Pila de combustible con membranas de película delgada resistente a las tensiones.

Conjunto de pila de combustible que comprende: electrodos primero y segundo (410,

420), y un conjunto demembrana al menos parcialmente dispuesto entre los electrodos primero y segundo, en el que el conjunto demembrana tiene un soporte (90) que define una abertura (180); y una membrana de película delgada en tensión(190) que ocluye la abertura y acoplada al soporte (90) y que tiene una forma, caracterizado por el hecho de quela membrana tiene un espesor de entre 0.25μm y 2μm y por el hecho de que la forma tiene una dimensión máximamenor que aproximadamente 40 veces el espesor de la membrana para evitar que se deforme bajo tensión decompresión o menor que dos veces el espaciado de fisura característica de la membrana determinado tal como sedescribe desde la página 18 línea 20 hasta la página 19 línea 13 de la descripción para evitar que se fisure bajotensión de tracción.

Pila de combustible con membranas de película delgada resistente a las tensiones

Campo de la invención

La invención se refiere en general a membranas en tensión y específicamente a membranas de película delgada en tensión para las que se requiere acceso de fluido a ambos lados de la membrana.

Antecedentes

Muchas aplicaciones comerciales requieren la separación de dos fluidos, por ejemplo, gases o líquidos, mediante el uso de una membrana. La membrana se selecciona para mediar en la interacción de los dos fluidos. Por ejemplo, en un sistema de purificación de hidrógeno, la membrana puede mediar en la interacción de una corriente rica en hidrógeno a alta presión y una corriente de hidrógeno puro a baja presión. En este ejemplo, la membrana puede ser construida a partir de un material que permite la difusión de hidrógeno a una tasa superior que otros componentes de la corriente rica en hidrógeno. En otro ejemplo, una membrana en una célula de combustible puede mediar en la interacción de un fluido que contiene oxígeno con un líquido que contiene combustible. La membrana de la célula de combustible puede incluir capas múltiples que permiten que uno o más tipos de iones pasen a través de la membrana para oxidar el combustible, mientras extrae energía eléctrica a partir de esa reacción.

Para mejorar el rendimiento y disminuir el tamaño del sistema, es deseable a menudo miniaturizar sistemas que contienen membranas. Sin embargo, los materiales que pueden ser fácilmente fabricados en forma miniaturizada no siempre son compatibles con los materiales que son óptimos para la funcionalidad de la membrana. La integración de estos dos conjuntos de materiales puede resultar en tensiones considerables en la membrana. La tensión puede ser inducida, por ejemplo, por las tasas diferentes de expansión térmica de la membrana y una estructura de soporte.

Un ejemplo específico de una necesidad de miniaturización se puede encontrar en el área de las baterías y pilas de combustible. La proliferación de dispositivos electrónicos portátiles, tales como teléfonos celulares y ordenadores portátiles, ha aumentado la demanda de energía en dispositivos de almacenamiento, tales como baterías. Las pilas de combustible pueden ser utilizadas para aumentar el almacenamiento de energía disponible en comparación con las baterías. El sistema de célula de combustible, sin embargo, debe ser miniaturizado para encajar dentro de los pequeños factores de forma de baterías existentes. Un ejemplo de un tipo de célula de combustible es una celda de combustible de óxido sólido, que se sabe que tiene una alta eficiencia. Una técnica común de miniaturización emplea sustratos de silicio (Si) y tecnologías de fabricación de circuitos integrados. El silicio se expande a una velocidad de aproximadamente 4 micrómetros por metro por grado centígrado (µm/m°C) . Las pilas de combustible de óxido sólido convencionales utilizan materiales que se expanden a una velocidad de aproximadamente 10µm/m°C, yµ operan a temperaturas de aproximadamente 800°C. La combinación de una membrana de pila de combustible de óxido sólido convencional con con la fabricación de silicio convencional puede causar una falta de coincidencia de expansión significativa de aproximadamente 0.5%, lo que conduce a membranas con tensiones muy elevadas. Los factores adicionales que contribuyen a la tensión pueden incluir la tensión intrínseca de la película delgada depositada, el esfuerzo de tracción o de compresión inducidos por sinterización u otros tratamientos térmicos, y las modificaciones químicas que inducen tensiones de tracción o compresión. Unas tensiones elevadas en las membranas de película delgada pueden causar un fallo mecánico de la película o el nivel de tensión puede indeseablemente conllevar cambios indeseables en las propiedades del material.

El diseño de las membranas de pilas de combustible, tales como zirconia estabilizada con itrio (YSZ) sobre substratos de Si, pueden requerir que una película delgada independiente YSZ se extienda sobre un diámetro de 1 milímetro (mm) a un centímetro 1 (cm) .

Ambos documentos US 2003/0012994 y EP 1, 261, 059 describen un conjunto de pila de combustible según el preámbulo de la reivindicación 1. Unos espesores típicos ahí descritos para las membranas de pilas de combustible están en la región de 2-3µm. Sin embargo, estas membranas tienen un tamaño del orden de milímetros. P.Brusdri y otros, “Technology of integrable free-standig yttria stabilized zirconia membranes, Thin Solid Films 346” (1999) p. 251-254 describen membranas conductoras de oxígeno soportadas en YSZ de pequeño tamaño. Estas membranas pueden fallar debido a que pueden ser flexibles o propensas al pandeo. Además, las membranas YSZ también pueden fallar cuando se enfrían en el estado de tensión debido a la propagación de grietas.

Resumen

La presente invención proporciona un conjunto de pila de combustible caracterizada según la reivindicación

1. La invención permite la formación de membranas de película delgada en tensión sustancialmente libres de fisuras, configuradas de modo que es posible el contacto fluido en ambos lados de las membranas.

En el caso particular de una película a tracción totalmente unida a un soporte rígido, se pueden formar fracturas de los canales o grietas con un patrón similar a una red en la película. Se observa que una distancia entre grietas adyacentes no es aleatoria, sino que más bien tiende a agruparse cerca de una separación de fisuras característica. Este fenómeno es bien conocido en el campo de la mecánica de fracturas de películas delgadas.

La reducción de las dimensiones laterales de la película a tracción por debajo de esta separación característica entre fisuras ayuda a evitar que la película se fisure. Con el fin de producir grandes áreas activas de material tensionado, se pueden formar matrices de islas de películas en tensión .

Las técnicas existentes de formación de islas no pueden ser fácilmente adaptadas a la formación de membranas a tracción, es decir, estructuras de membrana que permiten el acceso de fluido a ambos lados de una película. El requisito de contacto de fluidos significa que las membranas en tensión no pueden ser dispuestas sobre las estructuras de apoyo sólidas.

En el caso particular de una membrana comprimida, la falta de una estructura de soporte puede resultar en la expansión y deformación de la membrana. Esta deformación puede ser indeseable para diversas aplicaciones, y también puede causar grietas en la membrana.

Proporcionar una buena adhesión al sustrato de tal manera que la energía de enlace sea mayor que la energía en el material tensionado puede ayudar a evitar el fallo de compresión. Sin embargo, esta técnica existente de adhesión mejorada no puede ser fácilmente adaptada a la formación de membranas tensionadas.

Una estructura de acuerdo con la invención es una pequeña membrana a tracción que tiene sólo un ligero solapamiento con una estructura de soporte, es decir, una rejilla de soporte. Las dimensiones totales del material sometido a esfuerzos, incluyendo las áreas autoportante y unida, están diseñadas para ser lo suficientemente pequeña para que sea poco probable que la membrana se fracture en tensión. Las dimensiones permitidas para una membrana a tracción están dictadas por la separación característica de las fisuras. Los materiales en la interfase de unión, es decir, la rejilla de soporte, afectan a la separación característica de las fisuras, y por lo tanto, también afectan a las dimensiones permitidas de la membrana.

En una realización, el área activa disponible se incrementa mediante la construcción de islas dispuestas de tal manera que el espaciado entre las islas es relativamente pequeña. Esta realización puede ser denominada como "pre-fisurado" de la película debido a las similitudes entre las separaciones intencionales y las grietas las que se formarían si no fuera por la creación de las separaciones. La estructura de soporte puede ser una rejilla de soporte alineada bajo los espacios con un pequeño solapamiento con la película estresada. La estructura de soporte puede ser una rejilla de soporte alineada bajo los espacios con un pequeño solapamiento con la película estresada.

Otra estructura de acuerdo con la invención es una membrana pequeña a compresión que está unida al material... [Seguir leyendo]

1. Conjunto de pila de combustible que comprende: electrodos primero y segundo (410, 420) , y un conjunto de membrana al menos parcialmente dispuesto entre los electrodos primero y segundo, en el que el conjunto de membrana tiene un soporte (90) que define una abertura (180) ; y una membrana de película delgada en tensión

(190) que ocluye la abertura y acoplada al soporte (90) y que tiene una forma, caracterizado por el hecho de que la membrana tiene un espesor de entre 0.25µm y 2µm y por el hecho de que la forma tiene una dimensión máxima menor que aproximadamente 40 veces el espesor de la membrana para evitar que se deforme bajo tensión de compresión o menor que dos veces el espaciado de fisura característica de la membrana determinado tal como se describe desde la página 18 línea 20 hasta la página 19 línea 13 de la descripción para evitar que se fisure bajo tensión de tracción.

2. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1, en el que el soporte define una pluralidad de aberturas, y que además comprende: una pluralidad de membranas de película delgada en tensión que ocluyen unas respectivas de las aberturas, en el que la pluralidad de membranas de película delgada en tensión tienen dimensiones máximas respectivas menores que aproximadamente 80 micras.

3. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 en el que la dimensión máxima es menor que 40 micras.

4. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1, en el que el soporte define una segunda abertura adyacente a la primera abertura, y el conjunto de membrana tiene una segunda membrana de película delgada en tensión y que ocluye la segunda abertura, en el que la dimensión máxima de una forma definida por la segunda membrana de película delgada es menor que aproximadamente 80 micras.

5. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 en el que el soporte define aberturas primera y segunda adyacentes, una primera membrana de película delgada en tensión (190a) ocluye la primera abertura, y una segunda membrana de película delgada (190b) ocluye la segunda abertura, y en el que una distancia entre las membranas primera y segunda de película delgada en tensión es menor que aproximadamente 80 micras.

6. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 5, en el que la distancia entre las membranas primera y segunda de película delgada en tensión es menor que 40 micras.

7. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o 5, que comprende una estructura de membrana de película delgada compuesta que incluye una red de membranas de película delgada en tensión que ocluyen aberturas respectivas del soporte, y paredes de marco (205) para soportar la estructura de membrana de película delgada compuesta.

8. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 7, en el que las paredes de marco forman una reja para separar múltiples estructuras de membrana de película delgada compuestas.

9. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 5, en el que la distancia entre las aberturas primera y segunda es menor que dicha dimensión máxima.

10. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o 5, en el que una forma de la o cada abertura se selecciona del grupo que consiste en hexagonal, cuadrada, triangular, y circular.

11. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o 5, en el que una forma de la o cada membrana de película delgada en tensión es una de entre un hexágono, un cuadrado, un triángulo, y un círculo.

12. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 5, en el que una parte de sección transversal del soporte define una primera estantería (300) y una extensión (310) , y la primera membrana de película delgada en tensión está en contacto con una parte de la primera estantería.

13. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 12, en el que la parte de sección transversal del soporte define a segunda estantería (320) dispuesta en paralelo con la primera estantería, y la segunda membrana de película delgada en tensión está en contacto con una parte de la segunda estantería.

14. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o 5, en el que la o cada membrana de película delgada en tensión está dispuesta en una pila de combustible de óxido sólido.

15. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o 5, en el que la o cada membrana de película delgada en tensión comprende un material que se selecciona del grupo que consiste en cobre, níquel, paladio, platino, renio, carburo de sílice, nitruro de aluminio, un óxido, y combinaciones de estos.

16. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 15, en el que el material es un óxido, y el óxido se selecciona del grupo que consiste en óxido de aluminio, cerio, cromo, cobalto, hafnio, hierro, lantano, magnesio, manganeso, samario, escandio, silicio, estroncio, titanio, iterbio, itrio, praseodimio, zirconio y combinaciones de estos.

17. Procedimiento para formar un conjunto de pila de combustible que comprende las etapas consistentes en: formar un soporte que define una abertura; formar una membrana de película delgada en tensión material que tiene un espesor de entre 0.25µm y 2µm y acoplada al soporte y que tiene una forma para ocluir la abertura, y disponer la membrana de película delgada en tensión al menos parcialmente entre dos electrodos, en el que una dimensión máxima de la forma es menor que aproximadamente 40 veces el espesor de la membrana para evitar que se deforme bajo tensión de compresión o menor que dos veces el espaciado de fisura característica de la membrana determinado tal como se describe desde la página 18 línea 20 hasta la página 19 línea 13 de la descripción para evitar que se fisure bajo tensión de tracción.

18. El procedimiento según la reivindicación 17, que además comprende: suministrar un sustrato, en el que la formación del soporte comprende formar el soporte en al menos una región del sustrato; y retirar al menos una parte del sustrato.

19. El procedimiento según la reivindicación 17, en el que la formación de un soporte que define una abertura incluye: definir unas aberturas primera y segunda, comprendiendo además el procedimiento las etapas consistentes en; formar una primera membrana de película delgada en tensión para ocluir la primera abertura, y formar una segunda membrana de película delgada en tensión para ocluir la segunda abertura, en el que una distancia entre las membranas primera y segunda de película delgada en tensión es menor que aproximadamente 80 micras.

20. El procedimiento según la reivindicación 19, que además comprende suministrar un sustrato, en el que la formación del soporte incluye formar el soporte en al menos una región del sustrato; y retirar al menos una parte del sustrato.

21. El procedimiento según la reivindicación 18 o 20, que además comprende la etapa de: depositar un material adicional sobre la membrana de película delgada.

22. El procedimiento según la reivindicación 18 o 20, en el que la formación del soporte comprende las etapas de: formar una capa de sacrificio sobre el sustrato; definir una cavidad en el sustrato y la capa de sacrificio; rellenar al menos parcialmente la cavidad con un material de soporte; y retirar al menos una parte de la capa de sacrificio para exponer al menos una parte de una superficie superior del material de soporte.