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DOI : 10.2240/azojono0102

Nanostructured 막: 소형 연료 전지를 위한 Protonic 지휘자의 새로운 종류

Bernard Gauthier Manuel와 Tristan Pichonat

제출하는: 2004년 12월 20일

배치하는: 2005년 7월th 15일

커버되는 토픽

요약

배경

방법과 물자

결과와 면담

결론

참고

접촉 세부사항

이 서류에서 소형 연료 전지를 실현하는 새로운 쪽은 (FC) protonic 지휘자로 nanostructured 다공성 실리콘 (PS)을 사용하여 설명됩니다. 이 해결책은 이오노머의 구조물을 양성자 교환 막 연료 전지의 양성자 전도도를 지키기 위하여 일반적으로 이용된 Nafion®와 같은 흉내내기 위하여 숨구멍 벽에 ionizable 단을 포함하는 분자의 화학에게 접붙이기 (PEM) 관련시킵니다. 이 기술을 사용하여 무기는 의 구조상으로 안정, 양성자 수행 막 접붙여진 분자의 막 그리고 본질의 숨구멍 규모 그리고 세공 구조와 같은 많은 optimizable 매개변수로 생성합니다. 이 분열할 가능성이 있는 기술은 저가 이오노머의 사용과 관련있는 불리 없이 중요한 전류를 일으킬 수 있습니다 작은 연료 전지의 생산을 허용합니다. 이 물자에 의해 장악된 성과는 더 좋은 품질의, Nafion®를 사용하여 유사한 연료 전지에 비교해 입니다.

휴대용 장치를 강화할 수 있습니다 에너지원의 현재에는 디자인은 휴대 전화, 휴대용 컴퓨터를 좋아합니다 또는 유목 센서 통신망은 도전입니다. 이 장치는 그들의 자율성을 제한하고 인간적인 내정간섭 및 전기 에너지원이 재충전할 것을 요구하는 건전지로 곧 강화됩니다. 더욱 그(것)들은 그들의 확산에 호환되지 않는 낭비를 생성합니다. 다음 10 년에서 반도체 [1개의] 예측을 위한 국제적인 기술 도로 지도 0.6 V.로 미소회로의 일을 강화할 것을 요구되는 전압의 감소. 소형 연료 전지의 사용은 (FC) 청결한 다시 채울 수 있는 에너지원을 가진 휴대용 전자공학을 강화하는 매력적인 쪽 나타납니다. 이것은 곧 FC 연구 분야에서 생기는 강렬한 활동을 설명하는 이유의 한개 입니다. 온갖 FC 사이에서 단지 2개는 소형화를 위해 실제적으로 적당합니다. 제한은 100°C. 보다는 더 낮을 요구된 작동 온도에서 주요하게 옵니다. 그들중 하나는 양성자 교환 막 FC (PEM)입니다. PEM FC의 중요한 성분은 양성자를 위한 높은 전도도가 있고 그리고 그밖 존재하는 종 전부 (H, O, 근해, 다른 어떤2 연료,2 etc.)에 불침투성 이어야 하는 막에는입니다.

수소가 음극선에, 소모되는 양극에서 양성자를 수행하는 최신식 모형 FC [2-6] 일반으로 사용 이오노머 필름, 산소, 근해, 전류 및 열의 감소와 더불어 생성하. 현재로는, 최고 전도도 (0.08 S.cm-1)는 Nafion®에 의해 perfluorosulfonated 막을 도달됩니다. 수화 도중 그러나 높은 비용 그리고 기하학적인 불안정성은 단지 몇몇의 그 같은 중합체의 가혹한 제한입니다.

Nafion®와 같은 ionomeric 막에 있는 양성자 전도성 프로세스의 본질은 여전히 완전하게 이해되지 않습니다. 존재하는 합의 [7] 물 분자를 포함하는 연결한 친수성 도메인을 포함하여 소수성 사슬의 해골로 Nafion® 막을 기술하기 위한 것입니다. 연결 채널 통신로의 직경은 대략 3 nm입니다. 이 해골의 낮은 뻣뻣함은 분자 상호 작용에 응하여 수화를 가진 막의 팽윤에 책임 있습니다.

여기에서, 소형 FC에 있는 protonic 유도 기능을 실현하는 새로운 쪽을 허용하는 분열할 가능성이 있는 기술은 설명됩니다.

방법과 물자

이 일에서 개발된 아이디어는 Nafion 다공성 실리콘의 분자 구조를 재생하는 것을® 시도하기 위한 것이고 (PS) 숨구멍의 표면에 양성자 수행 분자의 접붙이를 지시하는 것은 필수 전도도를 지킵니다.

처음 단계는 (100개의) 동쪽으로 향하게 한 실리콘 박편의 KOH에 있는 고아한 사진 평판 그리고 젖은 화학 에칭을 사용하여 실리콘 막의 현실화입니다. 복면은 침을 튀긴 크롬 Au 층 (15 nm 두껍게 800 nm의 두껍게의 크롬 층 그리고 Au 층)로 장악됩니다. 실리콘 박편의 이전 열 산화는 막의 전기 절연제를 지킵니다.간격은 50 µm에 처리 시간 및 온도를 조정해서 고쳐집니다. 공동 가공은 저희가 웨이퍼 4"에 69의 막을 동시에 장악하는 것을 허용합니다.

실리콘 막은 Gmbh와 Pt 전극이 가라앉히는 2개의 반 세포를 이루어져 있는 AMMT에 의해 생각된 두 배 탱크 세포 [8]에 있는 양극 처리에 의해 그 때, 둘째 단계에서 다공성에게, 합니다. 실리콘 박편은 2개의 반 세포를 분리하고 고립시킵니다. 양극 처리에 사용된 전해질은 ethanoic HF 해결책입니다 (50% 그리고 48% HF 해결책의 순수한 에타놀의 50%). 양극 처리는 일정한 현재에 암흑에서 실행됩니다. 0.012-0.014 ohm.cm이라고 n 인 진한 액체로 처리하는+- 실리콘 박편을 타자를 치거든 18에서 36 mA.cm에 전류밀도-2, 우리는 6에서 대략 50% [9]의 10 nm 직경 그리고 유공성에 숨구멍을 장악합니다. 장악된 숫자 1.에 다공성 실리콘 막의 단면은 스케치됩니다.

AZoNano - 나노 과학의 온라인 전표 - 다공성 실리콘 막의 개요 횡단면적인 전망. 실리콘은 분홍색에 회색, 다공성 실리콘에 있습니다 있습니다.

숫자 1. 개요 다공성 실리콘 막의 횡단면적인 전망. 실리콘은 분홍색에 회색, 다공성 실리콘에 있습니다 있습니다.

Au 층의 이전 공술서는 양극 처리 도중 실리콘 막에 유공성의 지방화를 허용합니다. 귀금속 (Au, 34Pt 및 Ag)가 허용한 대로 지방화하기 PS 동안 복면 층이 ([10 예를 들면 보십시오]) 긴 양극 처리를 허용하지 않기 때문에 일반적으로 사용되는 실제로 간단한 LPCVD Si 층. 크롬 Au 층의 밑에 산화규소 층은 실리콘 기판과 금속 층 [11] 사이에서 생성된 가능한 내부 현재를 가진 PS의 어떤 기생하는 대형든지 피합니다. 일단 양극 처리가 달성되면, 막은 HF 해결책을 중화하는 산화 목욕 (Prevor에서 Le Vert 정화 해결책)로 헹궈집니다. 다음 몇몇 이온을 제거된 근해 목욕 및 이소프로필알콜은 숨구멍으로 긴장을 헹구고 감소시키기를 위해 이용됩니다. 막은 대기에서 마지막으로 말려집니다. 실리카 지상 층을 가진 PS 막은 장악됩니다. 이 다공성 막의 특성은 FESEM (마당 효과 스캐닝 전자 현미경) 화상 진찰에 의해 하고 막의 단면의 전형적인 전망은 숫자 2.에서 나타납니다.

AZoNano - 나노 과학의 온라인 전표 - n+ 모형 다공성 실리콘 막의 FESEM 횡단면적인 전망. 채널 통신로는 10 nm의 평균 직경을 비치하고 있습니다.

n의 FESEM 횡단면적인 전망+- 다공성 실리콘 막을 타자를 치십시오. 채널 통신로는 10 nm의 평균 직경을 비치하고 있습니다.

전도도 측정 [12]와 FESEM 화상 진찰에 의해 입증되는 것과 같이, 이 양극 처리 프로세스로 약간 채널 통신로가 완전히 열립니다. 첫번째 채널 통신로가 막의 뒷쪽에 열릴 때 웨이퍼 간격의 이질성 실제로 때문에, 이 열린 숨구멍을 통해서 현재가 가고 양극 처리는 그밖 숨구멍에 더 이상 계속하지 않습니다. 이 문제, 짧은 민감하는 이온 에칭 (R.I.E.) 프로세스를 해결하기 위하여는 막의62뒷쪽에 실리콘 에칭을 위한 SF 그리고 가스를 사용하여 모든 숨구멍이 열린다는 것을 확인하기 위하여 고용됩니다 [12]. 전체적인 뒷쪽 유공성을 열기 위하여 필요한 2 µm 대략 이 프로세스 식각 두껍게 3 Min.에서. 3% 염산 전해질 해결책에 있는 전도도 측정에 의해 열린 숨구멍의 특성이 실행됩니다.

Protonic 전도도를 지키기 위하여 및 이루어져 있는 이전 해결책에 반대로 숨구멍을 첫번째 수사를 위한®®Nafion로 채우기. PS의 표면이 산화물 층에 의해 포함되는 때, silanization의 고아한 프로세스는 직접 사용될 수 있습니다. 처음 단계는 PS의 표면에 silanol 기능 (Si OH)를 만드는 이루어져 있습니다. UV 오존 세탁기술자를 관련시키는 연약한 프로세스는 성공적으로 실행되었습니다. 이 프로세스는 반대 막 개악을 유도한 "피라니아" 해결책 (과산화 수소의 33% 수성 해결책의 20%년을 가진 순수한 황산의 80% 해결책의 혼합물)로 침수를 필요로 하는 이전 습식 공정에 기하학적인 수정 없이 요구한 기능을 만듭니다. 실란 분자의 접붙이는 것은 산성 실란의 1% 해결책으로 실내 온도와 대기에 1 시간 (실험적으로 전도도 측정으로 결정되는 시간) 동안 에타놀에 있는 친수성 다공성 막을 가라앉혀서 그 때 실현됩니다. 숫자 3은 프로세스의 분자 시뮬레이션을 보여줍니다.

AZoNano - 나노 과학의 온라인 전표 - 6nm 직경 PS 숨구멍과 비교되는 실란 분자의 분자 가늠자의 전망. 분자의 1개는 표면에 접붙여집니다. Si (황색), (빨간) O, (백색) H, (회색) C, 및 (파란) N

실란 분자의 분자 가늠자 숫자 3. 전망은 6nm 직경 PS 숨구멍에 비교했습니다. 분자의 1개는 표면에 접붙여집니다. Si (황색), (빨간) O, (백색) H, (회색) C, 및 (파란) N.

- 곁에 Na 결말 - H 접붙여진 기능을 위한 실제적인 carboxylic 행동을 얻기 위하여 결말을 대체하기 위하여는, 막은 황산의 20%년 해결책에 있는 12 시간 동안 가라앉히고, 그 후에 이온을 제거된 근해에서 완전히 헹궈집니다. FC 집합을 완료하기 위하여는, 전극과 촉매 층은 막에 추가됩니다. 백금 (Vulcan XC-72에 20% Pt)로 채워진 탄소 수행 피복으로 구성된 E-tek 전극은 H O 촉매로2 2 사용되었습니다. 5% Nafion의 1개의 µl 투하®®

결과와 면담

숫자 4는 (평면도) 7개 mm의 활동 분야로 (숫자에 검정에서) 실현된 전형적인 8개 mm × 8 mm FC를 보여줍니다2. 기하학적인 매개변수는 낙관되지 않으며 아니라 방법의 실행가능을 설명하기 위하여 선택됩니다.

AZoNano - 나노 과학의 온라인 전표 - 소형 연료 전지의 평면도, 1개 센트 (0,01 유로) 동전을 가진 가늠자 비교.

소형 연료 전지의 평면도, 1개 센트 (0,01 유로) 동전을 가진 가늠자 비교.

H2 O2

막에 가스를 가져오기 위하여는, 막 전극 집합이 거치되는 집에서 만드는 시험 세포는 이용되었습니다. 더욱, 그것은 막의 각 측 및 가스 배출의 철수에 전기적 접점의 측정을 가능하게 했습니다. 시험 세포는 변하기 쉬운 저항하는 짐과 전압계 및 전류계에 전기로 연결되었습니다. Nafion를 가진 측정®- 안으로 보고된 채워진 PS 막은 이전에 비교를 위한 접붙여진 다공성 실리콘 막의 IV 특성에 [12] 추가되었습니다. 개방 회로 전압을 위한 최소 책임2및 470 mV에 있는 118 mA/cm의 전류밀도는 장악되었습니다 (숫자 5).

AZoNanotechnology 신문 기사: (빨간) Nafion® 채워진 것과 접붙여진 PS 연료 전지의 성과는 비교했습니다 (파랑).

(빨간) Nafion - 채워진 것과 비교되는 접붙여진 PS 연료 전지의®숫자 5. 성과 (파랑).

이 성과는 6 시간 동안 집합이 H.로 공급될 한 보존되었습니다. 동일 세포는 또한 이 첫번째 측정 후에 몇 시간 시험되고 동일 성과를 도달했습니다. 장치의 노후화는 아직 측정되지 않았습니다.

두 해결책 전부로 주어진 성과가 전원 밀도 (17 mW.cm - - 채워진-2 2®)와 전류밀도 (각각 118 mA.cm - - 식으로-2대등한 경우에2®채워진 막. 이것은 접붙여진 다공성 막을 통해서 가스의 크로스오버에 의해 설명될 수 있습니다. 실제로 이 해결책으로 완전하게 채워지지 않습니다 심사 숙고하고 막을 통해서 상당한 가스 유포는 부분적인 반전 전압을 유도합니다.

행동의 이 다름은 막을 통해서 양성자 유도가 새로운 방법으로 실현된다는 것을 증명을, 필수적으로 숨구멍의 표면에 접붙여진 carboxylic 기능 사이 지상 전도도에 의하여. 크로스오버는, 미래 실험에서, Nafion 구조물에서 가정한 것에 가까운 가치에 숨구멍 직경을 줄여서 감소되어야®합니다.

선형 정권에 있는 두 IV 곡선 전부의 사면의 비교는 Nafion 충전물로 장악되는 보다는 더 나은 전도도를 표시하는 접붙여진 막을 가진 더 낮은 사면을 명확하게®보여줍니다. 2.66의 이 존재하는 이익은 아직 낙관되지 않았습니다.

존재하는 기술에서 지금 고유한 가능한 인공물의 효력은 토론될 것입니다. 주요 논쟁은 양성자 유도를 허용하는 다공성 실리콘 막의 functionalization의 성공 이고 연료 전지의 성과는 이에게 접붙이기의 질과 밀접한 관계가 있 합니다. 가지고 있는 없이 그러나 숨구멍의 표면에 접붙여진 단층의 화학 특성이라고 장악해, 실험적인 사실은 연료 전지가 외부 저항기를 통해서 전류를 전달할기 수 있기 때문에 그런 막이 양성자를 수행하다 입니다. 그것은 비 접붙여진 다공성 막으로 실현된 세포의 동일 종류를 가진.

Nafion에 반대®- 채워진 막은 근해로서만 접붙여진 막의 친수성 숨구멍 채워지고 Nafion에 의하여 아닙니다®-5 cm.s는2-1 초에 관하여 50 µm의 길이에 이온의 유포 시간 입니다). 이 분석 전도도 측정을 막의 각 측에 전극의 기계적인 응용에 의해 유사한 막에 직접 완료하고 막의 본질 전도도를 증명하기 위하여 실현되었습니다. 그러나 이 방법은 현재로는 파괴적이기 때문에, 사용된 막에 세포를 건설하기 위하여 실행될 수 없습니다.

다른 중요한 점은 숫자 6.에 보이는 것과 같이 시작 현재의 비교 및 두 윤곽 전부를 위한 안정성을 염려합니다. 수소 발전기 (time=0 s) 시작 이래 (170 s) 관찰된 지연은 양극에 접근해야 하는 수소의 유포 때문이. 접붙여진 막 (<30 s)의 응답 시간은 Nafion - 채워진 것의 응답 시간®보다는 더 짧습니다 (300 s). ionomeric 막에 반대는, 수화 접붙여진 막이 양성자를 수행하도록 요구됩니다. (동일 숫자에 보이는) 접붙여진 막의 또 다른 이점은 현재의 강렬의 안정성입니다. Nafion - 채워진 연료 전지 보다®잘 실험적으로 보입니다.

AZoNanotechnology 신문 기사 - Nafion® 채워진 것으로 달성되는 (빨간) 것과 비교되는 접붙여진 PS 연료 전지에 의해 달성되는 시간의 기능으로 현재 (파랑).

(빨간) Nafion - 채워진 것으로 것과 비교된 접붙여진 PS 연료 전지에 의해 달성된 시간의 기능으로 숫자®6. 현재는 달성했습니다 (파랑).

결론

끝으로, 이 기술은 이미 쉽게 양성자 수행 막으로 어떤 이오노머 필름든지의 도움 없이 실리콘에 저가로 적분 가능한 고성능 (시작 시간, 안정성, 전류밀도)를 가진 소형 연료 전지를 일으킬 수 있을 것입니다 것처럼 보입니다. 게다가, 더 나은 성과가 숨구멍 직경에 있는 감소 및 새로운 분자의 접붙인다고 다음 주어질 것이라고 예상하는 것이 적당합니다.

참고

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접촉 세부사항

Bernard Gauthier Manuel

FEMTO-ST CNRS UMR 6174
Département LPMO
32 의 도로 de l'Observatoire
25044 Besançon Cedex
프랑스
gauthier@lpmo.edu

Tristan Pichonat

IEMN CNRS UMR 8520
도로 H. Poincare?
BP 69
59652 Villeneuve d'Ascq Cedex
프랑스
tristan.pichonat@isen.iemn.univ-lille1.fr

Date Added: Jul 15, 2005 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 04:11

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