Modélisation et microfabrication d'électrodes pour une pile A combustible avec une membrane polymérique

Abstract

Ce mémoire porte sur l'évaluation de l'utilité de microfabriquer des électrodes pour une pile à combustible à membrane polymérique. Le travail comporte l'analyse et la conception des électrodes, le développement des procédés de microfabrication et la caractérisation expérimentale de la pile ainsi microfabriquées. À partir d'observations des structures d'électrodes conventionnelles, une structure de taille microscopique a été conçue. Les dimensions de la nouvelle structure se sont basées sur un premier calcul d'optimisation de la surface de catalyse, de la résistance interne et de l'écoulement des gaz à l'intérieur de la structure. Avec ces calculs, il a été déterminé que la structure de diffusion des protons est la partie critique de la nouvelle configuration. Pour réaliser l'électrode microfabriquées, il a été nécessaire d'adapter des méthodes de fabrication comme la gravure par plasma haute densité (DRIE) et la déposition par évaporation du platine pour qu'ils donnent une structure matricielle de colonnes de silicium recouverte de platine. Une recherche expérimentale a été faite sur les possibilités de déposition de Nafionª (matériau permettant la diffusion de protons) sur cette structure matricielle tridimensionnelle. À partir des résultats obtenus, il a été possible de fabriquer des prototypes avec des dimensions acceptables. Les colonnes mesurent environ 8 [micro]m de large et ont une hauteur d'environ 100 [micro]m. Une méthode de déposition du Nafionª par capillarité a permis d'obtenir des couches couvrant la majorité de la surface des colonnes mais avec des épaisseurs variant de 200 nm à 1 [micro]m. Il y a encore place à amélioration pour atteindre les objectifs fixés par les premiers calculs d'optimisation. Deux prototypes de 1 cm[indice supérieur 2] ont été fabriqués et la tension en fonction du courant a été caractérisée expérimentalement. Les performances mesurées sont une tension de 820 mV (en circuit ouvert), un courant maximal de 123 mA et une puissance maximale de 37 mW/cm[indice supérieur 2]. La puissance mesurée par unité de surface de platine est supérieur aux piles conventionnelles, démontrant un avantage de la microfabrication. La caractéristique qui mérite un deuxième travail d'optimisation est la résistance interne de la pile par un meilleur contrôle sur la déposition de Nafionª pour obtenir des puissances comparables aux piles conventionnelles. Il faudrait porter une attention à la maximisation de la surface de catalyse et la gestion de l'eau dans la prochaine configuration.