要采用碱溶液腐蚀工艺来制作流道，因此，本实施例1的导电材料在选择上不能与碱溶液发生反应，当然地，在其他采用激光工艺或丝网印刷工艺来加工制作流道的实施方式中，没有该条件限制；在本实施方式中，导电材料可以为镍或铜，具体地，导电材料采用镍，当然地，在本发明实施方式中，作为在成本上的次优选方案，也可以采用贵金属导电材料，也可以采用其他合适的导电材料，这些都不应视为对本发明的限定；

[0081] A30)、导电材料层116同时作为掩膜层，通过碱溶液(具体可选用KOH溶液或NaOH溶液或四甲基氨溶液)腐蚀工艺分别在第一硅片双面上分别制作反面第一内部冷却介质流道和正面还原剂流道111，以及在第二硅片双面上分别制作正面第二内部冷却介质流道和反面氧化剂流道113；

[0082] A40)、请结合参见图4所示，采用激光工艺分别在第一硅片和第二硅片上制作第一进出口组合和第二进出口组合；

[0083] A50)、将第一硅片和第二硅片叠压后置于加热设备中在高温下烧结，为了避免硅片在烧结过程中氧化而不利于复合连接，加热设备可通入惰性气体实现无氧氛围；加热温度选择在接近或等于硅与镍的共晶温度，相互接触的第一硅片和第二硅片的导电材料层熔融后将两个硅片复合连接堆叠为一体(此时，两个硅片之间的导电材料层以及与其接触的硅表面层互熔键合，冷却后形成了粘接牢固的一体硅金属合金复合结构，复合效果非常优异)；其中，反面第一内部冷却介质流道与正面第二内部冷却介质流道对应配合且通过复合连接形成内部冷却介质流道112；第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过复合连接形成硅极板进出口组合。

[0084] 在本发明其他实施方式中，以上步骤A40)可以在步骤A30)前或在步骤A20)前进行；

[0085] 具体优选地，本实施例1提出如上所述端部硅极板130的制备方法，包括如下操作步骤：

[0086] A10’)、准备第一硅片和第二硅片；

[0087] A20’)、通过丝网印刷工艺在第一硅片单面和第二硅片双面上分别制作导电材料层；

[0088] A30’)、导电材料层同时作为掩膜层，通过碱溶液腐蚀工艺分别在第一硅片单面上制作反面第一内部冷却介质流道，以及在第二硅片双面上分别制作正面第二内部冷却介质流道和反面氧化剂流道132；

[0089] A40’)、采用激光工艺分别在第一硅片和第二硅片上制作第一进出口组合和第二进出口组合；

[0090] A50’)、将第一硅片和第二硅片叠压后置于加热设备中在高温下烧结，加热温度选择在接近或等于硅与镍的共晶温度，相互接触的第一硅片和第二硅片的导电材料层熔融后将两个硅片复合连接堆叠为一体；其中，反面第一内部冷却介质流道与正面第二内部冷却介质流道对应配合且通过复合连接形成内部冷却介质流道；第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过复合连接形成硅极板进出口组合。

[0091] 在本发明其他实施方式中，以上步骤A40’)可以在步骤A30’)前或在步骤A20’)前进行；

[0092] 本实施例1的端部硅极板130’的制备方法同端部硅极板130的制备方法，不再赘述；本实施例1的端部硅极板130、130’的制备方法与中部硅极板110的制备方法和原理基本相同，区别仅在于：由于端部硅极板130、130’位于端部，其与外部安装端板进行安装连接，不具有相邻的燃料电池单元，因此，端部硅极板130中的端部硅片不再需要设置正面还原剂流道132’，端部硅极板130’中的端部硅片不再需要设置反面氧化剂流道132，因此在制备方法上会有如上所述的细微差异。

[0093] 在本发明其他实施方式中，全部或部分中部硅极板、全部或部分中部硅极板端部硅极板也可以采用大于2个的硅片来制作，比如3个硅片或4个硅片，这样可以增加冷却介质流道112的有效面积，进一步有利于提高燃料电池的散热效果，但显然地，更多数量硅片的应用会造成燃料电池电堆结构的体积增加进而导致了功率密度的降低，因此，本领域技术人员可以根据实际应用燃料电池产品的特点来具体选择硅片的数量，最终取得各种性能表现的最佳平衡点。

[0094] 优选地，本实施例1还提出了一种燃料电池，包括电堆结构、封装绝缘件(图未示出)以及外部安装件(图未示出)，封装绝缘件主要用于实现对电堆结构的绝缘封装，然后与外部安装件连接配合，利于最终的燃料电池安装以及功率输出，其中，电堆结构采用如上所述的燃料电池电堆结构100；本发明实施方式中的封装绝缘件以及外部安装件可以直接结合现有技术的任意一种封装绝缘件以及外部安装件，具体地，封装绝缘件可以为橡胶类、热熔胶类、热交联类、紫外交联的各种绝缘体，由于封装绝缘件以及外部安装件的部分不属于本发明的创新内容，因此，本发明实施例不再具体展开说明。

[0095] 优选地，本实施例1还提出了如上所述的燃料电池应用，应用于汽车产品，当然地，在本发明其他实施方式中，还可以应用于便携式产品(如各类辅助供电装装置)，或应用于固定式的供电或热装置产品(如大型热电联产装置或连续供电电源装置等)，或应用于其他类型的交通运输产品(如物流搬运车等各类交通工具)。

[0096] 实施例2：

[0097] 本实施例2的其余技术方案与实施例1相同，区别在于：在本实施例2中，硅片采用掺磷或掺硼的单晶体或多晶体硅片，优选地，硅片的电阻率范围为0.0005-0.05Ω.cm；请参见图6所示，中部硅极板210的制备方法，包括如下操作步骤：

[0098] B10)、准备第一硅片和第二硅片；

[0099] B20)、通过激光工艺分别在第一硅片双面上分别制作反面第一内部冷却介质流道、正面还原剂流道211以及第一进出口组合，以及在第二硅片双面上分别制作正面第二内部冷却介质流道、反面氧化剂流道213以及第二进出口组合；

[0100] B30)、采用丝网印刷工艺分别在第一硅片和第二硅片双面制作导电材料层216；

[0101] B40)、将第一硅片和第二硅片叠压后置于加热设备中在高温下烧结，相互接触的第一硅片和第二硅片的导电材料层216熔融后将两个硅片复合连接堆叠为一体；其中，反面第一内部冷却介质流道与正面第二内部冷却介质流道对应配合且通过复合连接形成内部冷却介质流道212；第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过复合连接形成硅极板进出口组合。

[0102] 与实施例1相同，本实施例中的端部硅极板与中部硅极板210区别仅在于其端部硅片不再需要设置还原剂流通或氧化剂流道，因此，本领域技术人员在实施时可以参照本实施例中部硅极板210的制备方法以及端部硅极板结构特征来设定端部硅极板的制备方法，这些不需要付出创造性劳动，因此本实施例2不再具体展开说明端部硅极板的制备方法。

[0103] 实施例3：

[0104] 本实施例3的其余技术方案与实施例1相同，区别在于：在本实施例3中，硅片采用掺磷或掺硼的单晶体或多晶体硅片，优选地，硅片的电阻率范围为0.0005-0.05Ω.cm；请参见图7所示，中部硅极板310的制备方法，包括如下操作步骤：

[0105] C10)、准备第一硅片和第二硅片；

[0106] C20)、直接采用丝网印刷工艺(也可称为阳塑工艺)分别在第一硅片和第二硅片双面上制作导电材料层316，通过导电材料层316的形成，进而第一硅片可直接形成反面第一内部冷却介质流道和正面还原剂流道311，以及第二硅片可直接形成正面第二内部冷却介质流道和反面氧化剂流道313，丝网印刷工艺采用的材料为导电材料，具体可以为银浆材料或铝浆材料等；

[0107] C30)、采用激光工艺分别在第一硅片和第二硅片上制作第一进出口组合和第二进出口组合；在其他实施例中，步骤C30)可以在步骤C20)之前进行；

[0108] C40)、将第一硅片和第二硅片叠压后置于加热设备中在高温下烧结，优选地，加热温度设置为硅与导电材料的共晶温度，相互接触的第一硅片和第二硅片的导电材料层316熔融后将两个硅片复合连接堆叠为一体；其中，反面第一内部冷却介质流道与正面第二内部冷却介质流道对应配合且通过复合连接形成内部冷却介质流道312；第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过复合连接形成硅极板进出口组合。

[0109] 为了利于流道结构和形状在高温烧结时尽量不受到影响，在本发明其他实施方式中，在步骤C20)中丝网印刷工艺采用的材料也可以为碳浆材料，由于碳的熔融点高，因此可以有效保护流道的形状，但由于碳不易于硅发生共晶反应，为了实现硅片之间的有效高温熔融复合，因此需要在步骤C40)前增加制作导电材料层的步骤，其工艺同样可以采用丝网印刷工艺或其他工艺，来最终实现步骤C40)中的高温烧结熔融复合，具体可参考实施例1-3中的制作导电材料层的步骤，这样既保护了流道，又实现了硅片之间的复合连接，但显然的，制作工艺也变得相对复杂。

[0110] 与实施例1相同，本实施例中的端部硅极板与中部硅极板310区别仅在于其端部硅片不再需要设置还原剂流通或氧化剂流道，因此，本领域技术人员在实施时可以参照本实施例中部硅极板310的制备方法以及端部硅极板结构特征来设定端部硅极板的制备方法，这些不需要付出创造性劳动，因此本实施例3不再具体展开说明端部硅极板的制备方法。

[0111] 实施例4：

[0112] 本实施例4的其余技术方案与实施例1相同，区别在于：在本实施例4中，请参见图8所示，中部硅极板410的制备方法，包括如下操作步骤：

[0113] D10)、准备第一硅片和第二硅片；

[0114] D20)、分别在第一硅片和第二硅片双面制作热氧化二氧化硅层414；

[0115] D30)、采用光刻工艺或激光工艺将热氧化二氧化硅层414设计成掩模层；

[0116] D40)、采用激光工艺分别在第一硅片和第二硅片上制作第一进出口组合和第二进出口组合；在其他实施例中，步骤D40)可以在步骤D30)或D20)之前或在步骤D50)或D60)或D70)之后进行；

[0117] D50)、采用碱溶液腐蚀工艺分别在第一硅片双面上分别制作反面第一内部冷却介质流道和正面还原剂流道411，以及在第二硅片双面上分别制作正面第二内部冷却介质流道和反面氧化剂流道413；

[0118] D60)、去除第一硅片和第二硅片上的剩余二氧化硅层；

[0119] D70)、采用丝网印刷工艺分别在第一硅片和第二硅片双面制作导电材料层416；

[0120] D80)、将第一硅片和第二硅片叠压后置于加热设备中在高温下烧结，优选地，加热温度设置为硅与导电材料的共晶温度，相互接触的第一硅片和第二硅片的导电材料层416熔融后将两个硅片复合连接堆叠为一体；其中，反面第一内部冷却介质流道与正面第二内部冷却介质流道对应配合且通过复合连接形成内部冷却介质流道412；第一进出口组合和第二进出口组合分别对应配合且通过复合连接形成硅极板进出口组合。

[0121] 与实施例1相同，本实施例中的端部硅极板与中部硅极板410区别仅在于其端部硅片不再需要设置还原剂流通或氧化剂流道，因此，本领域技术人员在实施时可以参照本实施例中部硅极板410的制备方法以及端部硅极板结构特征来设定端部硅极板的制备方法，这些不需要付出创造性劳动，因此本实施例4不再具体展开说明端部硅极板的制备方法。

[0122] 本发明只是列出来以上部分实施方式，本领域技术人员完全可以根据实际应用需要来选择具体的制备工艺以及做部分步骤的顺序更改得到其他实施方式，这些在制备工艺上的替换同样均属于本发明的保护范围内；由于本发明提出的具体制备工艺步骤本身(例如刻蚀工艺、光刻工艺、激光工艺以及丝网印刷工艺)均为现有技术，因此本领域技术人员可以根据实际情况来选择具体工艺步骤的相关技术参数，本发明实施例不具体列明。

[0123] 还需要说明的是，本发明实施例中的图5-图8所示的制备工艺流程图中，在两个硅片复合连接之前的步骤图仅示出了单个硅片，这是由于两个硅片的步骤图是完全相同的，因此为了节省说明篇幅，仅示出了单个硅片的步骤图。

[0124] 本发明经过大量实施例后验证了采用硅极板直接作为燃料电池电堆结构的硅极板，完全能够满足燃料电池双极板所要求的良好的阻气功能；较好的导热性能；较低的体电阻和接触电阻；耐腐蚀性强；质量轻、强度高、适于批量加工等特性，同时相比于现有技术中的金属极板、石墨极板或复合材料极板，本发明提出的硅极板在寿命、成本、效率以及功率密度上具有更佳的优势；为了更好说明本发明实施例取得的优异表现，请参见下表1的发明硅极板应用的燃料电池与现有各类极板燃料电池的重要技术指标的表现对比：

[0125] 表1

[0126] 本发明硅极板燃料电池与现有各类极板燃料电池的重要技术指标的表现对比[0127] 技术指标 石墨极板 金属极板 硅极板成本($/kW) 300 400 250
寿命(小时) 7000 5000 7000
体积功率密度(kW/L) 0.5-1.5 2-3.2 2-5
重量功率密度(kW/kg) 0.5-3 1.2-4 2-3.5

[0128] 进一步补充说明：

[0129] 1.关于成本：

[0130] 首先，硅是地球中最丰富的一种元素，随着硅材料应用的集成电路和光伏行业的发展，晶体硅材料的价格愈来愈便宜，作为燃料电池的极板，硅已经比不锈钢、石墨等材料具有更低的成本，并有更多的降低材料成本的空间；

[0131] 进一步来说，由于晶体硅具有非常优异的精细加工的特点(比如本发明提及的刻蚀工艺、光刻工艺、激光工艺以及丝网印刷工艺)，因此本发明可以大大减小氧化剂和还原剂流道的深度和宽度，进而降低了燃料电池电堆结构中在电解质隔膜、阴极和阳极上的应力，因而，燃料电池可以采用更薄的电极材料和介质膜材料，增加了氧化剂和还原剂和反应产物在电极中的扩散输运速度，并减少了离子在介质膜中的扩散长度，从而增加单位面积燃料电池的发电电流，同时间接且显著地降低了电解质隔膜、阴极和阳极的每瓦成本；

[0132] 2.关于寿命：

[0133] 由于晶体硅材料在酸碱和电化学环境中都具有极好的化学稳定性，规避了金属极板燃料电池不耐腐蚀的缺点，因此，本发明硅极板本身可以长期使用而不会失效，通常来说，其应用的硅极板燃料电池寿命由其他部件决定，本发明表1给出的寿命数据表现是基于现有具有长寿命表现的燃料电池数据，随着其他部件的性能升级优化，本发明的硅极板燃料电池寿命还会增加；另一方面，硅极板燃料电池的长寿命进一步了降低了成本。

[0134] 3.关于体积功率密度和重量功率密度：

[0135] 硅极板燃料电池能产生较高的电流密度，从而增加电堆结构的体积功率密度：

[0136] 由于晶体硅具有非常优异的精细加工的特点，可以采用较薄的硅极板来制备电堆结构；对于相同数量的单燃料电池单元堆叠成的电堆结构，硅极板电堆结构具有最小的厚度；尤其相比于石墨极板电堆结构，硅极板电堆结构的优势尤其明显，因而硅极板电堆结构具有最大的体积功率密度；

[0137] 硅材料和金属材料相比具有更低的重量密度，和石墨材料相比更薄，因而硅极板燃料电池具有更高的重量功率密度。

[0138] 本发明的硅极板燃料电池具有与如金属极板燃料电池甚至高于金属极板燃料电池的高能量密度，而且具有如石墨极板燃料电池的优异寿命表现，而且硅极板具有物料低廉、制作工艺简单的特点，这就使得硅极板燃料电池不仅在成本上低于其他材料极板燃料电池，而且在耐久性、功率密度等燃料电池的主要技术指标上具有明显的突出优势。本发明带来的技术效果突破是燃料电池领域中普通技术人员所无法想象的，同时从现有技术资料中也无法得到任何技术启示来获得本发明。因此毫无疑义，本发明对于燃料电池的大批量产业化进程具有重大意义和核心推进作用。

[0139] 如前所述，本发明实施时可以应用于具有较多数量燃料电池单元的电堆结构的燃料电池，当然也可以应用于仅包括1至2个燃料电池单元的燃料电池(通常称为微型燃料电池)，具体可参见下实施例5和实施例6：

[0140] 实施例5：

[0141] 本实施例5的其余技术方案与实施例1相同，区别在于：在本实施例5中，请参见图9所示，燃料电池包括1个燃料电池单元10，包括依次堆叠为一体的阳极板、阳电极、电解质隔膜、阴电极、阴极板；其中，阴极板和阳极板均采用掺杂导电的晶体硅材料制成的端部硅极板，阳电极、电解质隔膜、阴电极采用MEA膜电极组件。

[0142] 实施例6：

[0143] 本实施例6的其余技术方案与实施例1相同，区别在于：在本实施例6中，请参见图10所示，燃料电池包括相互串联且堆叠为一体的第一燃料电池单元20a和第二燃料电池单元20b，第一燃料电池单元20a和第二燃料电池单元20b分别包括依次堆叠为一体的阳极板、阳电极、电解质隔膜、阴电极、阴极板，其中，阳电极、电解质隔膜、阴电极采用MEA膜电极组件；第一燃料电池单元20a的阳极板和第二燃料电池单元20b的阴极板均采用掺杂导电的晶体硅材料制成的端部硅极板，第一燃料电池单元20a的阴极板采用掺杂导电的晶体硅材料制成的中部硅极板，该中部硅极板同时作为第二燃料电池单元20b的阳极板。

[0144] 本发明实施例5和实施例6提出的燃料电池一般为输出功率较小的微型燃料电池，相对于现有将硅作为极板衬底的微型燃料电池，本实施例5和实施例6不需要设置额外金属膜层作为导电层，因而在材料成本、制备工艺上的表现更加优异，而且本实施例5和6采用两个硅片复合制作成具有内部流道的硅极板，该硅极板作为燃料电池的骨架结构，机械强度很好，而且内部流道可直接作为冷却介质流道，进一步提升了微型燃料电池的冷却性能，克服了现有技术中采用硅作为衬底的微型燃料电池无法进行冷却的缺陷。

[0145] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0146] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。