ITMI20091270A1 - Sistema a microcelle a combustibile e relativo metodo di fabbricazione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Campo di applicazione
La presente invenzione fa riferimento ad un sistema a microcelle a combustibile.
Più specificatamente l'invenzione si riferisce ad un sistema comprendente almeno una regione anodica ed una regione catodica realizzate in un substrato nonché almeno un’area attiva per reazioni chimiche ed una membrana a scambio ionico di separazione di detta area attiva.
L'invenzione fa altresì riferimento ad un metodo di fabbricazione di un tale sistema a microcelle a combustibile.
Arte nota
Come à ̈ ben noto, la sempre crescente richiesta da parte dei consumatori di dispositivi elettronici portatili ha favorito, negli ultimi anni, lo sviluppo di tecnologie avanzate per la produzione di energia elettrica che si concretino in dispositivi generatori sempre più compatti, affidabili e in grado di garantire una sufficiente autonomia ai dispositivi portatili che li impiegano.
In quest’ambito, le celle a combustibile sono risultati essere i dispositivi ideali per la generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili o da combustibili fossili: si tratta infatti di sistemi puliti ed efficienti per la produzione di potenza, con bassi livelli di emissioni. Si considera addirittura che le celle a combustibile siano in grado, in un prossimo futuro, di sostituire i sistemi tradizionali di generazione di potenza o energia elettrica, in particolare nell’ottica di ottemperare ai requisiti e agli obiettivi del Protocollo di Kyoto sulla riduzione delle emissioni dei gas colpevoli di aumentare il ben noto e dannoso effetto serra.
In particolare, à ̈ ben noto che il fabbisogno energetico per i dispositivi elettronici in rapido aumento negli ultimi anni à ̈ strettamente legato alla crescente funzionalità di tali dispositivi portatili. Esempi lampanti di tali sempre più rapidamente crescenti richieste di potenza sono ad esempio telefoni cellulari. E’ noto infatti che l'età di un semplice telefono cellulare tramonta velocemente, cedendo il passo al nuovo cellulare che integra la grafica e i giochi, il servizio internet e i messaggi istantanei.
E’ altresì noto che à ̈ improbabile che la tecnologia a batterie tenga il passo con le crescenti richieste di potenza di tali dispositivi portatili. Proiezioni realistiche indicano che i miglioramenti nelle batterie non sono infatti in grado di fornire in modo adeguato questo tipo di fabbisogno energetico.
In particolare, il tempo operativo dei dispositivi portatili risulta limitata nel tempo in funzione della quantità di energia che può essere stoccata alfinterno delle batterie.
Un sistema di celle a combustibile permette invece ai dispositivi portatili di funzionare per un periodo più lungo senza essere collegato a una presa elettrica. Pertanto, le celle a combustibile sono considerate come una delle possibili soluzioni per sostituire l'attuale batteria come metodo dominante di fornitura elettrica nelle applicazioni per portatili, almeno a livello teorico.
Più in dettaglio, le celle a combustibile hanno recentemente attirato interesse per l’applicazione a dispositivi portatili, in ragione della loro specifica densità di energia, in particolare avente valore superiore rispetto alle migliori batterie ricaricabili attualmente in commercio, nonché alla possibilità di effettuare il loro rifornimento in maniera istantanea e senza l’ausilio di una presa elettrica di connessione ad una rete di distribuzione elettrica.
Come à ̈ ben noto, una cella a combustibile comprende essenzialmente un sistema di scambio, in particolare di tipo MEA (acronimo dall’inglese “Membrane Electrode Assembly†) realizzato mediante uno stack di una membrana a scambio ionico, racchiusa tra una coppia di piastre o elettrodi, con funzione di catodo e di anodo, rispettivamente, nei quali può essere “annegato†[embedded] un catalizzatore. In particolare, la membrana à ̈ permeabile agli ioni ma non agli elettroni e funge quindi da isolamento elettrico per gli elettrodi, che sono così completamente isolati tra loro. In sostanza, la membrana realizza una barriera che consente il trasporto degli ioni tra anodo e catodo, forzando al contempo gli elettroni in un percorso conduttivo esterno verso il catodo dove si ricombinano agli ioni, fornendo potenza elettrica. Un catalizzatore à ̈ sempre presente sugli elettrodi.
Infatti, nei suoi termini più generali, una cella a combustibile à ̈ un dispositivo di conversione elettrochimica in grado di produrre elettricità a partire da un combustibile (portato a lambire l’anodo della cella) ed un ossidante (che lambisce invece il suo catodo) che reagiscono in presenza di un elettrolita e di un catalizzatore.
In particolare, in una cella a combustibile avviene una reazione elettrochimica che spezza le molecole del combustibile in ioni e produce elettroni; questi ultimi, passando da un circuito esterno, forniscono una corrente elettrica proporzionale alla velocità della reazione chimica, e utilizzabile per qualsiasi scopo.
Un esempio di tale cella a combustibile à ̈ mostrata schematicamente in Figura 1A, complessivamente indicata con 1 .
La cella a combustibile 1 comprende un anodo 2 ed un catodo 3 rispettivamente connessi ad un sistema 4 di adduzione di combustibile (nel caso in figura idrogeno H2) ad un sistema 5 di adduzione di ossidante (nel caso in figura l’ossigeno O2 contenuto nell’aria) ed emissione dei prodotti di scarico (nel caso in figura aria ed acqua H2O) e separati da una membrana 6.
L’anodo 2 ed il catodo 3 sono inoltre connessi ad un circuito esterno 7 per la trasmissione degli elettroni (e<·>) e quindi per la produzione di corrente elettrica. Infatti, il combustibile (nel caso in figura l’idrogeno) viene separato in corrispondenza dell’anodo 2 secondo la reazione:
H2 --> 2H<+>+ 2 e<->(1) Gli elettroni (e-) attraversano il circuito esterno 7 e i protoni (H+) passano attraverso la membrana 6, per raggiungere entrambi il catodo 3 dove si ricongiungono con le molecole di ossidante (nel caso in figura l’ossigeno) a formare un prodotto di scarto (nel caso in figura l’acqua) secondo la reazione:
O2 4H<+>+4e' --> 2H2O (2) Punto interessante riguardo alle celle a combustibile à ̈ il loro più alto potenziale intrinseco di densità di energia rispetto alle batterie.
Per le applicazioni a dispositivi portatili, le celle a combustibile devono essere di piccole dimensioni in modo da integrarsi, dal punto di vista del volume, con i dispositivi stessi. Tuttavia, la miniaturizzazione non à ̈ solamente un semplice ridimensionamento del sistema macroscopico. In realtà , ciascun componente della cella a combustibile deve essere riprogettato nell’ottica della miniaturizzazione per realizzare un sistema a microcelle a combustibile o micro-sistema. E’ altresì opportuno aumentare la potenza e la densità di energia di tale microsistema, mantenendo però un’affidabilità equivalente a quella delle batterie. Nelle applicazioni portatili, le microcelle a combustibile sono in particolare progettate per fornire una potenza elettrica tra gli 0.5 W e i 20 W.
La densità di potenza generata da un micro-sistema à ̈ in particolare proporzionale alla dimensione dello stack di celle e all’area attiva di cella. E’ quindi opportuno considerare nel progetto di tali micro-sistemi alcune condizioni al contorno: queste includono il funzionamento in condizioni ambiente, aria catodica in convezione naturale e alcuni dispositivi periferici possibili, come pompe, valvole e ventilatori.
E’ quindi possibile adattare la tecnologia delle micro- strutture alle microcelle a combustibile. L'impatto della miniaturizzazione può essere così derivato dalla cosiddetta legge scaling.
I vantaggi della miniaturizzazione per le celle a combustibile possono essere descritti come segue:
• gli effetti di superficie migliorano le condizioni di reazione e quindi aumentano il rendimento delle celle a combustibile.
• l’alto salto di pressione attraverso lo strato diffusivo della membrana, migliora la diffusione del combustibile e l’ossidante sulla membrana stessa.
• gli effetti di superficie e le più vantaggiose condizioni di reazione migliorano le condizioni di formazione di acqua e possono portare a condizioni non desiderate di allagamento degli elettrodi.
II metodo tradizionale di fabbricazione di microcelle a combustibile utilizza una pressatura a caldo dei componenti principali della microcella stessa: diffusore di gas, elettrodi ed elettrolita. Le MEA (Membrane and Electrode Assembly) sono montate in un involucro di solito costituito da perspex o policarbonato e poi incollate meccanicamente.
Un sistema a microcelle à ̈ schematicamente illustrato in Figura 1B, in una prospettiva in esploso dei singoli componenti. In particolare, il sistema 11 comprende una MEA 12 racchiusa tra rispettive guarnizioni di tenuta [gasket] 8A e 8B, rispettivi piatti bipolari 9A e 9B e rispettivi elementi di chiusura [fixture] 10A e 10B.
Fondamentalmente il metodo di fabbricazione noto utilizzato per realizzare un tale sistema a microcelle à ̈ lo stesso di quello utilizzato per l'assemblaggio di una tipica cella elettrolitica, che produce pochi watt, l’unica differenza sono le diverse dimensioni.
Poiché la densità di potenza ottenibile à ̈ proporzionale alla superficie attiva delle MEA, solo una limitata potenza può essere generata da una microcella a combustibile miniaturizzata.
Ci sono numerosi rapporti che riguardano lo sviluppo di microcelle a combustibile utilizzando un tale metodo convenzionale di assemblaggio, ma ci sono diverse sfide tecnologiche che devono essere superate prima che le microcelle a combustibile siano in grado di essere veramente attraenti per la commercializzazione.
In particolare, un sistema a microcelle a combustibile deve essere piccolo e compatto per l’utilizzo nel campo delle applicazioni portatili. Ogni applicazione à ̈ diversa per potenza, tensione e disegno geometrico. Uno sforzo rilevante per la futura commercializzazione deve quindi essere posto nello sviluppo di sistemi in grado di raggiungere requilibrio ottimale di costi, efficienza, affidabilità e durata.
Le microcelle a combustibile costruite per sfruttare i fenomeni dovuti alla scala micrometrica devono essere più piccole e fare un uso più opportuno del volume in modo da ottenere un miglior trasferimento di calore e di massa.
Sono due gli approcci attualmente considerati:
ridimensionamento del sistema di microcelle a combustibile utilizzando il metodo di montaggio convenzionale, o riprogettazione di ogni componente del sistema utilizzando la tecnologia MEMS (acronimo dall’inglese :†Micro-Electro-Mechanical-System†) .
Il successo delle applicazioni della tecnologia MEMS, che à ̈ tradizionalmente utilizzata nella industria dei semiconduttori, nei vari sistemi come sensori interni, biomedici e sistemi ottici, la rende una promettente candidata per la miniaturizzazione anche dei sistemi a microcelle a combustibile. Tale tecnologia à ̈ stata in particolare utilizzata per sistemi di tipo PEMFC (acronimo dall’inglese: “Proton Exchange Membrane Fuel Celi†) e DMFC (acronimo dall’inglese: “Direct-Metanol-Fuel-Cell†) .
In particolare, la tecnologia MEMS à ̈ in grado di controllare la precisione dei flussi di combustibile, aria e acqua agli elettrodi e può migliorare la densità di corrente e di potenza in una cella a combustibile di piccole dimensioni o microcella.
Questa potenzialità della tecnologia MEMS per la miniaturizzazione di un sistema a microcelle a combustibile ha stimolato interessi di ricercatori e industrie. Oltre alla diminuzione drastica delle dimensioni, l'applicazione della tecnologia MEMS nella produzione di microcelle a combustibile in genere riguarda il cambiamento dei materiali utilizzati per la costruzione della microcella, come ad esempio il wafer al silicio, al posto della tradizionale grafite, per le piastre bipolari, oltre alla vasta gamma di materiali utilizzati nel settore dei semiconduttori a circuito integrato, quali ossidi di silicio, carburi e nitruri così come metalli quali alluminio e titanio.
Il principale vantaggio di tecnologia MEMS risiede nel fatto di riuscire a produrre un piatto bipolare più piccolo e con maggiore precisione, oltre alla possibilità di avere una produzione delle microcelle su scala industriale.
Metodi di produzione di sistemi a microcelle con la tecnologia MEMS sono noti ad esempio dai brevetti statunitensi No. US 6,969,664 concesso il 29 novembre 2005 dal titolo: “Micro Silicon fuel celi, method of fabrication and self-powered semiconductor device integrating a micro fuel celi†, di D'Arrigo Giuseppe, Coffa Salvatore, Spinella Rosario, No. 7,063,798 concesso il 20 giugno 2006 dal titolo “Method for realizing microchanneìs in an integrated structure†di D’Arrigo Giuseppe, Spinella Rosario, Arena Giuseppe, Lorenti Simona e nella domanda di brevetto statunitense pubblicata con No. US 2006/0255464 il 16 novembre 2006 dal titolo “Fuel celi formed in a single layer of monociystalline Silicon and fabrication process†di D'Arrigo Giuseppe, Coffa Salvatore.
E’ tuttavia opportuno sottolineare il fatto che i tradizionali metodi di micro-fabbricazione applicati a microcelle a combustibile in silicio sebbene risulti offrire importanti vantaggi, come ad esempio la riduzione del singolo componente nella scala micrometrica tramite utilizzazione delle metodologia di fotoesposizione, mostra d'altra parte diversi svantaggi e limiti, ed in particolare:
• il substrato di silicio à ̈ fragile per cui non à ̈ adatto ad essere utilizzato per la tradizionale metodologia della stampa a caldo.
· il substrato di silicio e la fabbricazione di micro-sistemi risultano in realtà essere di fatto troppo costosi per una massiccia produzione.
Il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione à ̈ quello di escogitare un sistema a microcelle a combustibile ed un relativo metodo per la fabbricazione, avente caratteristiche strutturali e funzionali tali da consentire di superando le limitazioni e gli inconvenienti che tuttora affliggono i metodi secondo l'arte nota.
Sommario dell'invenzione
L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione à ̈ quella di realizzare i componenti della microcella a combustibile in maniera che siano complanari utilizzando le tecniche di microfabbricazione di tipo MEMS per il ridimensionamento dei singoli componenti di un sistema a microcelle abbinate a substrati di materiali polimerici a basso costo al posto dei tradizionali substrati di silicio.
Sulla base di tale idea di soluzione il problema tecnico à ̈ risolto da un sistema a microcelle a combustibile del tipo comprendente almeno una regione anodica ed una regione catodica realizzate in un substrato nonché almeno un’area attiva per reazioni chimiche ed una membrana a scambio ionico di separazione di detta area attiva caratterizzato dal fatto che dette regioni anodica e catodica, detta area attiva e detta membrana a scambio ionico sono realizzate su una stessa superficie piana data da detto substrato a formare un piatto singolo bipolare multifunzionale.
Vantaggiosamente, una tale struttura planare può essere realizzata in modo da avere una ridotta dimensione e basso peso.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il substrato à ̈ realizzato in un laminato flessibile o rigido di un materiale utilizzato la realizzazione delle schede di circuito stampato, preferibilmente scelto tra silicio, grafite, plastica.
Vantaggiosamente, l'uso di materiali polimerici dà più gradi di libertà nel realizzare il sistema.
Secondo un altro aspetto deirinvenzione, l’area attiva comprende rispettive strutture ad amplificazione di superficie con configurazione a pilastri in corrispondenza di dette regioni anodica e catodica.
Vantaggiosamente tali strutture ad amplificazione di superficie permettono di aumentare l’efficienza del sistema nel suo complesso.
Secondo tale aspetto dell’invenzione le strutture ad amplificazione di superficie possono essere ricoperte da un rispettivo strato di materiale catalizzatore con struttura sostanzialmente interdigitata ed essere separate da detta membrana a scambio ionico.
Vantaggiosamente la dispersione del catalizzatore metallico può essere direttamente effettuata sui lati delle strutture ad amplificazione di superficie.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la membrana a scambio ionico comprende altresì rispettive porzioni a copertura di detti strati di materiale di catalizzatore ed aventi una medesima struttura interdigitata.
Vantaggiosamente tale configurazione permette di ridurre la lunghezza caratteristica del sistema rendendo lo stesso meno sensibile agli effetti d’impedenza ohmica.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, le regioni anodica e catodica sono dotate di rispettivi collettori di corrente realizzati in detto substrato.
Secondo tale aspetto dell’invenzione, i collettori di corrente sono formati da un film di materiale conduttivo ricoperto da uno strato di catalizzatore.
Vantaggiosamente tali collettori sono depositati direttamente nella parte inferiore della regione in cui si trovano i pilastri delle strutture ad amplificazione e la corrente non ha quindi bisogno di essere estratta da linee di metallo particolarmente grandi.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, le regioni anodica e catodica sono connesse a rispettive strutture di distribuzione di flusso, in particolare microcanali, realizzate in detto substrato per alimentazione separata di fluidi combustibile ed ossidante.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, il sistema può comprendere uno strato di copertura dei microcanali per il confinamento dei flussi di combustibile ed ossidante.
Il problema à ̈ altresì risolto da un metodo di fabbricazione di un sistema a microcelle a combustibile del tipo comprendente almeno una regione anodica ed una regione catodica realizzate in un substrato nonché almeno un’area attiva per reazioni chimiche ed una membrana a scambio ionico di separazione di detta area attiva, il metodo comprendendo le fasi di:
- realizzare detto substrato; e
realizzare dette regioni anodica e catodica, detta area attiva e detta membrana a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato a formare un piatto singolo bipolare multifunzionale.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di realizzare dette regioni anodica e catodica, detta area attiva e detta membrana a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato comprende ulteriormente le fasi di:
depositare su detto substrato un film di materiale conduttivo;
- depositare uno strato fotosensibile al di sopra di detto film di materiale conduttivo; e
effettuare una fotoesposizione atta a separare detto film di materiale conduttivo in una prima ed una seconda porzione, atte a formare rispettive strutture- seme per strutture ad amplificazione di superficie di dette regioni sinodica e catodica di detto sistema a microcelle a combustibile.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di realizzare dette regioni anodica e catodica, detta area attiva e detta membrana a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato comprende ulteriormente le fasi di:
rimozione di detto strato fotosensibile con esposizione di dette prima e seconda porzione di detto film di materiale conduttivo;
deposizione di un ulteriore strato fotosensibile a copertura di dette prima e seconda porzione di detto film di materiale conduttivo e di una porzione di detto substrato lasciata tra esse esposte; e
effettuare una fotoesposizione atta a realizzare una pluralità di aperture in detto ulteriore strato fotosensibile in corrispondenza di pilastri di strutture ad amplificazione di superficie di dette regioni anodica e catodica.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di realizzare dette regioni anodica e catodica, detta area attiva e detta membrana a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato comprende ulteriormente le fasi di:
- deposizione di uno strato di materiale conduttore con formazione di detti pilastri di dette strutture ad amplificazione di superficie di dette regioni anodica e catodica; e
eliminazione di detto ulteriore strato fotosensibile con esposizione di dette strutture ad amplificazione di superficie di dette regioni anodica e catodica.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di realizzare dette regioni anodica e catodica, detta area attiva e detta membrana a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato comprende ulteriormente la fase di:
- deposizione di uno strato di materiale catalitico con formazione di strutture interdigitale alternate al di sopra di dette strutture ad amplificazione di superficie di dette regioni anodica e catodica.
Vantaggiosamente, tale strutture interdigitate depositate al di sopra di strutture ad amplificazione di superficie favoriscono l’amplificazione della superfice di catalisi.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di realizzare dette regioni anodica e catodica, detta area attiva e detta membrana a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato comprende ulteriormente le fasi di:
deposizione di uno strato di materiale a scambio ionico sull'intero sistema , e
effettuare una rimozione selettiva di detto strato di materiale a scambio ionico con formazione di detta membrana a scambio ionico, nonché di porzioni a copertura di dette strutture ad amplificazione di superficie di dette regioni anodica e catodica.
Vantaggiosamente, il metodo secondo l’invenzione si basa essenzialmente su fasi di fotoesposizione ed elettroformazione normalmente utilizzate sia nel settore microelettronico sia specificatamente nella tecnologia MEMS, con evidenti vantaggi in termini di semplificazione e sicurezza dei risultati di un tale processo per la realizzazione del sistema 20 a microcelle a combustibile secondo l’invenzione. In particolare, l’utilizzo di tecniche di incisione assistite da foto esposizione permettono di ridurre la distanza tra le regioni anodica e catodica sin dalla fase di progettazione dell’intera struttura, mentre tradizionalmente tali regioni sono realizzate tramite tecniche di hot pressing dello strato diffusore catalitico che non sono controllabili a priori.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di realizzare dette regioni anodica e catodica, detta area attiva e detta membrana a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato comprende ulteriormente la fase di:
deposizione di materiali nanostrutturati ad elevata superficie al di sopra di dette strutture ad amplificazione di superficie di dette regioni anodica e catodica.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di deposizione di detto strato di materiale a scambio ionico comprende una fase scelta fra: spray coating, spinnaggio o laminazione.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di rimozione selettiva di detto strato di materiale a scambio ionico comprende una fase di separazione di microcanali di detto sistema a microcelle e mette in contatto dette regioni anodica e catodica.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di depositare detto film di materiale conduttivo comprende una fase di spruzzare detto film di materiale conduttivo, preferibilmente oro, su detto substrato.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la di deposizione di detto strato di materiale conduttore con formazione di detti pilastri di dette strutture ad amplificazione di superficie comprende una fase di placcatura con oro.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di eliminazione di detto ulteriore strato fotosensibile comprende una fase di stripping.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la fase di deposizione di detto strato di materiale catalitico comprende una fase di placcatura.
Secondo un ulteriore aspetto deH’invenzione, il metodo comprende ulteriormente una fase di stampaggio in cui una struttura negativa viene riportata attraverso tecniche di stampaggio a pressione su di uno strato polimerico per realizzare strutture ad amplificazione di superficie a pilatri di dette regioni anodica e catodica di detto sistema a microcelle a combustibile.
Secondo tale aspetto deirinvenzione, detta fase di stampaggio realizza ulteriormente microcanali di detto sistema a microcelle.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del sistema di microcelle a combustibile e del relativo metodo di fabbricazione secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.
Breve descrizione dei disegni
In tali disegni:
la Figura 1A mostra schematicamente una microcella a combustibile realizzata secondo la tecnica nota;
la Figura 1B mostra schematicamente un sistema a microcelle a combustibile realizzato secondo la tecnica nota;
la Figura 2 A mostra schematicamente un sistema a microceìle a combustibile realizzato secondo l’invenzione;
la Figura 2B mostra un particolare del sistema di Figura 2A; la Figura 3 mostra schematicamente una sezione del sistema a microcelle a combustibile realizzato secondo l’invenzione; e
le Figure da 4A a 4M mostrano schematicamente un sistema a microcelle a combustibile nelle diverse fasi del metodo di fabbricazione secondo l’invenzione.
Descrizione dettagliata
Con riferimento a tali figure, ed in particolare alla Figura 2A, con 20 à ̈ complessivamente indicato un sistema a microcelle a combustibile realizzato secondo l’invenzione.
E’ opportuno notare che nelle figure, i diversi pezzi sono rappresentati in modo schematico, la loro forma potendo variare a seconda dell’applicazione desiderata.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il sistema 20 comprende essenzialmente un piatto singolo bipolare multifunzionale realizzato a partire da un substrato 2 1 di materiale polimerico sul quale viene integrato uno stack planare di celle a combustibile miniaturizzate nonché gli altri elementi attivi del sistema.
In particolare, il sistema 20 comprende almeno una regione anodica 22 ed una regione catodica 23 realizzate in detto substrato 21 nonché almeno un’area attiva 24 per reazioni chimiche ed una membrana 26 a scambio ionico. Vantaggiosamente secondo l’invenzione, le regioni anodica e catodica, 22 e 23, l’area attiva 24 e la membrana 26 sono realizzata su una stessa superficie piana in particolare, il substrato 21.
Ulteriormente, le regioni anodica e catodica, 22 e 23, sono dotate di rispettivi collettori di corrente, 27A e 27B realizzati nel substrato 21 e sono inoltre connesse a rispettive strutture di distribuzione di flusso, in particolare microcanali 28A e 28B, anch’essi realizzati nel substrato 2 1.
In particolare, combustibile ed ossidante vengono alimentati tramite i microcanali 28A e 28B isolati e separati dall’area attiva 24, a sua volta opportunamente posizionata sui due lati della membrana 26, come mostrato in maggior dettaglio in Figura 2B.
Come sarà meglio chiarito nel seguito della descrizione con riferimento al metodo di fabbricazione del sistema 20 a microcelle a combustibile, l’area attiva 24 à ̈ opportunamente realizzata tramite una struttura ad amplificazione di superficie, secondo una configurazione a pilastri del tipo mostrato in Figura 3.
In particolare, le regioni anodica e catodica, 22 e 23, comprendono rispettive strutture 24A e 24B con configurazione a pilastri, opportunamente ricoperte da un rispettivo strato di materiale catalizzatore, 25A e 25B, con struttura interdigitata e separate dalla membrana 26. Porzioni laterali di un film di materiale conduttivo ricoperto dallo strato 25 di catalizzatore formano rispettivi collettori di corrente 27A e 27B.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, come sarà chiaro nel seguito della descrizione, le strutture 24A e 24B con configurazione a pilastri delle regioni anodica e catodica, 22 e 23, hanno un elevato fattore di forma, vale a dire una base di dimensioni ridotte ed una elevata altezza per favorire l’amplificazione della superfìcie di catalisi.
In particolare, le regioni anodica e catodica, 22 e 23, sono realizzate su uno stesso piatto di silicio, il substrato 21, e formano una struttura alternata interdigitata con elevato fattore di forma. Su tale piatto sono realizzati anche i microcanali per l’adduzione di combustibile ed ossidante.
Ulteriormente vantaggiosamente secondo l’invenzione, la membrana 26 comprende altresì rispettive porzioni 26A e 26B a copertura degli strati di materiale di catalizzatore 25A e 25B ed aventi la medesima struttura interdigitata.
Infine, il sistema 20 a microcelle può comprendere uno strato di copertura dei microcanali 28A, 28B per il confinamento dei flussi di carburante ed ossidante.
L’invenzione fa altresì riferimento ad un metodo di fabbricazione di un sistema 20 a microcelle a combustibile, descritto con riferimento alle Figure da 4A a 4M.
E' opportuno notare che le fasi di processo descritte di seguito non formano un flusso completo di processo per la fabbricazione di microstrutture. La presente invenzione può essere messa in pratica insieme alle tecniche di microfabbricazione attualmente usate nel settore, e sono incluse solo quelle fasi del processo comunemente usate che sono necessarie per la comprensione della presente invenzione.
Inoltre, le figure che rappresentano viste schematiche di porzioni di una microstruttura durante la fabbrica zione non sono disegnate in scala, ma sono invece disegnate in modo da enfatizzare le caratteristiche importanti dell’invenzione.
Nella sua forma più generale, il metodo di fabbricazione di un sistema 20 a microcelle a combustibile del tipo comprendente almeno una regione anodica 22 ed una regione catodica 23 realizzate in un substrato 2 1 nonché almeno un’area attiva 24 per reazioni chimiche ed una membrana 26 a scambio ionico di separazione di detta area attiva 24, comprende le fasi di:
- realizzare il substrato 21 ; e
realizzare le regioni anodica e catodica, 22 e 23, l’area attiva 24 e la membrana 26 a scambio ionico in maniera complanare sul substrato 21 a formare un piatto singolo bipolare multifunzionale.
In particolare, tale fase di realizzare le regioni anodica e catodica, 22 e 23, l’area attiva 24 e la membrana a scambio ionico comprende ulteriormente le fasi di:
realizzare il substrato 2 1 , come schematicamente illustrato in Figura 4A. In particolare, à ̈ possibile realizzare tale substrato 21 con un materiale laminato flessibile o rigido del tipo utilizzato ad esempio per la realizzazione delle schede di circuito stampato o PCB (acronimo dall’inglese: “Printed Circuit Board†), quali silicio, grafite, plastica, per nominarne alcuni, o più in particolare, un materiale polimerico ad esempio come Poliammide (Kapton) o Polietilennaftalato (PEN).
- depositare su tale substrato 21 un film di materiale conduttivo 30, in particolare un film d’oro spruzzato [gold sputtered film], come schematicamente illustrato in Figura 4B. In particolare, lo strato di materiale conduttivo 30 à ̈ utilizzato come strato-seme [seed layer] per la realizzazione delle strutture ad amplificazione di superficie delle regioni anodica e catodica, 22 e 23, come sarà chiarito nel seguito della descrizione.
depositare uno strato fotosensibile 31 al di sopra del film di materiale conduttivo 30. In particolare, tale fase di deposizione dello strato fotosensibile 31 Ã ̈ effettuata in diy.
II metodo comprende quindi una prima fase di fotoesposizione atta a separare il film di materiale conduttivo 30 in una prima 30A ed una seconda porzione 30B, atte a formare rispettive strutture- seme per le strutture ad amplificazione di superficie delle regioni anodica e catodica, 22 e 23, sovrastate da rispettive porzioni 31A e 31B dello strato fotosensibile 31, come mostrato in Figura 4C, queste ultime essendo successivamente rimosse, come mostrato in Figura 4D. Risultano in tal modo separate le regioni anodica 22 e catodica 23 dove si realizzeranno le rispettive strutture ad amplificazione di superficie.
Il metodo comprende ulteriormente una fase di deposizione di un ulteriore strato fotosensibile 32 a copertura delle porzioni di film di materiale conduttivo 30A e 30B e della porzione di substrato 21 lasciato tra esse esposto, come mostrato in Figura 4E, una seconda fase di fotoesposizione atta a realizzare una pluralità di aperture 33 in tale ulteriore strato fotosensibile 32 in corrispondenza dei pilastri delle strutture ad amplificazione di superficie delle regioni anodica e catodica, 22 e 23, come mostrato in Figura 4F ed una fase di deposizione, ad esempio mediante placcatura, di uno strato di materiale conduttore, in particolare oro, con formazione dei pilastri delle strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B, come mostrato in Figura 4G.
In seguito, il metodo comprende una fase di eliminazione dell’ulteriore strato fotosensibile 32, ad esempio mediante stripping, con esposizione delle strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B, come illustrato in Figura 4H.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il metodo comprende ulteriormente una fase di deposizione di uno strato di materiale catalitico 25, in particolare mediante placcatura, con formazione delle strutture 25A e 25B interdigitale alternate al di sopra delle strutture ad amplificazione di superfìcie 24A e 24B, come illustrato in Figura 4L In una forma particolare di realizzazione, il metodo comprende inoltre una fase di deposizione di materiali nano strutturati ad elevata superfìcie depositati sopra le strutture ad amplificazione di superfìcie 24A e 24B delle regioni anodica e catodica, 22 e 23, quali ad esempio nanocluster o nanotubi, per nominarne alcuni.
E' altresì possibile realizzare le strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B a pilastri ed anche i micro canali 28A e 28B utilizzando tecniche di stampaggio in cui si ha una struttura negativa viene riportata attraverso tecniche di stampaggio a pressione su di uno strato polimerico per realizzare strutture fluidiche tridimensionali a pilastro.
Infine, il metodo comprende una fase di deposizione di uno strato di materiale a scambio ionico 34 sull'intero sistema 20, come mostrato in Figura 4L, e la sua successiva rimozione selettiva con formazione della membrana 26 di separazione delle regioni anodica e catodica, 22 e 23, nonché delle porzioni 26A e 26B a copertura delle strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B, come illustrato in Figura 4M.
In particolare, tale fase di deposizione dello strato di materiale a scambio ionico 34 può comprendere una fase scelta fra: spray coating, spinnaggio o laminazione. La successiva fase di rimozione selettiva dello stato di materiale a scambio ionico 34 permette di separare i microcanali 28A e 28B del sistema 20 a microcelle e mette in contatto le regioni anodica e catodica, 22 e 23. In particolare, à ̈ opportuno notare che i materiali di tipo resist utilizzati nel settore dei circuiti stampati o dei circuiti flessibili sono diversi da quelli del settore dei semiconduttori e vengono depositati preferibilmente per spinnnaggio. Più in particolare, si usano dei film fotosensibili secchi che vengono fatti aderire al substrato attraverso tecniche di laminazione.
Ulteriormente, il metodo può comprendere una fase finale di chiusura della struttura realizzata mediante deposizione di uno strato di copertura per il confinamento dei flussi di combustibile ed ossidante. In particolare, nel caso in cui il sistema 20 a microcelle funzioni ad air breating (vale a dire utilizzi l’ossigeno preso direttamente dall’atmosfera), tale strato di copertura non sarà posizionato per un canale d’aria o ossigeno, in questo caso non necessario.
E’ opportuno notare che il metodo secondo l’invenzione si basa essenzialmente su fasi di fotoesposizione ed elettroformazione normalmente utilizzate sia nel settore microelettronico sia specificatamente nella tecnologia MEMS, con evidenti vantaggi in termini di semplificazione e sicurezza dei risultati di un tale processo per la realizzazione del sistema 20 a microcelle a combustibile secondo l’invenzione. Inoltre, le strutture a pilastri delle strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B forniscono un miglioramento della reazione superficiale.
A titolo d’esempio, à ̈ possibile considerate una superficie coperta da pilastri di circa 10000 micron quadrati (100<χ>100), ottenendo come vera superficie di reazione dei pilastri (10 micron di diametro, 10 micron di distanza tra pilastri, per un altezza di 20 micron) di circa 37500 micron quadrati. E’ così evidente che le strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B con conformazioni a pilastri permettono di ottenere un aumento della superficie attiva di circa 3.75 volte.
Ulteriormente, à ̈ opportuno notate che lo spessore finale del sistema 20 risulta dato dallo spessore del substrato (circa 100 micron di Kapton o PEN), più lo spessore dei pilastri e più quello dello strato polimerico di copertura, per uno spessore totale di meno di 1 millimetro.
Vantaggiosamente, il sistema 20 ottenuto con il metodo secondo l’invenzione comprende un piatto singolo bipolare multifunzionale sul quale viene integrato uno stack planare di celle a combustibile miniaturizzate costituite di materiale polimerico, usato come substrato anche per gli elementi attivi del sistema, a loro volta ottenuti mediante l'utilizzo di processi standard di fotoesposizione, applicati ai film laminati sul substrato, in particolare dry.
Il sistema 20 secondo l’invenzione presenta numerosi vantaggi tra i quali:
· à ̈ una struttura planare essenzialmente formata da un multistack di celle a combustibile miniaturizzate, che integra un certo numero di anodi e catodi sulla superficie di un unico materiale polimerico, dove ogni elemento à ̈ costruito tramite una tecnica a basso costo. L'uso di materiali polimerici dà più gradi di libertà nel realizzare il sistema 20. In particolare, nella struttura interdigitata realizzata secondo l’invenzione ciascun elemento costituito da anodo, membrana e catodo costituisce a tutti gli effetti una mirocella ma risult posta in parallelo o in serie a tutte le altre a seconda di come sono connesse tra loro.
· i necessari combustibile ed ossidante vengono alimentati in microcanali isolati e separati da colonne con alta superficie di reazione posizionate sui due lati della membrana fotosensibile. In particolare, entrambi i flussi combustibile ed ossidante contengono i prodotti di reazione, la separazione fisica impedendo il contatto diretto tra i flussi. In particolare, nella struttura interdigitata il gas che arriva all'anodo non va in contatto con quello che va al catodo se non attraverso la membrana sotto forma di ioni essendo la strutture dei micro canali chiusa.
• la lunghezza caratteristica del sistema 20 à ̈ la distanza che gli ioni devono percorrere tra i due elettrodi ed à ̈ molto corta essendo la dimensione della membrana 26 opportunamente controllata con il processo di fotoesposizione. Ciò rende il sistema 20 nel suo complesso meno sensibile agli effetti d’impedenza ohmica.
• l'efficienza dei collettori di corrente 27A e 27B à ̈ alta, perché gli strati di catalizzatore sono supportati direttamente sul film di materiale conduttivo 30. In aggiunta, tali collettori sono depositati direttamente nella parte inferiore della regione in cui si trovano i pilastri delle strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B e la corrente non ha quindi bisogno di essere estratta da linee di metallo particolarmente grandi.
• la dispersione del catalizzatore metallico à ̈ direttamente effettuata sui lati delle strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B con configurazione a pilastri.
Inoltre, à ̈ opportuno notare che il sistema 20 secondo l’invenzione à ̈ utilizzabile per idrogeno, metanolo o altri tipi di combustibili, realizzando sostanzialmente un sistema multifuel.
In conclusione, il sistema 20 a microcelle a combustibile secondo l’invenzione presenta gli importanti vantaggi di essere una struttura planare avente una ridotta dimensione e basso peso ed un’alta efficienza grazie alle strutture ad amplificazione di superficie 24A e 24B con configurazione a pilastri.
Il sistema 20 secondo l’invenzione consente quindi di realizzare una fonte di potenza elettrica flessibile con superficie attiva incrementata e peso totale ridotto. Un tale sistema risulta altresì avere un costo concorrenziale, una costruzione compatta e di design integrato ed essere in grado di funzionare a bassa temperatura (30-60 °C) essendo così adatto a sostituire le batterie tipicamente utilizzate per alimentare i dispositivi portatili.
Ovviamente al sistema sopra descritto un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti, tutte comprese nell'ambito di protezione dell'invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni.
Claims (24)
- RIVENDICAZIONI 1 . Sistema (20) a microcelle a combustibile del tipo comprendente almeno una regione anodica (22) ed una regione catodica (23) realizzate in un substrato (21) nonché almeno un’area attiva (24) per reazioni chimiche ed una membrana (26) a scambio ionico di separazione di detta area attiva (24) caratterizzato dal fatto che dette regioni anodica e catodica (22, 23), detta area attiva (24) e detta membrana (26) a scambio ionico sono realizzate su una stessa superficie piana data da detto substrato (21) a formare un piatto singolo bipolare multifunzionale.
- 2. Sistema (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto substrato (21) Ã ̈ realizzato in un laminato flessibile o rigido di un materiale utilizzato la realizzazione delle schede di circuito stampato, preferibilmente scelto tra silicio, grafite, plastica.
- 3. Sistema (20) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta area attiva (24) comprende rispettive strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) con configurazione a pilastri in corrispondenza di dette regioni anodica e catodica (22, 23).
- 4. Sistema (20) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) sono ricoperte da un rispettivo strato di materiale catalizzatore (25A, 25B) con struttura sostanzialmente interdigitata e sono separate da detta membrana (26) a scambio ionico.
- 5. Sistema (20) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta membrana (26) a scambio ionico comprende altresì rispettive porzioni (26A, 26B) a copertura di detti strati di materiale di catalizzatore (25A, 25B) ed aventi una medesima struttura interdigitata.
- 6. Sistema (20) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che dette regioni anodica e catodica (22, 23) sono dotate di rispettivi collettori di corrente (27A, 27B) realizzati in detto substrato (21) .
- 7. Sistema (20) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti collettori di corrente (27A, 27B) sono formati da un film di materiale conduttivo ricoperto da uno strato (25) di catalizzatore.
- 8. Sistema (20) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che dette regioni anodica e catodica (22, 23) sono connesse a rispettive strutture di distribuzione di flusso, in particolare microcanali (28A, 28B), realizzate in detto substrato (21) per alimentazione separata di flussi di combustibile ed ossidante.
- 9. Sistema (20) secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere uno strato di copertura dì detti microcanali (28A, 28B) per il confinamento dei flussi di combustibile ed ossidante.
- 10. Metodo di fabbricazione di un sistema (20) a microcelle a combustibile del tipo comprendente almeno unà regione anodica (22) ed una regione catodica (23) realizzate in un substrato (21) nonché almeno un’area attiva (24) per reazioni chimiche ed una membrana (26 a scambio ionico di separazione di detta area attiva (24), il metodo comprendendo le fasi di: realizzare detto substrato (21); - realizzare dette regioni anodica e catodica (22, 23), detta area attiva (24) e detta membrana (26) a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato (21) a formare un piatto singolo bipolare multifunzionale .
- 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui detta fase di realizzare dette regioni anodica e catodica (22, 23), detta area attiva (24) e detta membrana (26) a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato (21) comprende ulteriormente le fasi di: depositare su detto substrato (21) un film di materiale conduttivo (30); - depositare uno strato fotosensibile (31) al di sopra di detto film di materiale conduttivo (30); e effettuare una fotoesposizione atta a separare detto film di materiale conduttivo (30) in una prima ed una seconda porzione (30A, 30B), atte a formare rispettive strutture- seme per strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) di dette regioni anodica e catodica (22, 23) di detto sistema (20) a microcelle a combustibile.
- 12 . Metodo secondo la rivendicazione 1 1 , in cui detta fase di realizzare dette regioni anodica e catodica (22, 23), detta area attiva (24) e detta detta membrana (26) a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato (21) comprende ulteriormente le fasi di: rimozione di detto strato fotosensibile (31) con esposizione di dette prima e seconda porzione (30A, 30B) di detto film di materiale conduttivo (30); deposizione di un ulteriore strato fotosensibile (32) a copertura di dette prima e seconda porzione (30A, 30B) di detto film di materiale conduttivo (30) e di una porzione di detto substrato (21) lasciata tra esse esposte; e effettuare una fotoesposizione atta a realizzare una pluralità di aperture (33) in detto ulteriore strato fotosensibile (32) in corrispondenza di pilastri di strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) di dette regioni anodica e catodica (22, 23).
- 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta fase di realizzare dette regioni anodica e catodica (22, 23), detta area attiva (24) e detta detta membrana (26) a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato (21) comprende ulteriormente le fasi di: deposizione di uno strato di materiale conduttore con formazione di detti pilastri di dette strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) di dette regioni anodica e catodica (22, 23); e eliminazione di detto ulteriore strato fotosensibile (32) con esposizione di dette strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) di dette regioni anodica e catodica (22, 23).
- 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta fase di realizzare dette regioni anodica e catodica (22, 23), detta area attiva (24) e detta membrana (26) a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato (21) comprende ulteriormente la fase di: deposizione di uno strato di materiale catalitico (25) con formazione di strutture (25A, 25B) interdigitale alternate al di sopra di dette strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) di dette regioni anodica e catodica (22, 23).
- 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detta fase di realizzare dette regioni anodica e catodica (22, 23), detta area attiva (24) e detta membrana (26) a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato (21) comprende ulteriormente le fasi di: deposizione di uno strato di materiale a scambio ionico (34) suirintero sistema (20), e effettuare una rimozione selettiva di detto strato di materiale a scambio ionico (34) con formazione di detta membrana (26) a scambio ionico, nonché di porzioni (26A, 26B) a copertura di dette strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) di dette regioni anodica e catodica (22, 23).
- 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detta fase di realizzare dette regioni anodica e catodica (22, 23), detta area attiva (24) e detta membrana (26) a scambio ionico in maniera complanare su detto substrato (21) comprende ulteriormente la fase di: - deposizione di materiali nano strutturati ad elevata superficie al di sopra di dette strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) di dette regioni anodica e catodica (22, 23).
- 17. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detta fase di deposizione di detto strato di materiale a scambio ionico (34) comprende una fase scelta fra: spray coating, spinnaggio o laminazione.
- 18. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detta fase di rimozione selettiva di detto strato di materiale a scambio ionico (34) comprende una fase di separazione di microcanali (28A, 28B) di detto sistema a microcelle (20) e mette in contatto dette regioni anodica e catodica (22, 23).
- 19. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui detta fase di depositare detto film di materiale conduttivo (30) comprende una fase di spruzzare detto film di materiale conduttivo (30), preferibilmente oro, su detto substrato (21).
- 20. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta fase di deposizione di detto strato di materiale conduttore con formazione di detti pilastri di dette strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) comprende una fase di placcatura con oro.
- 21. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta fase di eliminazione di detto ulteriore strato fotosensibile (32) comprende una fase di stripping.
- 22. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detta fase di deposizione di detto strato di materiale catalitico (25) comprende una fase di placcatura.
- 23. Metodo secondo la rivendicazione 10, comprendente ulteriormente una fase di stampaggio in cui una struttura negativa viene riportata attraverso tecniche di stampaggio a pressione su di uno strato polimerico per realizzare strutture ad amplificazione di superficie (24A, 24B) a pilatri di dette regioni anodica e catodica (22, 23) di detto sistema (20) a microcelle a combustibile.
- 24. Metodo secondo la rivendicazione 23, in cui detta fase di stampaggio realizza ulteriormente microcanali (28A, 28B) di detto sistema a microcelle (20).
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