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DOI : 10.2240/azojono0102

Nanostructured 膜: 質子的導體新的選件類微型燃料電池的

Bernard 高迪爾Manuel 和 Tristan Pichonat

提交: 2004年 12月 20日,

張貼: 2005年 7月th 15日

包括的事宜

摘要

背景

方法和材料

結果和論述

結論

參考

聯絡詳細資料

在本文新的方式認識到微型燃料電池 (FC)被展示使用 nanostructured 多孔硅 (PS)作為質子的導體。 此解決方法介入包含在毛孔牆壁上的化工嫁接分子電離的組仿造離子聚合物的結構,例如 Nafion®,通常用於保證氫核替換膜燃料電池氫核 (PEM)傳導性。 使用此技術無機,結構上穩定,氫核執行的膜生產與許多可優化的參數例如毛孔範圍和膜和被嫁接的分子的本質的孔結構。 此潛在破壞性的技術允許能低成本小的燃料電池的生產導致重大的電流,不用缺點與使用離子聚合物有關。 這些材料得到的性能是一個更好質量,與相似的燃料電池比較使用 Nafion®。

現今能的能源設計關閉攜帶式裝置喜歡手機,膝上型計算機或遊牧傳感器網絡是挑戰。 這些設備目前關閉與限制他們的自治權并且要求人力干預和電子能源充電的電池。 而且他們生成浪費不兼容與他們的擴散。 在以後 10 年半導體 [1] 預測的國際技術模式要求的電壓的減少關閉從事微型電路往 0.6 V。 使用微型燃料電池 (FC)出現一個有吸引力的方式關閉與一個乾淨和適於再裝的能源的可移植的電子。 這是其中一個原因解釋目前發生在 FC 研究域的強烈的活動。 在各種各樣的 FC 中仅二確實適用於小型化。 這個限制低於 100°C. 首席來自要求的這個運作的溫度。 他們中的一個是氫核替換膜 (PEM) FC。 PEM FC 的關鍵字元是一定有氫核的高傳導性和是不滲透性的對其他當前種類的膜 (H2、 O2、水、其他燃料等等)。

執行從陽極的氫核的科技目前進步水平縮樣 FC [2-6] 一般使用離子聚合物影片,氫被消耗,到負極生產,與氧氣、水、電流和熱的減少。 當前,最佳的傳導性 (0.08 S.cm-1) 由 Nafion® 到達 perfluorosulfonated 膜。 然而高費用和幾何不穩定性在水合作用時是仅某些嚴格限制的這樣聚合物。

氫核導電性進程的本質在一個 ionomeric 膜的例如 Nafion® 不完全地仍然瞭解。 當前共識 [7] 是描述 Nafion® 膜作為疏水鏈子的概要包括包含水分子的被連接的親水域。 連接的通道的直徑約為 3 毫微米。 此概要的低僵硬對膜的膨脹負責有水合作用的以回應分子交往。

這裡,允許一個新的方式認識到在小型 FC 的質子的傳導功能的潛在破壞性的技術被展示。

方法和材料

在此工作開發的這個想法是設法再生產 Nafion 多孔硅® 分子結構 (PS),并且處理嫁接在毛孔的表面的氫核執行的分子保證必需的傳導性。

第一階段是硅膜的認識使用古典石版影印和濕化工蝕刻在 (100 個) 針對的硅片酸值。 屏蔽獲得與一塊被飛濺的哥斯達黎加澳大利亞層 (哥斯達黎加層 15 毫微米濃厚和澳大利亞層 800 濃厚毫微米)。 硅片的一種早先熱量氧化作用保證膜的電子绝緣材料厚度固定在 50 µm 通過調整加工時間和溫度。 集體處理允許我們同時得到在一 4" 的 69 個膜薄酥餅。

硅膜由在 AMMT [8 的] 陽極氧化然後使多孔,在第二級,設想的二重坦克細胞 Gmbh 和包括 Pt 電極被浸沒的二半電池。 硅片分隔并且查出二半電池。 用於陽極氧化的電解質是 ethanoic HF 解決方法 (50% 48% HF 解決方法的純對氨基苯甲酸二和 50%)。 陽極氧化在恆定的當前的黑暗被執行。 磷摻雜 0.012-0.014 ohm.cm n+型的硅片和電流密度從 18 到 36 mA.cm-2,我們獲得毛孔從 6 到 10 毫微米直徑和多孔性大約 50% [9]。 得到的多孔硅膜的橫斷面在圖 1. 速寫。

AZoNano - 納米技術在線日記帳 - 多孔硅膜的概要短剖面視圖。 硅在灰色,多孔硅在粉紅色。

圖 1. 概要短剖面視圖多孔硅膜。 硅在灰色,多孔硅在粉紅色。

澳大利亞層的早先證言在陽極氧化時允許多孔性的本地化在硅膜的。 的確一般使用的一塊簡單的34LPCVD Si 層,因為這塊屏蔽的層為局限化的 PS (例如參見 [10]) 不會允許較的陽極氧化,稀有金屬 (澳大利亞、 Pt 和 Ag) 准許。 在哥斯達黎加澳大利亞層下的氧化硅層避免 PS 的所有寄生形成與可能的內部當前的被生成在硅體和金屬層 [11 之間]。 一旦陽極氧化達到,膜被漂洗到從 Prevor 的去汙解決方法) 中立化 HF 解決方法的氧化的浴 (Le Vert。 然後幾被去離子的水浴和異丙醇為漂洗和減少重點使用到毛孔。 膜在自由流通的空氣終於被烘乾。 有硅土表層的 PS 膜得到。 這些多孔膜的描述特性由 FESEM (場效應掃描電子顯微鏡) 想像做,并且膜的橫斷面的一張典型的視圖在表 2. 表示。

AZoNano - 納米技術在線日記帳 - 一個 n+ 型的多孔硅膜的 FESEM 短剖面視圖。 通道有一條平均直徑 10 毫微米。

n 型的多孔硅膜的+FESEM 短剖面視圖。 通道有一條平均直徑 10 毫微米。

如證明由傳導性評定 [12] 和 FESEM 想像,仅一些條通道完全地開張與此陽極氧化進程。 的確由於薄酥餅厚度的多相性,當第一條通道在膜時的後部開張,當前審閱這些被開張的毛孔,并且陽極氧化在其他毛孔不再繼續。 要解決此問題,一個短的易反應的離子蝕刻 (R.I.E。) 進程使用使用 SF 和6氣體2硅蝕刻的在膜的後部為了確信,開張所有毛孔 [12]。 此進程銘刻大約 2 是必要開張全部的後部多孔性的 µm 濃厚在 3 Min。 被開張的毛孔的描述特性由在 3% 鹽酸電解質解決方法的傳導性評定執行。

保證質子的傳導性和相背與包括一個早先的解決方法裝載毛孔用®®第一調查的 Nafion。 當 PS 表面由氧化物層包括,可能直接地使用 silanization 的古典進程。 第一步包括創建 silanol 功能 (Si OH) 在 PS 表面。 介入紫外臭氧擦淨劑的一個虛擬進程順利地被實施了。 此進程創建期望功能,不用相反幾何的修改對需要浸沒的一個早先濕式法到 「導致膜變形的比拉魚」解決方法 (純硫酸的 80% 解決方法的混合物與 20%的過氧化氫的 33% 水溶液)。 嫁接硅酮分子通過浸沒親水多孔膜然後認識到到酸硅酮的 1% 解決方法在對氨基苯甲酸二 1 時數 (時間經驗為主地確定與傳導性評定) 在室溫和自由流通的空氣。 圖 3 顯示這個進程的分子模擬。

AZoNano - 納米技術在線日記帳 - 硅酮分子分子縮放比例的視圖與 6nm 直徑 PS 毛孔比較。 一這個分子在表面被嫁接。 Si (黃色), O (紅色), H (空白), C (灰色) 和 N (藍色)

硅酮分子分子縮放比例的圖 3. 視圖與 6nm 直徑 PS 毛孔比較了。 一這個分子在表面被嫁接。 Si (黃色), O (紅色), H (空白), C (灰色) 和 N (藍色)。

為了替換 - Na 結束 - H 結束獲得這個被嫁接的功能的實際羥基工作情況,膜在被去離子的水中被浸沒 12 時數在硫酸的 20% 解決方法,然後充分地被漂洗。 要完成 FC 集合,電極和催化劑層被添加到膜。 E-tek 電極組成由碳執行的布料充滿白金 (20% Pt 在 Vulcan XC-72) 使用了作為 H2 O2 催化劑。 1 µl 下落 5% Nafion®®

結果和論述

圖 4 顯示 (頂視圖) 一典型的 8 mm × 8 mm FC 認識到與一個活動區域 (在圖的黑色) 7 mm2。 幾何參數沒有被優選,然而被選擇展示這個方法的可行性。

AZoNano - 納米技術在線日記帳 - 一個微型燃料電池的頂視圖,與一枚 1 枚分 (0,01 歐元) 硬幣的縮放比例比較。

一個微型燃料電池的頂視圖,與一枚 1 枚分 (0,01 歐元) 硬幣的縮放比例比較。

H2 O2

為了給膜帶來氣體,一個自創測試細胞膜電極集合被掛接。 而且,它啟用了電觸點的評定在膜的每個端和氣體尾氣的撤離的。 測試細胞電子被連接了到電壓表和安倍計用可變的抗拒負荷。 與以前報告的 ®Nafion 充滿的 PS 膜的評定 [12] 被添加了到被嫁接的多孔硅膜的 IV 特性比較的。 118 个 mA/cm 電流密度2在最小的充電和 470 開放電路電壓的 mV 的獲得了 (圖 5)。

AZoNanotechnology 期刊文章: 一個被嫁接的 PS 燃料電池的性能 (紅色) 和一 Nafion® 充滿一個相比 (藍色)。

一個被嫁接的 PS 燃料電池的圖 5. 性能 (紅色) 和 Nafion®充滿一個相比 (藍色)。

只要集合供應了以 H.,這些性能保留 6 時數 同一個細胞在這些第一個評定以後也被測試了幾次和到達了同樣性能。 設備的老化未被評定。

如果性能完成用兩個解決方法是可比較的根據功率密度 (17 mW.cm-2 -2®充滿的膜) 和電流密度 (各自 118 个 mA.cm-2-2®充滿的膜。 這可以用氣體天橋解釋通過被嫁接的多孔膜。 的確與此解決方法熟讀不完全地被裝載,并且大量的氣體擴散通過膜導致部分反向電壓。

工作情況此區別由在羥基功能之間的表面傳導性根本證明,氫核傳導通過膜認識到用一個新的方式,被嫁接在毛孔的表面。 在將來的實驗應該減少天橋,被減少毛孔直徑對離假設的一個較近的一個值在 Nafion®結構。

兩 IV 曲線傾斜的比較在這個線性政權的比獲得的明顯地顯示與指示更好的傳導性被嫁接的膜的一個更低的傾斜與 Nafion®裝填。 此當前收益 2.66 未被優選。

可能的人工製品的作用內在當前技術現在討論。 這個關鍵字變量是多孔硅膜的 functionalization 的成功允許氫核傳導的,并且燃料電池的性能應該是密切相關對此嫁接的質量。 沒有有,獲得了在毛孔的表面嫁接的單層的化工描述特性,這個實驗情況是這樣膜執行氫核,因為燃料電池能通過外部電阻器提供電流。 那不是與這种同一的實際情形細胞認識到與一個非被嫁接的多孔膜。

對 Nafion 充滿的®膜的相反被嫁接的膜的親水毛孔只充滿水,并且不由 Nafion®-5 个 cm.s2 離子的-1 擴散時期在 50 µm 的長度的是關於一些秒鐘)。 要完成此分析傳導性評定在相似的膜認識到由電極的機械應用直接地在膜的每個端和證明膜的固有導電性。 但是,當此方法當前是破壞性的,它在用於的膜不可能被實施建立這個細胞。

另一重點在圖 6. 有關開始的當前的比較和兩種配置的穩定性如顯示。 延遲被觀察 (170 s) 自氫生成器 (time=0 s) 之始歸結於應該存取陽極氫的擴散。 被嫁接的膜 (<30 s) 的響應時間比 Nafion 充滿一個的響應時間® (300 s)。 對 ionomeric 膜的相反,沒有水合作用對於被嫁接的膜是必需的執行氫核。 被嫁接的膜的另一個好處 (參見在同一個圖) 是當前的強度的穩定性。 實驗顯示更好比對於 Nafion®充滿的燃料電池。

AZoNanotechnology 期刊文章 - 作為一個被嫁接的 PS 燃料電池達到的時間功能的當前 (紅色) 比較那個達到與一 Nafion® 充滿一個 (藍色)。

圖 6. 作為一個被嫁接的 PS 燃料電池達到的時間功能的當前 (紅色) 和那個相比達到與 Nafion®充滿一個 (藍色)。

結論

總而言之,此技術已經看來能導致與低價容易地是可結合的在硅沒有所有離子聚合物影片幫助作為一個氫核執行的膜的高性能 (開始時間、穩定性,電流密度) 的小型燃料電池。 此外,預計是合理的更好的性能在對毛孔直徑的減少和嫁接新的分子之後將被完成。

參考

1. 半導體的國際模式,執行摘要。 技術報表, SIA。 從 http://public.itrs.net/ 檢索, 2003年, 57。

2. Hebling C., 「可移植的燃料電池系統」,燃料電池公告版 46 (7) (2002) 8-12。

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6. Yu J.,城 P., Ma Z.,伊 B., 「生產與被改進的性能的微型硅片燃料電池」, J. 電源 124 (2003) 40-46。

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9. Lehmann V.,硅,威里VCH 電化學, 2002年。

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11. 裂片 A., Stürmann J., Benecke W., 「使用內部當前生成的新穎的多孔硅形成技術」,蓆子。 Sc. 和 Eng. C (2001) 109-112。

12.   Pichonat T.,高迪爾Manuel B., Hauden D., 「小的燃料電池的一個新的氫核執行的多孔硅膜」, Chem。 Eng. J. , 1-3 (2004) 107-111。

聯絡詳細資料

Bernard 高迪爾Manuel

FEMTO-ST CNRS UMR 6174
Département LPMO
32,大道 de l'Observatoire
25044 Besançon Cedex
法國
gauthier@lpmo.edu

Tristan Pichonat

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

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

Last Update: 13. June 2013 03:53

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