Integration of thin film based micro solid oxide fuel cells in silicon technology

Abstract

[spa] En las últimas décadas, ha habido una gran proliferación de aparatos portátiles. Entre ellos, cabe destacar los aparatos destinados a electrónica de consumo, como por ejemplo teléfonos móviles, reproductores de música, libros electrónicos, etc., los cuales están actualmente muy extendidos. De cara a proporcionar a estos aparatos con suficiente autonomía, se ha de integrar una fuente de alimentación en el mismo dispositivo. Esto urge a buscar posibles fuentes de alimentación con capacidad de integración, y que a su vez satisfagan los requerimientos básicos de alta densidad de potencia, gran tiempo de vida y bajo coste. Hasta ahora, la principal fuente de alimentación utilizada en este tipo de dispositivos ha sido las baterías. Sin embargo, conforme aumentan las funcionalidades, la necesidad de mayor capacidad de suministro (o almacenamiento) energético aumenta. Es más, justo ahora entrando en la cuarta generación (4G) de la electrónica de consumo, diversos estudios sugieren que las baterías, ya optimizadas, probablemente están alcanzando su límite en densidad energética, con lo que no podrían ya considerarse más para alimentar de manera viable los dispositivos más avanzados. En este sentido, en los últimos años muchos grupos de investigación han puesto su atención en el desarrollo de alternativas viables que puedan mejorar las prestaciones de las baterías como fuente de alimentación de dispositivos de altas prestaciones que trabajen en el régimen de baja potencia (1 − 20W). Debido a su alto tiempo de vida, alta densidad energética y capacidad de integración, probablemente la alternativa más prometedora es el desarrollo de micro pilas de combustible. En particular, entre los diferentes tipos, las micro pilas de combustible de óxido sólido (micro SOFC, de sus siglas en inglés), presentan los mayores valores de densidad energética específica (por unidad de masa y/o volumen), mayormente debido a su alta temperatura de operación y la consecuente capacidad de operar directamente con combustibles hidrocarburos. El diseño de micro SOFC más extendido está basado en la fabricación de membranas auto soportadas, las cuales integran ya todas las partes funcionales de la pila, es decir, un electrolito fino cubierto por un ánodo y un cátodo (uno a cada lado). Estas membranas, de grosor muy fino (menos de 1m), normalmente se encuentran soportadas en plataformas de silicio micro mecanizadas, de manera que se facilita un fácil acceso al combustible directamente a ambos lados de la membrana, a la vez que se proporciona robustez al sistema. El uso de silicio como material de soporte es muy conveniente, ya que es el material más utilizado en micro fabricación, por lo que existe una amplia y altamente desarrollada serie de técnicas para su micro mecanizado. Esta tesis engloba el diseño, la fabricación y la caracterización de micro pilas de combustible de óxido sólido basadas en capas delgadas, e integradas en tecnología de silicio. El desarrollo de las micro SOFC se ha llevado a cabo de tres formas diferentes: (i.) presentando nuevos diseños para la optimización de las membranas auto soportadas, (ii.) fabricando electrolitos en capa delgada estables termo-mecánicamente y (iii.) sugiriendo e implementando en el dispositivo final nuevos materiales de electrodo en capa delgada más efectivos y viables que los actuales. En primer lugar, se fabricaron dos diseños de membrana diferentes, usando tecnología de micro fabricación de silicio. En el primero de los diseños, se fabricaron membranas cuadradas básicas. En este caso, el trabajo más importante fue el de la adaptación del proceso de fabricación al flujo de fabricación de la Sala Blanca del IMB-CNM (CSIC). Más adelante, se desarrolló un nuevo diseño de membrana de gran superficie, basado en el uso de mallas de nervios de silicio dopado como soporte robusto. Así, se consiguieron fabricar membranas auto soportadas con un área total de hasta 30 veces mayor que las conseguidas en el diseño básico anterior. Para el electrolito, se usó zirconia estabilizada con ytria (YSZ, de sus siglas en inglés), el material estado del arte en SOFC de gran volumen. Se fabricaron membranas auto soportadas de YSZ con gran reproducibilidad, obteniendo capas delgadas densas, cristalinas y de grosor homogéneo. Estas características son básicas para un buen funcionamiento del electrolito, ya que así se evitan posibles cortocircuitos entre los dos electrodos y/o fugas de gas. Además, se realizó un estudio exhaustivo de la estabilidad termo-mecánica de las membranas de YSZ, ya que las temperaturas de operación de la pila son de varios centenares de ℃. En particular, se prestó atención especial a la evolución de los estreses en función de las condiciones de fabricación de la capa de YSZ, para as. evitar posibles fallos en los continuos ciclados térmicos. Finalmente, se realizó un estudio de las propiedades electroquímicas de las membranas de YSZ fabricadas. Normalmente, se establece un valor de resistencia específica por área de 0.15 Ω cm2 para cada una de las capas funcionales de las pilas. En este caso, este valor objetivo se obtuvo a temperaturas de 400℃ en membranas de YSZ de 250 nm de grosor. De esta forma, se comprobó que estas capas pueden funcionar perfectamente como electrolito en todo el rango de operación de las micro SOFC, que normalmente se establece en 400 − 800℃. A continuación, se probaron diversos materiales como electrodos en capa delgada, para su implementación en micro SOFC. En primer lugar, aunque éstos han sido usados frecuentemente por otros autores en estudios previos de micro SOFC, se comprobó que los electrodos metálicos en capa delgada (capas de Pt poroso) son inestables a las temperaturas de operación de las micro SOFC. Por lo tanto, esto hizo que se probaran materiales alternativos, bien para el ánodo o para el cátodo. En particular, para el cátodo se fabricaron capas delgadas porosas de La(0.6)Sr(0.4)CoO(3-δ) (LSC) y se integraron en membranas auto soportadas de YSZ (electrolito). La conductividad eléctrica que se midió en estas capas es adecuada, y no se observó degradación en todo el rango de temperaturas de operación. Así mismo, se comprobó la estabilidad termo mecánica del sistema fabricando membranas simétricas de LSC/YSZ/LSC y realizándoles ciclados térmicos hasta los 700℃. Por último, se midieron las propiedades electroquímicas de las bi-capas cátodo/electrolito, obteniendo los valores objetivo de resistencia específica por área (0.30 Ωcm2) a temperaturas de 700℃. Para el ánodo, se fabricaron capas delgadas porosas de un cermet de Pt y Ce0(.8)Gd(0.2)O(1.9-δ) (PtKCGO). Las capas de CGO se tuvieron que fabricar de grosores por debajo de 1 m, debido a problemas de delaminación del sustrato. Se aseguró una buena inter-conexión entre el Pt y el CGO mediante tratamientos térmicos. Las propiedades electroquímicas se midieron nuevamente fabricando membranas simétricas, esta vez Pt-CGO/YSZ/CGO-Pt. Así mismo, el objetivo de 0.30 Ωcm2 se obtuvo de nuevo a temperaturas alrededor de 700℃. Además, en esta tesis se llevó a cabo la fabricación de colectores de corriente térmicamente estables y a su vez compatibles con la configuración básica de una micro SOFC (membranas auto soportadas). Para ello, se usó un proceso de litografía no convencional, llamado "nanosphere lithography". De esta forma se fabricaron mallas de Pt denso perfectamente ordenadas en ambos lados de las membranas. La estabilidad térmica y la durabilidad en el tiempo de estas mallas fue igualmente probada mediante medidas en condiciones de trabajo reales de micro SOFC. Por último, en este trabajo se presentó una micro SOFC completamente basada en cerámicas por primera vez. Las tres capas funcionales de la pila, es decir, tanto el cátodo, como el electrolito y el ánodo, se fabricaron basándose en los estudios previos de cada material. Así, se fabricaron membranas auto soportadas siguiendo la configuración LSC/YSZ/CGO-Pt. Además, se implementaron mallas de Pt en ambos lados para asegurar una buena colección de corriente. La estabilidad termo mecánica de la membrana se midió hasta 750℃, extendiendo así el rango de temperaturas de operación reportado anteriormente en dispositivos finales de micro SOFC y en consecuencia permitiendo el uso de electrodos cerámicos. Se midieron valores de densidad de potencia de 100 mW/cm2 a 750℃, usando H2 como combustible y aire sintético como oxidante. Estos resultados representan los primeros valores de potencia presentados en micro SOFC basadas en cerámicas, abriendo as. la posibilidad de desarrollar una segunda generación de micro SOFC más viables térmicamente.

[eng] In the last decades, there has been a huge proliferation of portable devices. Among them, consumer electronics such as mobile phones, music players, e-books, etc. are greatly extended. In order to provide these devices with the required autonomy, a power supply system has to be integrated within the device packaging. This impels the search of integrated power sources that could satisfy the requirements of high power density, long operation lifetime and low cost. Up to now, batteries have been commonly used as power supply for these devices. However, as functionalities increase, the need high off-grid power supply and storage exponentially increases. Just entering on the 4th generation (4G) era on consumer electronics devices, some studies suggest that the already optimized batteries are probably reaching their energy density limit and no longer can be considered for reliably powering high-performance devices. Therefore, in the last years, many research groups around the world have focused their attention on the development of efficient alternatives to batteries, as power supply for the new high-performance portable devices working on the low power regime (1−20W). Due to their long lifetime, high power density and integrability, probably the most promising alternative is the development of micro fuel cells. Among them, micro solid oxide fuel cells (micro SOFC) present the highest values of specific energy densities (by unit mass and/or volume), mainly due to their higher operating temperature and subsequent capability of operate directly on hydrocarbon fuels. The most extended design for micro SOFC devices is based on the fabrication of accessible freeKstanding membranes of the functional layers, i.e. a thin electrolyte covered by an anode and a cathode one at each side (electrodes), supported on silicon-based microfabricated platforms. The use of silicon as supporting material has been found to be very convenient as it is the principal material used in microfabrication technology and therefore there exist a wide and well-known series of techniques already developed for its micromachining. This allows the fabrication of functional membranes, while ensuring robustness on the system. This thesis encompasses the design, fabrication and characterization of thin film-based micro solid oxide fuel cells integrated in silicon. The development of micro SOFC was carried out in three different ways; (i.) presenting new designing strategies for the optimization of the free-standing membranes, (ii.) fabricating thermo-mechanically stable thin film electrolytes and (iii.) suggesting and implementing new more reliable thin film electrode materials. On one side, two different membrane designs are micro fabricated using silicon micro machining technology. First, the fabrication of a basic square design was firstly addressed, where the main concerns were placed on the adaptation of the fabrication flow to the Clean Room capabilities at IMB-CNM (CSIC). Then, an innovative large-area membrane was designed and fabricated. This second design was based on the use of doped silicon slab grids as robust support for the larger freeKstanding areas, allowing the fabrication of x30 larger membranes than previous basic designs. Yttria-stabilized zirconia (YSZ), the state-of-the-art electrolyte material in bulk SOFC, was used for the fabrication of thin film free-standing electrolytic membranes. Dense, fully crystalline and homogeneous films were obtained, as required for the fabrication of effective electrolytes, thus avoiding shortcuts between electrodes and/or gas leakages. An exhaustive study on the thermoKmechanical stability of the electrolytic membranes was performed, paying special attention to the evolution of the stress with fabrication conditions. Finally, target values of resistance associated to the electrolyte (Area Specific Resistance, ASR= 0.15 Ωcm(2)) were obtained at temperatures as low as 400℃ for 250 nm-thick YSZ membranes, thus presenting them as suitable electrolyte for micro SOFC operating in the intermediate range of temperatures (IT range, 400 − 800℃). Several materials were tested as thin film electrodes for their use in micro SOFC. First, although widely used by other authors in previous reports of micro SOFC systems, thin film metallic electrodes (porous Pt) were found to be thermally instable under micro SOFC operating temperatures. This impelled the search for alternative materials as either cathode or anode. For the cathode side, porous La(0.6)Sr(0.4)CoO(3-δ) (LSC) thin films were fabricated and implemented in real micro SOFC configurations, i.e. free-standing membranes. Sufficient conductivity for their use as cathode films was measured, and no degradation was observed in the whole operating range. The thermo-mechanical stability of LSC/YSZ/LSC membranes was ensured up to 700℃. Target values of ASR required for SOFC cathode/electrolyte bi-layers (0.30Ω cm(2)) were achieved in the IT range (700℃). For the anode side, porous Pt-Ce(0.8)Gd(0.2)O(1.9-δ) (Pt-CGO) thin film cermets were fabricated. Porous CGO films below 1m thick had to be fabricated due to delamination problems. Percolation of Pt into the porous ceramic network was ensured by thermal treatment and observed by SEM. Anode electrochemical performance was tested on Pt-CGO/YSZ/CGO-Pt symmetrical membranes. Target values for the anode/electrolyte biKlayer were reached again at temperatures of ca. 700℃. In addition, the fabrication of thermally stable metal-based current collectors was also addressed. A non-conventional lithographic step, i.e. nanosphere lithography was used in order to define a patterned grid on both sides of the functional membranes. Dense Pt grids were fabricated thermo-mechanically stable, and their durability was ensured during real micro SOFC operating conditions. Finally, a fully ceramic-based micro SOFC was presented here for the first time. The three functional components of the fuel cell, i.e. cathode, electrolyte and anode, were fabricated by using the previously developed thin films. Thus, LSC/YSZ/CGO-Pt free-standing membranes were fabricated, and finally Pt current collectors were implemented on both sides. Thermo-mechanical stability of the micro SOFC membrane was proved till 750℃, extending the up-to-now reported operating temperatures of micro SOFC and therefore allowing the use of ceramic electrodes. A maximum power density of 100 mW/cm(2) was measured at 750℃ under pure H2 as fuel and synthetic air as oxidant. These results represented the first report on a second generation of more reliable micro SOFC systems, based on ceramics instead of thermally instable metal-based electrodes.