Étude et réalisation de couches de diffusion de gaz en silicium poreux appliquées à la fabrication de micropiles à hydrogène

Study and realization of porous silicon gas diffusion layers used for fabrication of hydrogen micro fuel cells

• Auteur / Autrice : Sébastien Desplobain
• Direction : Laurent Ventura, Gaël Gautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 25/05/2009
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Santé, sciences, technologies (Tours)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de microélectronique de puissance (Tours)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École polytechnique universitaire (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Brault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Tran van
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Gauthier-Manuel, Boudjemaa Remaki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Piles à combustible à hydrogène

Piles à combustible

Diffusion (physique)

Silicium poreux

Mots clés libres

Gdl 2d

Résumé

L'objectif de cette thèse a consisté à étudier des procédés de fabrication de couches de diffusion de gaz (GDL) en silicium poreux appliqués à l'intégration de micropiles à combustible de type PEMFC sur plaquette de silicium. Deux types de couches ont été étudiés : sur surface plane (2D) et sur surface texturée (3D). Les couches de diffusion de gaz ont été réalisées par l'anodisation de silicium de type N fortement résistif. Une localisation des motifs poreux a été obtenue par ouverture d'un masque en polysilicium sur oxyde thermique de silicium. Seules les GDL 2D entièrement macroporeuses assuraient un débit d'hydrogène compatible avec les objectifs de fabrication d'une micropile prototype. Le prototype a permis de valider la compabilité de la couche de diffusion de gaz avec les étapes d'empilement des couches actives constitutive de la micropile. Son fonctionnement nous a permis d'atteindre une densité de puissance de 250 mW/cm².

This thesis work deals with porous silicon gas diffusion layer (GDL) fabrication process. The aim was to integrate this GDL into proton exchange membrane micro fuel cells (PEMFC). Consequently, the GDL must be localized in specific wafer areas. We have also developed 2D and 3D structures. To produce a GDL, we have anodized low doped N type silicon subrates. thus, we have fabricated macroporous GDL and double layer structures made up of a mesaporous layer on a macroporous one. Patterning of the GDL has been obtained through a hard mask (polysilicon on top of a silicon oxide layer) or using a localized doping. We have concluded this work by achieving micro fuel cell prototypes with macroporous silicon gas diffusion layers. After validation of micro PEMFC active layer mechanical stacking, we have measured a maximum power density of about 250 mW/cm².