FR2894075A1 - Support de pile a combustible integree - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une plaque support de cellule de pile à combustible constituée d'une plaquette de silicium (21) ayant une face avant portant la partie active de la cellule en regard de laquelle est percée une multitude de canaux transverses (23). La face arrière de la plaquette est munie d'un évidement (22) en regard de la région perforée.

Description

SUPPORT DE PILE A COMBUSTIBLE INTEGREE

Domaine de l'invention La présente invention concerne une pile à combustible et plus particulièrement la plaque support d'une pile à combustible intégrée.

Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente un exemple de cellule de pile à combustible intégrée réalisée en utilisant des techniques de microélectronique. Cette cellule est formée sur une plaque support constituée d'une plaquette de silicium 1 revêtue d'une première couche isolante 2 fine et d'une seconde couche isolante 3 plus épaisse. Une ouverture est formée dans une partie de la couche isolante 3. Dans cette ouverture sont successivement déposées une couche support 4, une couche de catalyseur 5, une couche d'électrolyte 6 et une seconde couche de catalyseur 7.

L'ensemble de ces couches constitue un empilement actif 8. Une électrode 10, placée sur la première couche isolante 2, est en contact avec la couche support 4 du côté de la face inférieure de la cellule de pile. Une ouverture 11 dans la seconde couche isolante 3 permet d'accéder à l'électrode 10. Une électrode supérieure 12 est en contact avec la couche de catalyseur supérieure 7. Les électrodes 10 et 12 sont munies d'ouvertures, et des canaux 13 sont formés dans la plaquette de silicium 1 en regard des ouvertures dans la métallisation de face inférieure.

L'électrode inférieure 10 et l'électrode supérieure 12 constituent respectivement un collecteur d'anode et un collecteur de cathode. L'électrolyte 6 est par exemple un acide polymère tel que du Nafion sous forme solide et les couches de catalyseur sont par exemple des couches à base de carbone et de platine. Ceci ne constitue qu'un exemple de réalisation. Divers types de piles à combustible réalisables sous la forme illustrée en figure 1 sont connus dans la technique.

Pour faire fonctionner la pile à combustible, on injecte de l'hydrogène selon la flèche H2 du côté de la face inférieure et de l'air (porteur d'oxygène) est injecté du côté de la face supérieure. L'hydrogène est "décomposé" au niveau de la couche de catalyseur 5 pour former d'une part des protons H+ qui se dirigent vers l'électrolyte 6 et d'autre part des électrons qui se dirigent, par l'extérieur de la pile, vers le collecteur d'anode 10. Les protons H+ traversent l'électrolyte 6 jusqu'à rejoindre la couche de catalyseur 7 où ils se recombinent avec l'oxygène et des électrons arrivant de l'extérieur de la pile par le collecteur de cathode. De façon connue, avec une telle structure, on obtient un potentiel positif sur le collecteur de cathode 12 (côté oxygène) et un potentiel négatif sur le collecteur d'anode 10 (côté hydrogène). L'une des difficultés de réalisation de ce type de cellule de pile à combustible réside dans la fabrication de la plaquette de silicium perforée 1. En effet, cette plaquette de silicium doit avoir une épaisseur suffisante pour assurer sa résistance mécanique, par exemple une épaisseur de l'ordre de 250 à 700 pm, pour des plaquettes obtenues à partir de tranches de silicium d'un diamètre de 15 cm (6 pouces) à 30 cm (12 pouces). Les perforations ou canaux 13 sont généralement obtenus par gravure plasma. Les canaux 13 correspondent par exemple à des ouvertures d'un diamètre de l'ordre de 40 à 50 pm et doivent être aussi proches les uns des autres que possible. Ceci est difficile à réaliser. De plus, un procédé de gravure plasma est un procédé que l'on ne peut mettre en oeuvre que tranche par tranche ce qui implique une durée de fabrication longue. De plus, on s'aperçoit qu'en pratique, sur le diamètre d'une tranche de silicium, les vitesses de gravure plasma ne sont pas homogènes, et que certains canaux sont percés plus vite que d'autres. Ainsi, si on limite le temps de gravure, certains canaux ne sont pas complètement percés, et si on augmente trop le temps de gravure, on aboutit à un élargissement ou à un évasement des canaux percés le plus vite.

Par ailleurs, dans le domaine général des piles, on cherche souvent à empiler des cellules de piles de façon que la cathode de l'une soit en contact avec l'anode de la suivante. La structure de la figure 1 ne se prête pas à un tel empilement ni à un autre.

Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de prévoir une pile à combustible dans lequel la plaque support ait une configuration permettant de la fabriquer plus simplement. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication d'une telle plaque support. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une pile à combustible comprenant une telle plaque support. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un assemblage de piles à combustible utilisant des plaques support selon la présente invention, cet empilement permettant notamment d'optimiser la distribution des gaz (hydrogène, air ou oxygène). Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle pile à combustible de structure simple.

Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit une plaque support de cellule de pile à combustible constituée d'une plaquette de silicium ayant une face avant portant la partie active de la cellule en regard de laquelle est percée une multitude de canaux transverses, dans laquelle la face arrière de la plaquette est munie d'un évidement en regard de la région perforée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la profondeur de l'évidement est comprise entre le tiers et les deux tiers de l'épaisseur de la plaquette, de préférence environ la moitié de l'épaisseur de la plaquette. La présente invention prévoit aussi un procédé de fabrication d'une plaque support, comprenant les étapes consistant à graver par gravure anisotrope des canaux dans une plaque support sur une profondeur légèrement supérieure à une profondeur désirée ; revêtir les parois des canaux d'un matériau gravable sélectivement par rapport au silicium ; et graver la plaque support à partir de sa face arrière jusqu'à une profondeur propre à atteindre les couches de protection de tous les canaux. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque support est en silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche de protection est une couche d'oxyde de silicium.

La présente invention prévoit aussi une cellule de pile à combustible formée sur une plaque support telle que ci-dessus. La présente invention prévoit aussi un assemblage de cellules dans lequel deux cellules sont assemblées dos à dos de sorte que les évidements de chaque cellule soient en regard, une ouverture étant ménagée pour accéder à l'évidement global. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'assemblage est inséré dans un connecteur comprenant des moyens d'introduction d'hydrogène. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque cellule est plaquée contre une carte, son évidement étant tourné vers la carte, la carte contenant des canaux internes débouchant au niveau de chaque évidement pour assurer une alimentation en hydrogène. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 la carte est une carte de circuit imprimé multicouche.

Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe d'une cellule de pile à combustible connue ; la figure 2 est une vue en coupe de la plaque support 10 de la pile à combustible de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe d'une plaque support de pile à combustible selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 4A à 4D sont des vues en coupe illustrant 15 des étapes successives de fabrication d'une plaque support de pile à combustible selon la présente invention ; les figures 5, 6A, 6B et 7 illustrent un premier exemple d'assemblage de piles à combustible selon la présente invention ; 20 les figures 8, 9A, 9B et 10 illustrent un deuxième exemple d'assemblage de piles à combustible selon la présente invention ; et les figures 11, 12 et 13 illustrent un troisième exemple de montage de piles à combustible selon la présente 25 invention. Par souci de clarté, comme cela est habituel dans la représentation des microcomposants, les éléments des diverses vues en coupe et en perspective ne sont pas tracés à l'échelle. Description détaillée 30 La figure 2 est une vue en coupe d'une plaque support telle qu'utilisée dans la structure de la figure 1. En pratique cette plaque support a une épaisseur de 300 à 500 pm (0,3 à 0,5 nun) et la surface occupée par les canaux ou perforations 13 est de l'ordre du cm2.

La figure 3 représente une plaque support selon la présente invention. La plaque support est formée à partir d'une tranche de silicium 21. En regard de la zone perforée sur laquelle va être formé l'empilement actif de la pile, la plaque support comprend, du côté de sa face arrière, un évidement 22 dans lequel débouchent les canaux ou perforations 23. Pour minimiser la longueur des canaux ou perforations 23, l'évidement 22 est aussi profond que cela est possible pour tenir compte des contraintes de solidité mécanique de la plaquette au niveau de la zone évidée.

Par exemple, pour une surface de régions perforée de l'ordre du cm2 (1 cm x 1 cm) on pourra prévoir que l'évidement 22 a une profondeur de l'ordre du tiers aux deux tiers de l'épaisseur de la plaquette, par exemple environ la moitié. Plus particulièrement, pour une plaquette d'une épaisseur de 300 pm, l'évidement aura de préférence une profondeur de l'ordre de 100 à 200 pm, et pour une plaquette d'une épaisseur de l'ordre de 500 pm, l'évidement aura une profondeur de l'ordre de 250 à 350 pm. On appellera "e" l'épaisseur totale de la plaquette 21, "el" l'épaisseur restante de la plaquette sous la zone active en regard de l'évidement, et "e2" la profondeur de l'évidement de face arrière. Les figures 4A à 4D sont des vues en coupe illustrant des étapes successives de formation d'une plaque support selon la présente invention. A l'étape illustrée en figure 4A, on forme sur la plaque (et éventuellement sous la plaque) 21 un masque dur 25 ouvert selon le contour des canaux que l'on veut former dans la plaque 21. On grave ensuite par un procédé de gravure anisotrope, par exemple une gravure plasma, des canaux sur une profondeur légèrement supérieure à l'épaisseur el de la plaque qui doit rester en place dans les zones actives. A l'étape illustrée en figure 4B, on forme un revêtement 26, sur les parois des canaux. Dans le cas où la plaque support est une plaquette de silicium, ce revêtement peut être par exemple de l'oxyde de silicium obtenu par croissance thermique, ou tout autre matériau facile à déposer dans des cavités et gravable sélectivement par rapport au silicium. A l'étape illustrée en figure 4C, on délimite une ouverture dans une couche de protection 27 formée du côté de la face arrière. La couche de protection 27 aura été formée en même temps que la couche 26 de revêtement des canaux ou bien est une couche de protection spécifiquement déposée. Puis on procède à une gravure humide à partir de la face arrière pour obtenir un évidement 28, comme cela est représenté. Cet évidement est réalisé sur une profondeur e2 suffisamment grande pour que l'on soit sûr d'atteindre le fond de tous les canaux percés à l'étape de la figure 4A, même si certains de ces canaux sont moins profonds que d'autres (on a représenté à titre d'exemple des canaux centraux moins profonds que les canaux extrêmes).

Enfin, à l'étape illustrée à la figure 4D, on élimine les couches de protection et on obtient la structure déjà représentée en figure 3. En figure 4D, on a illustré par un trait en pointillés le fait que l'on peut réaliser une gravure partielle 29 d'une zone de la plaque communiquant avec l'évidement. Cette gravure partielle 29 peut être réalisée lors d'une étape spécifique, antérieure à l'étape illustrée en figure 4A, ou bien être réalisée en même temps que la gravure de l'évidement 28 en prévoyant une zone où le masque 27 est moins épais et peut être sélectivement gravé avec un certain retard par rapport au début de la gravure de l'évidement. On notera plusieurs avantages de ce procédé de fabrication par rapport au procédé antérieur. D'une part, les canaux formés à l'étape de la figure 4A sont beaucoup moins profonds (couramment au moins deux fois moins profonds) que les canaux formés de façon classique. Leur formation est donc plus rapide et les risques de déformation des canaux formés par suite d'un temps de gravure trop long sont évités. Par ailleurs, conne on l'a indiqué, il importe peu que les profondeurs des canaux soient inégales, ce qui peut arriver par exemple si le plasma gravure n'est pas parfaitement homogène.

D'autre part, le procédé de gravure de l'évidement 28 est un procédé de gravure humide, par exemple par du KOH, et cette gravure humide peut être réalisée simultanément sur un grand nombre de tranches. On échappe ainsi à la limitation du procédé de gravure plasma dans lequel une seule tranche de silicium peut être traitée à la fois. Une fois obtenue une plaquette support selon la présente invention, on pourra procéder aux étapes de formation d'électrodes et d'un empilement actif de pile à combustible sur la face supérieure de la plaquette 21, de la même façon que cela a été fait classiquement sur la face supérieure de la plaquette 1 (voir figure 1). Un avantage de la structure selon la présente invention et qu'elle permet de réaliser de nombreux assemblages de piles particulièrement intéressants pour réduire le volume d'un assemblage de piles, pour simplifier les connexions, et/ou pour simplifier la circulation d'au moins l'un des gaz actifs, par exemple l'hydrogène. Les figures 5 à 7 illustrent un premier exemple d'assemblage de cellules de pile selon la présente invention. La figure 5 est une vue en coupe schématique. Une première cellule 51 est construite sur la face avant d'une plaque support 52 et une deuxième cellule 53 est construite sur la face avant d'une plaque support 54. On a désigné de façon générale les empilements actifs des cellules 51 et 53 par la référence 8 comme en figure 1. Les deux cellules sont montées de sorte que les deux plaques support 52 et 54 sont accolées par leurs faces arrière. En outre, ces deux plaques support comportent une gravure supplémentaire pour ménager entre elles d'un côté une ouverture 56 (voir la description de la gravure 29 faite en relation avec la figure 4D). Les figures 6A et 6B sont des vues en perspective illustrant l'assemblage des deux cellules de la figure 5. Les cellules sont représentées simplement par leur contour géométrique. On a indiqué par des zones marquées + et -les bornes d'anode et de cathode de chaque cellule. En figure 6A, les cellules sont illustrées avant assemblage et en figure 6B elles sont représentées une fois accolées, l'ouverture 56 étant disposée sur la face latérale tournée vers l'avant. L'ensemble des deux cellules accolées de la figure 6B constitue un module 60. La figure 7 est une vue en perspective montrant continent le module 60 peut être monté dans un connecteur 61. Le connecteur 61 est une enceinte parallélépipédique dont une face est ouverte et est adaptée à recevoir l'extrémité du module dans laquelle est formée l'ouverture 56. Le connecteur comprend sur l'une de ses faces, de préférence sa face opposée à celle d'introduction du module, une ouverture, non visible sur la figure, propre à recevoir de l'hydrogène qui entrera ensuite par l'ouverture 56 vers les faces arrières des deux cellules considérées. On a également représenté diverses bornes de connexion marquées + et - pour illustrer le fait que les deux cellules peuvent, grâce au connecteur 61, être simplement montées en série ou en parallèle. On notera également que le connecteur peut être adapté à recevoir plusieurs modules dont chacun a son ouverture 56 tournée vers l'intérieur du connecteur. Les figures 8 à 10 illustrent un deuxième exemple d'assemblage de cellules selon la présente invention. La figure 8 est une vue en coupe schématique. Une cellule 81 montée sur une plaque support 82 est associée à une cellule 83 montée sur une plaque support 84. Ces cellules sont assemblées sensiblement comme celles illustrées en figure 5, la différence essentielle étant que l'ouverture d'entrée d'hydrogène 86, au lieu d'être disposée sur une face latérale est disposée sur une face principale et traverse toute l'épaisseur des plaques 82 et 84 - pour des raisons de normalisation on prévoit une ouverture 86 sur chaque plaque support mais il sera clair qu'une seule de ces ouvertures est nécessaire. On notera qu'une partie de chaque ouverture 86 peut être formée en même temps que l'évidement 22 selon la présente invention.

Les figures 9A et 9B sont analogues aux figures 6A et 6B et en diffèrent par la position de l'ouverture 86. En figure 9B, on a désigné par la référence 90 un module constitué d'un assemblage de deux cellules de pile.

La figure 10 est dessinée selon le même modèle que la figure 7 et représente un connecteur 91 ayant une ouverture latérale 92 adaptée à venir en face du trou 86 du module 90. On peut prévoir une ou deux ouvertures face à face et, conne dans le cas précédent, on peut noter qu'un connecteur unique peut servir pour un ensemble de deux ou plusieurs modules. Les figures 11 à 13 illustrent un autre exemple de montage de cellules selon la présente invention. La figure 11 est une vue en coupe schématique et représente un exemple de cellule 110 selon la présente invention formée sur un support 111. Comme le montrent schématiquement les vues en perspective de dessus et de dessous de la figure 12, la cellule se présente conne un parallélépipède ayant une face évidée délimitée par une surface d'appui plane 111. Conne cela est illustré en perspective en figure 13, dans cet exemple de montage de cellules selon la présente invention, on prévoit de plaquer les surfaces d'appui de plusieurs cellules sur une même plaque plane et d'assurer l'arrivée d'un gaz actif (l'hydrogène) par l'intermédiaire de la plaque. Dans le mode de réalisation particulier de la figure 13, la plaque sur laquelle sont plaquées les cellules est une carte de circuit imprimé multicouche 120. La carte de circuit imprimé multicouche, au lieu d'être utilisée seulement pour acheminer des connexions par des conducteurs électriques est utilisée pour acheminer un gaz, par exemple de l'hydrogène, par des conduits longitudinaux 121 et transversaux 122, les conduits longitudinaux 121 recevant une entrée d'hydrogène et communiquant avec les conduits latéraux 122, les conduits latéraux 122 débouchant par des ouvertures 125 et 126 vers les faces supérieure et inférieure de la carte de circuit imprimé. Dans le cas d'une carte de circuit imprimé multicouche, avec une alternance de plaquettes isolantes et de couches de cuivre, les conduits seront réalisés en éliminant localement des portions de couche de cuivre. On pourrait aussi usiner les couches isolantes (époxy). En regard de chaque débouché de conduit, est plaquée la partie creuse d'une cellule selon la présente invention. On comprendra que dans le cas représenté où il y a six ouvertures du côté inférieur et six ouvertures du côté supérieur, il faudrait prévoir six cellules selon la présente invention du côté supérieur et six du côté inférieur (trois seulement sont représentées de chaque côté pour faciliter la représentation). Etant donné que les cellules de pile selon ce mode de réalisation de la présente invention sont plaquées sur les cartes de circuit imprimé, on comprendra qu'il sera relativement simple de réaliser des connexions entre elles pour les associer en série/parallèle de façon choisie.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Plaque support de cellule de pile à combustible constituée d'une plaquette de silicium (21) ayant une face avant portant la partie active de la cellule en regard de laquelle est percée une multitude de canaux transverses (23), caractérisée en ce que la face arrière de la plaquette est munie d'un évidement (22) en regard de la région perforée.

2. Plaque support selon la revendication 1, dans laquelle la profondeur de l'évidement est comprise entre le tiers et les deux tiers de l'épaisseur de la plaquette, de préférence environ la moitié de l'épaisseur de la plaquette.

3. Procédé de fabrication d'une plaque support selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : graver par gravure anisotrope des canaux (23) dans une 15 plaque support sur une profondeur légèrement supérieure à une profondeur désirée ; revêtir les parois des canaux d'un matériau (26) gravable sélectivement par rapport au silicium ; graver (28) la plaque support à partir de sa face 20 arrière jusqu'à une profondeur propre à atteindre les couches de protection de tous les canaux.

4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la plaque support est en silicium.

5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la 25 couche de protection est une couche d'oxyde de silicium.

6. Cellule de pile à combustible formée sur une plaque support selon la revendication 1.

7. Assemblage de cellules selon la revendication 6, caractérisé en ce que deux cellules sont assemblées dos à dos de 30 sorte que les évidements de chaque cellule soient en regard, une ouverture étant ménagée pour accéder à l'évidement global.

8. Assemblage selon la revendication 7, inséré dans un connecteur comprenant des moyens d'introduction d'hydrogène.

9. Montage de cellules selon la revendication 6, dans lequel chaque cellule est plaquée contre une carte, son évidement étant tourné vers la carte, la carte contenant des canaux internes débouchant au niveau de chaque évidement pour assurer une alimentation en hydrogène.

10. Montage selon la revendication 9, dans lequel la carte est une carte de circuit imprimé multicouche.