FR2843896A1 - Porous substrate containing a metallic phase for the production of fuel cell electrodes and connections for micro-electronic components has controlled concentration varying with depth - Google Patents
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Abstract
Description
SUBSTRAT POREUX CONTENANT UNE PHASE METALLIQUE APOROUS SUBSTRATE CONTAINING A METAL PHASE A
GRADIENT DE CONCENTRATION ET PROCEDE DE FABRICATION DE CE SUBSTRAT CONCENTRATION GRADIENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SUBSTRATE
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention concerne un substrat The present invention relates to a substrate
poreux contenant une phase métallique. porous containing a metallic phase.
Cette dernière peut être une phase 10 métallique catalytique (un catalyseur). The latter may be a catalytic metal phase (a catalyst).
Dans ce cas, l'invention s'applique notamment à la fabrication d'électrodes de piles à combustible (" fuel cells ") de toutes formes et toutes dimensions, comprenant des catalyseurs mono-métalliques 15 ou pluri-métalliques, pour des utilisations dans diverse sources d'énergie à base de piles à combustible In this case, the invention applies in particular to the manufacture of fuel cell electrodes ("fuel cells") of all shapes and sizes, comprising mono-metallic or multi-metal catalysts, for uses in various energy sources based on fuel cells
hydrogène-air, méthanol-air ou hydrogène-oxygène. hydrogen-air, methanol-air or hydrogen-oxygen.
La puissance de ces sources peut aller de quelques milliwatts, pour un usage dans les appareils 20 portatifs, à quelques mégawatts, en vue d'une utilisation dans les installations statiques, en passant par des puissances intermédiaires, pour un The power of these sources can range from a few milliwatts, for use in portable devices, to a few megawatts, for use in static installations, through intermediate powers, for
usage dans les véhicules.use in vehicles.
Plus généralement, l'invention s'applique à 25 la fabrication de tout système comportant un support More generally, the invention applies to the manufacture of any system comprising a support
poreux, muni d'une phase active catalytique. porous, provided with a catalytic active phase.
Néanmoins,, dans la présente invention, la phase métallique n'est pas nécessairement catalytique et l'invention s'applique aussi, dans le domaine de la 30 microélectronique, à la fabrication d'interconnexions électriques. Nevertheless, in the present invention, the metal phase is not necessarily catalytic and the invention also applies, in the field of microelectronics, to the manufacture of electrical interconnections.
2ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE STATE OF THE PRIOR ART STATE OF THE PRIOR ART
Il est connu de former des dépôts métalliques, ayant des propriétés catalytiques, sur des 5 supports ou substrats poreux, par des techniques d'imprégnation chimique, à partir de sels ou It is known to form metal deposits, having catalytic properties, on porous substrates or substrates, by chemical impregnation techniques, from salts or
d'organométalliques en phase liquide. of organometallic in the liquid phase.
Ces techniques présentent notamment l'inconvénient d'utiliser des solvants aui sont These techniques have the particular disadvantage of using solvents which are
polluants.pollutants.
S _, En ce qui concerne les piles à combustible connues, on sait que les électrodes des piles de type PEMFC, c'est-à-dire des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (" Proton Exchange Membrane Fuel 15 Cells "), sont obtenues en déposant successivement, sur un tissu de carbone, deux couches de composition et de As far as known fuel cells are concerned, it is known that the electrodes of the PEMFC type cells, ie proton exchange membrane fuel cells ("Cells"). , are obtained by successively depositing, on a carbon fabric, two layers of composition and
fonction déterminées.function determined.
La première couche, appelée " couche de diffusion ", contient du carbone et un agent 20 hydrophobe. Elle est généralement déposée dans l'intention de limiter la porosité superficielle du support et d'obtenir un état de surface approprié au The first layer, called the "diffusion layer", contains carbon and a hydrophobic agent. It is generally deposited with the intention of limiting the surface porosity of the support and of obtaining a surface state that is suitable for
dépôt de la deuxième couche.deposit of the second layer.
Cette dernière, appelée " couche active ", 25 contient le catalyseur et un agent hydrophobe. Elle a une épaisseur uniforme et permet au catalyseur de se trouver au voisinage de l'interface électrode électrolyte. Ces deux couches se présentent généralement 30 sous la forme d'encres dont la viscosité est plus ou moins grande selon qu'elles sont déposées par enduction ou pulvérisation sur le support de carbone ou sur l'électrolyte. Le catalyseur contenu dans la couche active se présente sous la forme de particules de faible 5 diamètre, environ égal à 2,0 nm, que l'on dépose sur du carbone. La concentration du catalyseur dans la couche active est donc homogène dans toute l'épaisseur de The latter, called the "active layer", contains the catalyst and a hydrophobic agent. It has a uniform thickness and allows the catalyst to be in the vicinity of the electrolyte electrode interface. These two layers are generally in the form of inks whose viscosity is greater or less depending on whether they are deposited by coating or spraying on the carbon support or on the electrolyte. The catalyst contained in the active layer is in the form of small diameter particles, approximately equal to 2.0 nm, which is deposited on carbon. The concentration of the catalyst in the active layer is therefore homogeneous throughout the thickness of the
cette couche.this layer.
titre d'exemple, il est connu de déposer, 10 sur un substrat poreux de carbone de 360 micromètres d'épaisseur, une couche contenant du platine, d'une épaisseur d'une trentaine de micromètres sur le substrat et dont la concentration en platine est For example, it is known to deposit, on a porous substrate of carbon of 360 microns in thickness, a platinum-containing layer with a thickness of about thirty microns on the substrate and whose platinum concentration is
homogène sur toute l'épaisseur de cette couche. homogeneous throughout the thickness of this layer.
Or, de nombreuses études d'électrodes de piles à combustible et de modélisation ont montré que la quantité active de platine variait en fonction de la However, numerous studies of fuel cell electrodes and modeling have shown that the active amount of platinum varies according to the
densité de courant.current density.
Lorsque cette dernière est faible, la 20 totalité de l'épaisseur de platine est utilisée, alors When the latter is low, the entire thickness of platinum is used, then
qu'à forte densité de courant, du fait de la compétition entre des phénomènes d'approvisionnement en réactifs et de résistance ionique d'une électrode, seuls quelques micromètres de la couche de platine, à 25 l'interface électrode - électrolyte, sont utilisés. At high current density, because of the competition between reagent supply phenomena and ionic resistance of an electrode, only a few micrometers of the platinum layer at the electrode-electrolyte interface are used. .
Dans de telles électrodes, l'utilisation du catalyseur n'est pas optimale: environ 90% du platine In such electrodes, the use of the catalyst is not optimal: about 90% of the platinum
n'est pas utilisé.is not used.
EXPOSE DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
La présente invention a pour but de The present invention aims to
remédier aux inconvénients précédents. remedy the previous disadvantages.
Dans la présente invention, on fait varier, 5 suivant la profondeur, la concentration de la phase métallique contenue dans un substrat poreux: cette phase métallique, qui peut être une phase métallique catalytique ou phase active, n'est pas homogène mais In the present invention, the concentration of the metal phase contained in a porous substrate is varied according to the depth: this metallic phase, which may be a catalytic metal phase or an active phase, is not homogeneous but
admet, au contraire, un gradient de concentration. admits, on the contrary, a concentration gradient.
Ainsi, contrairement aux techniques d'imprégnation chimique mentionnées plus haut et aux techniques connues de fabrication d'électrodes de piles à combustible, la présente invention se prête à l'optimisation de l'efficacité de la phase catalytique. 15 L'invention permet en effet de contrôler le gradient ou " profil " de concentration de la phase active, ce qui permet de réduire le cot de fabrication des électrodes de piles à combustible, en ne disposant Thus, unlike the chemical impregnation techniques mentioned above and known techniques for manufacturing fuel cell electrodes, the present invention lends itself to optimizing the efficiency of the catalytic phase. The invention indeed makes it possible to control the gradient or "profile" of concentration of the active phase, which makes it possible to reduce the cost of manufacture of the fuel cell electrodes by not having
le catalyseur que là o il est utile. the catalyst only where it is useful.
Plus généralement, la présente invention vise à optimiser l'efficacité d'une phase métallique More generally, the present invention aims at optimizing the efficiency of a metallic phase
formée sur un substrat poreux.formed on a porous substrate.
De façon précise, la présente invention a pour objet un substrat poreux contenant une phase 25 métallique, cette phase métallique s'étendant dans le Specifically, the subject of the present invention is a porous substrate containing a metal phase, this metal phase extending into the
substrat à partir d'une surface de celui-ci, ce substrat étant caractérisé en ce que la concentration de la phase métallique varie en fonction de la profondeur dans le substrat, cette profondeur étant 30 comptée à partir de la surface du substrat. substrate from a surface thereof, which substrate is characterized in that the concentration of the metal phase varies as a function of the depth in the substrate, this depth being counted from the surface of the substrate.
La phase métallique peut s'étendre dans le The metallic phase can extend into the
substrat sur une épaisseur inférieure ou égale à 10m. substrate on a thickness less than or equal to 10m.
La concentration de la phase métallique The concentration of the metallic phase
peut être une fonction décroissante de la profondeur. can be a decreasing function of depth.
Selon un mode de réalisation particulier du substrat objet de l'invention, la phase métallique est catalytique. Dans ce cas, selon une application particulière de l'invention, le substrat peut être 10 destiné à former une électrode d'une pile à combustible. Selon une autre application particulière de According to a particular embodiment of the substrate which is the subject of the invention, the metallic phase is catalytic. In this case, according to a particular application of the invention, the substrate may be for forming an electrode of a fuel cell. According to another particular application of
l'invention, qui n'utilise pas une phase métallique catalytique, le substrat peut être destiné à former une 15 connexion électrique d'un composant microélectronique. In the invention, which does not use a catalytic metal phase, the substrate may be intended to form an electrical connection of a microelectronic component.
La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication du substrat poreux contenant une phase métallique, dans lequel on forme, dans le substrat, une phase métallique qui s'étend dans ce 20 substrat, à partir d'une surface de celui-ci, et l'on The present invention also relates to a method of manufacturing the porous substrate containing a metal phase, in which a metal phase is formed in the substrate which extends in this substrate from a surface thereof, and one
règle les conditions de formation de la phase métallique pour faire varier la concentration de cette phase métallique en fonction de la profondeur dans le substrat, cette profondeur étant comptée à partir de la 25 surface du substrat. The formation conditions of the metal phase are adjusted to vary the concentration of this metal phase as a function of the depth in the substrate, this depth being counted from the surface of the substrate.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, on forme la phase métallique dans le substrat poreux, par une technique de dépôt par pulvérisation par plasma (" plasma 30 sputtering deposition "), en utilisant une cible faite According to a preferred embodiment of the method which is the subject of the invention, the metal phase is formed in the porous substrate by a plasma sputtering deposition technique, using a target made
de la phase métallique.of the metallic phase.
Le plasma est de préférence formé à basse pression, cette pression étant dans l'intervalle allant de 0,1 Pa à 10 Pa, et à haute fréquence, cette fréquence étant dans l'intervalle allant de 1MHz à 100MHz. De préférence, les conditions de formation The plasma is preferably formed at low pressure, this pressure being in the range of 0.1 Pa to 10 Pa, and at high frequency, this frequency being in the range of 1MHz to 100MHz. Preferably, training conditions
de la phase métallique comprennent le temps de dépôt de cette phase métallique, la valeur de la pression, la valeur de la fréquence et la polarisation (" bias ") de 10 la cible. The metal phase comprises the deposition time of this metal phase, the value of the pressure, the value of the frequency and the polarization ("bias") of the target.
BR VE DESCRIPTION DES DESSINSBR VE DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La présente invention sera mieux comprise à The present invention will be better understood at
la lecture de la description d'exemples de réalisation 15 donnés ci-après, à titre purement indicatif et the reading of the description of exemplary embodiments given below, for information only and
nullement limitatif, on faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un substrat poreux, contenant une phase 20 métallique conformément à l'invention, - la figure 2 montre deux profils différents de concentration de platine (courbes I et II), obtenus conformément à l'invention dans un substrat en carbone poreux, et - la figure 3 illustre schématiquement les in no way limiting, with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a schematic sectional view of a porous substrate containing a metal phase according to the invention; - Figure 2 shows two different profiles of concentration; platinum (curves I and II), obtained according to the invention in a porous carbon substrate, and - FIG. 3 schematically illustrates the
performances électrochimiques d'électrodes ayant respectivement ces deux profils différents, par des courbes tension-densité de courant (courbes IA et IIA) et des courbes puissance-densité de courant (courbes IB 30 et IIB). electrochemical performances of electrodes respectively having these two different profiles, by voltage-current density curves (curves IA and IIA) and power-density curves of current (curves IB and IB).
EXPOS D TAILL DE MODES DE R ALISATION PARTICULIERS EXPOSURE OF PARTICULAR RESTORATION MODES
Un exemple de substrat poreux conforme à l'invention est schématiquement représenté en coupe sur la figure 1. Ce substrat contient une phase métallique 5 2 et cette phase métallique s'étend sur une épaisseur E du substrat poreux 4, à partir de la surface 6 de ce dernier, qui est plane dans l'exemple. L'épaisseur totale du substrat est notée H. Conformément à l'invention, la concentration de la phase métallique varie en fonction An example of a porous substrate according to the invention is schematically shown in section in FIG. 1. This substrate contains a metal phase 2 and this metal phase extends over a thickness E of the porous substrate 4, starting from the surface 6 of the latter, which is flat in the example. The total thickness of the substrate is denoted H. According to the invention, the concentration of the metallic phase varies according to
de la profondeur dans le substrat.depth in the substrate.
On voit sur la figure 1 un repère défini par une origine 0 et par trois axes X, Y et Z qui sont perpendiculaires les uns aux autres. Le plan X O Y 15 correspond à la surface 6 du substrat 4 et la profondeur dans le substrat est comptée suivant l'axe FIG. 1 shows a reference defined by an origin 0 and by three axes X, Y and Z which are perpendicular to each other. The plane X O Y 15 corresponds to the surface 6 of the substrate 4 and the depth in the substrate is counted according to the axis
Z, à partir de la surface 6 du substrat. Z, from the surface 6 of the substrate.
Dans certaines applications de l'invention, en particulier lorsque le substrat poreux contenant la 20 phase métallique est destiné à former une électrode de pile à combustible, on utilise une phase catalytique, In some applications of the invention, particularly when the porous substrate containing the metal phase is to form a fuel cell electrode, a catalytic phase is used,
par exemple le platine, en tant que phase métallique. for example platinum, as a metallic phase.
De plus, l'épaisseur E est alors de l'ordre In addition, the thickness E is then of the order
de 2gm à 3tm et la concentration de la phase métallique 25 décroît lorsque la profondeur Z augmente. from 2 μm to 3 μm and the concentration of the metal phase decreases as the depth Z increases.
Cependant, dans d'autres applications de However, in other applications of
l'invention, l'épaisseur E peut être supérieure à 3gm et la concentration de la phase métallique peut varier différemment en fonction de Z. Cette concentration peut 30 par exemple augmenter lorsque la profondeur Z augmente. According to the invention, the thickness E may be greater than 3 μm and the concentration of the metal phase may vary differently depending on Z. This concentration may for example increase as the depth Z increases.
De plus, dans d'autres applications, la Moreover, in other applications, the
phase métallique peut ne pas être catalytique. metal phase may not be catalytic.
A titre d'exemple, l'invention s'applique à la formation d'une connexion électrique d'un composant microélectronique. Alors, en tant que substrat poreux, on utilise par exemple SiOX,CxFyHz,CHy et, en tant que phase By way of example, the invention applies to the formation of an electrical connection of a microelectronic component. Then, as a porous substrate, SiOX, CxFyHz, CHy and, for example, are used as phase
métallique, on utilise par exemple Al, Cu,Pt,W. metal, one uses for example Al, Cu, Pt, W.
On donne maintenant un exemple de procédé 10 de fabrication d'un substrat poreux contenant une phase métallique dont la concentration varie avec la An example of a process for producing a porous substrate containing a metal phase whose concentration varies with
profondeur, conformément à l'invention. depth, according to the invention.
Cette phase métallique, qui peut être catalytique, est déposée par une technique de 15 pulvérisation par plasma sur le substrat poreux et, pendant ce dépôt, on contrôle le profil de This metal phase, which may be catalytic, is deposited by a plasma spraying technique on the porous substrate and, during this deposition, the profile of the
concentration de la phase métallique. concentration of the metal phase.
Sur la figure 1, on a représenté de façon très schématique un dispositif permettant un tel dépôt. 20 Ce dispositif comprend une enceinte à vide 8 dans laquelle on place le substrat poreux 4 (sur un support In Figure 1, there is shown very schematically a device for such a deposit. This device comprises a vacuum chamber 8 in which the porous substrate 4 is placed (on a support
non représenté).not shown).
Le dispositif comprend aussi des moyens 10 de pompage de l'enceinte et des moyens 12 25 d'introduction, dans cette enceinte, d'un gaz The device also comprises means 10 for pumping the enclosure and means 12 for introducing, into this enclosure, a gas
plasmagène tel que l'argon.plasmagene such as argon.
Le dispositif comprend en outre une cible 14, que l'on place dans l'enceinte 8, en regard de la surface 6 du substrat poreux, et qui est constituée de 30 la phase métallique à déposer, ainsi que des moyens 16 The device further comprises a target 14, which is placed in the enclosure 8, facing the surface 6 of the porous substrate, and which consists of the metal phase to be deposited, as well as means 16
de polarisation de cette cible 14.polarization of this target 14.
De plus, ce dispositif comprend des moyens 18 de création du plasma dans l'enceinte, à partir du gaz plasmagène, ainsi que des moyens 20 de commande de In addition, this device comprises means 18 for creating the plasma in the chamber, from the plasma gas, as well as means for controlling the plasma.
ces moyens 18 de création du plasma. these means 18 for creating the plasma.
Dans cet exemple, pour former le dépôt, on forme un plasma à basse pression, de l'ordre de 0,lPa à lOPa, et à haute fréquence, de l'ordre de 100MHz, en In this example, in order to form the deposit, a low-pressure plasma is formed, of the order of 0.1 μP at 100 μA, and at high frequency, of the order of 100 MHz,
utilisant l'argon.using argon.
Selon les conditions de polarisation de la 10 cible 14, les ions du plasma sont attirés par cette cible et, lors de l'impact, provoquent l'éjection des atomes de la cible. Ces atomes diffusent dans l'enceinte et vont se déposer sur le substrat 4 à recouvrir. Le dispositif utilisé, également appelé "réacteur", présente l'avantage de fournir un rapport flux d'ions/flux d'atomes métalliques qui est supérieur à l'unité, contrairement aux dispositifs classiques de According to the polarization conditions of the target 14, the plasma ions are attracted by this target and, upon impact, cause the atoms of the target to be ejected. These atoms diffuse into the chamber and will settle on the substrate 4 to be covered. The device used, also called "reactor", has the advantage of providing an ion flux / metal atom flux ratio which is greater than unity, contrary to conventional devices of
pulvérisation cathodique et aux magnétrons. sputtering and magnetron sputtering.
A ce sujet, on se reportera au document suivant: [1] A.-L. Thomann, J.P. Rozenbaum, P. 25 Brault, C. Andreazza-Vignolle, P. Andreazza, "Pd nanoclusters grown by plasma sputtering deposition on amorphous substrates", Appl. Surf. Sci. 158, 172-183 In this regard, reference is made to the following document: [1] A.-L. Thomann, J. P. Rozenbaum, P. Brault, C. Andreazza-Vignolle, P. Andreazza, "Pd nanoclusters grown by plasma sputtering deposition on amorphous substrates", Appl. Surf. Sci. 158, 172-183
(2000).(2000).
Le dépôt obtenu sur le substrat, ou support, plan 4 est constitué d'agrégats ("clusters") The deposit obtained on the substrate, or support, plane 4 consists of aggregates ("clusters")
du métal de la cible 14.metal of the target 14.
Conformément à l'invention, on règle les 5 conditions du dépôt pour faire varier la concentration de ce métal en fonction de la profondeur dans le According to the invention, the deposition conditions are adjusted to vary the concentration of this metal as a function of the depth in the
substrat poreux 4.porous substrate 4.
Ces conditions sont le temps de dépôt du métal, la valeur de la pression dans l'enceinte 8, la 10 valeur de la fréquence de 1MHz à 100MHz et la tension These conditions are the deposition time of the metal, the value of the pressure in the enclosure 8, the value of the frequency from 1MHz to 100MHz and the voltage
de polarisation de la cible 14.polarization of the target 14.
Selon les conditions opératoires mentionnées ci-dessus, on obtient différentes tailles et différentes formes d'agrégats métalliques et donc, 15 comme on l'a indiqué, un gradient de concentration dans According to the operating conditions mentioned above, different sizes and different forms of metal aggregates are obtained and therefore, as indicated, a concentration gradient in
le substrat poreux.the porous substrate.
On précise que pour contrôler la profondeur atteinte par les agrégats dans le substrat, on peut par It is specified that to control the depth reached by the aggregates in the substrate, it is possible to
exemple contrôler le temps de dépôt du métal. example control the deposition time of the metal.
Pour contrôler la répartition des agrégats suivant cette profondeur, on peut contrôler le temps de To control the distribution of aggregates according to this depth, we can control the time of
dépôt, la pression.deposit, pressure.
On peut fabriquer des électrodes de piles à Battery electrodes can be made to
combustible par le procédé mentionné plus haut et 25 étudier les performances de ces électrodes. fuel by the method mentioned above and to study the performance of these electrodes.
A titre d'exemple, on utilise du platine en tant que phase catalytique et l'on dépose ce platine sur un substrat poreux qui est formé par un tissu souple de carbone, d'épaisseur 360gm, enduit d'un 30 mélange de carbone et de polytétrafluoréthylène, ce ll mélange constituant une couche de diffusion pour une By way of example, platinum is used as a catalytic phase and this platinum is deposited on a porous substrate which is formed by a flexible fabric of carbon, 360 gm thick, coated with a mixture of carbon and polytetrafluoroethylene, this mixture constituting a diffusion layer for a
pile à combustible de type PEMFC.PEMFC fuel cell.
De telles électrodes sont associées à une membrane électrolytique polymère pour constituer le coeur d'une pile à combustible. L'obtention d'un gradient de concentration du catalyseur dans les électrodes d'une pile à combustible permet d'optimiser l'efficacité Such electrodes are associated with a polymer electrolyte membrane to form the core of a fuel cell. Obtaining a catalyst concentration gradient in the electrodes of a fuel cell optimizes efficiency
d'utilisation du catalyseur.use of the catalyst.
Comme on l'a déjà indiqué, la quantité active de catalyseur, par exemple le platine, varie en fonction de la densité de courant J. Lorsque cette densité est faible, on peut utiliser tout le catalyseur, dans toute l'épaisseur de 15 la couche active, alors que pour une forte densité de courant, seule la phase active située proche de l'interface électrode/électrolyte est utilisée, pour des raisons d'approvisionnement en réactifs et de As already indicated, the active amount of catalyst, for example platinum, varies as a function of the current density J. When this density is low, the entire catalyst can be used throughout the thickness of the catalyst. active layer, whereas for a high current density, only the active phase located near the electrode / electrolyte interface is used, for reasons of supply of reagents and
résistance ionique de l'électrode. ionic resistance of the electrode.
La présente invention permet de mettre une plus grande concentration de phase catalytique au voisinage de la surface 6 que l'on place du côté de la membrane, dans le cas de l'application à la fabrication The present invention makes it possible to put a greater concentration of catalytic phase in the vicinity of the surface 6 that is placed on the side of the membrane, in the case of the application to manufacture
d'une électrode pour pile à combustible. an electrode for a fuel cell.
La figure 2 montre des profils de concentrations, obtenus pour deux conditions Figure 2 shows concentration profiles, obtained for two conditions
différentes de traitement par plasma. different plasma treatment.
Plus précisément, on a tracé les variations du nombre N d'atomes, en prenant comme unité 1015 atomes 30 par cm2, en fonction de la profondeur Z, exprimée en micromètres, pour une condition dans laquelle on obtient 0, 012mg de platine par cm2 (courbe I) et pour une condition dans laquelle on obtient 0,096mg de More precisely, the variations of the number N of atoms have been plotted, taking as unit 1015 atoms per cm 2, as a function of the depth Z, expressed in micrometers, for a condition in which 0, 012 mg of platinum per cm 2 is obtained. (curve I) and for a condition in which 0.096mg of
platine par cm2 (courbe II).platinum per cm2 (curve II).
On précise de plus que ces concentrations 5 du platine dans une couche de diffusion en carbone poreux sont obtenues pour une pression d'argon de 0, 04Pa, une puissance de 5W pour le générateur de haute fréquence et une polarisation de la cible égale à V=500V. It is further specified that these platinum concentrations in a porous carbon diffusion layer are obtained for an argon pressure of 0.04 Pa, a power of 5W for the high frequency generator and a polarization of the target equal to V = 500V.
L'augmentation de la teneur en platine The increase of the platinum content
s'accompagne d'une diffusion en profondeur du platine et non pas d'une accumulation en surface qui aurait pour effet d'augmenter la taille des particules de catalyseur et d'en diminuer l'activité, y compris à 15 faible densité de courant. is accompanied by a deep diffusion of platinum and not a surface accumulation which would have the effect of increasing the size of the catalyst particles and reduce their activity, including at low current density .
On mène des tests électrochimiques en Electrochemical tests are conducted in
assemblant des piles avec des électrodes ainsi fabriquées par pulvérisation par plasma, dans les conditions mentionnées ci-dessus à propos de la figure 20 2. assembling cells with electrodes thus produced by plasma spraying, under the conditions mentioned above with reference to FIG. 2.
Les piles sont alimentées en oxygène et hydrogène purs, à une pression de 4x105Pa et à une The batteries are supplied with pure oxygen and hydrogen, at a pressure of 4x105Pa and at a
température de 80 C.temperature of 80 C.
La figure 3 vise à caractériser les 25 performances électrochimiques des électrodes ainsi obtenues. Sur cette figure 3, les courbes IA et IB correspondent à 0,012mg par cm2 de platine (courbe I de la figure 2) tandis que les courbes IIA et IIB 30 correspondent à 0,096mg par cm2 de platine (courbe II Figure 3 aims to characterize the electrochemical performance of the electrodes thus obtained. In this FIG. 3, the curves IA and IB correspond to 0.012 mg / cm 2 of platinum (curve I of FIG. 2) while the curves IIA and IIB correspond to 0.096 mg / cm 2 of platinum (curve II
de la figure 2).of Figure 2).
On précise que les courbes IA et IIA sont des courbes des variations de la tension U (en mV) en fonction de la densité de courant J (en mA/cm2) et que les courbes IB et IIB sont des courbes des variations 5 de la puissance P=U.J (en mW/cm2) en fonction de J (en mA/cm2). On note qu'à plus faible teneur en platine, It is pointed out that the curves IA and IIA are curves of the variations of the voltage U (in mV) as a function of the current density J (in mA / cm 2) and that the curves IB and IIB are curves of the variations of the power P = UJ (in mW / cm2) as a function of J (in mA / cm2). It is noted that at lower platinum content,
les performances restent bonnes jusqu'à environ lA/cm2. the performances remain good up to about lA / cm2.
Dès que la température de fonctionnement 10 augmente, les performances augmentent également: à As soon as the operating temperature increases, the performance also increases:
700mA/cm2, la tension de la pile varie de 0,4V à 0,5V. 700mA / cm2, the battery voltage varies from 0.4V to 0.5V.
La tension reste au-dessus de 0,4V jusqu'à lA/cm2, au The voltage remains above 0.4V up to 1A / cm2, at
lieu de 0,7A/cm2 à 80 C.instead of 0.7A / cm2 at 80 C.
Le dépôt d'une phase catalytique à gradient 15 de concentration sur un support poreux par pulvérisation, conformément à l'invention, conduit à des performances électrochimiques tout à fait correctes lors des tests de piles à combustible utilisant les The deposition of a concentration gradient catalytic phase on a porous sputtering support, in accordance with the invention, leads to quite accurate electrochemical performance in fuel cell tests using
électrodes obtenues.electrodes obtained.
Dans ce cas, la présente invention n'est pas limitée aux électrodes en platine: tout type de phase métallique catalytique est utilisable, à savoir une phase mono-métallique ou multi-métallique. De plus, le substrat peut être en un autre matériau poreux que 25 le carbone poreux, par exemple une mousse de métal, un In this case, the present invention is not limited to platinum electrodes: any type of catalytic metal phase is usable, namely a mono-metallic or multi-metallic phase. In addition, the substrate may be of another porous material than the porous carbon, for example a metal foam, a
polymère poreux ou une silice poreuse. porous polymer or porous silica.
En outre, on peut former des dépôts conformes à l'invention sur de très grandes surfaces, qui peuvent aller jusqu'à plusieurs m2. 30 In addition, deposits can be formed according to the invention over very large areas, which can be up to several m2. 30
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