Direct ethanol micro-fuel cells.

Abstract

Microcélulas a combustível são dispositivos miniaturizados conversores de energia química em energia elétrica. Esse tipo de dispositivo tem sido amplamente estudado para atuar como substituto de baterias em dispositivos móveis, devido principalmente, a uma densidade de energia teoricamente maior se comparado às baterias. Nesse trabalho, foi desenvolvido um processo de fabricação de uma microcélula a combustível alimentada com etanol direto, de dimensões milimétricas utilizando técnicas de microfabricação em silício. Empregou-se corrosão anisotrópica com tetrametilhidróxido de amônia para a confecção de uma membrana de silício perfurada, que foi utilizada como placa bipolar e suporte para catalisador. Aplicou-se essa estrutura em silício de duas maneiras para a construção de uma célula a combustível: depositando-se polímero líquido nos orifícios, obtendo-se, assim, uma membrana polimérica de troca iônica integrada, ou prensando uma montagem membrana-eletrodo entre duas dessas placas bipolares. A caracterização dessas células foi realizada utilizando o método de curva de polarização, onde foi possível observar o efeito da variação da concentração de etanol, temperatura e o efeito do catodo aberto para o ar, ou com oxigênio puro. A célula com eletrólito integrado atingiu tensão de circuito aberto máxima de 150 mV e densidade de potência máxima da ordem de 18 uW/cm² a 275 uA/cm², enquanto em teste temporal com carga fixa obteve-se, operação estável por pelo menos 30 minutos. Nas células com eletrodos comerciais alcançaram-se densidades de potência da ordem de 5,13 mW/cm² a 25 mA/cm², enquanto que com eletrodos fabricados no laboratório, obteve-se 1,23 mW/cm² a 8,8 mA/cm² aquecendo-se a célula a 45°C.Micro fuel cells are miniaturized devices that convert chemical energy into electrical energy and have been widely studied to actuate as battery replacements in mobile devices, mainly due to a theoretical greater energy density in comparison to batteries. In this work, it was developed a fabrication process of a direct ethanol micro fuel cell in the millimeter scale, using silicon microfabrication techniques. Anisotropic wet etch was used to build a perforated silicon membrane that was applied in two ways to fabricate a micro fuel cell: Depositing liquid polymer in the holes, resulting like this in an integrated polymeric ion exchange membrane, or pressing a membrane-electrode assembly between two silicon bipolar plates. Those electrodes were acquired commercially, also were fabricated in the laboratory, using adapted fabrication process from the existing fuel cell literature. The characterization of these fuel cells was done by means of the polarization curves, in which it was possible to observe the effect of ethanol concentration, temperature and the effect of cathode open for the air or with oxygen flow. The fuel cell with integrated membrane achieved open circuit potential of 150 mV and maximum power density of 18 uW/cm² at 275 uA/cm², while in a temporal test with a constant load was possible to observe stable operation for at least 30 minutes. In the cells with commercial MEAS was achieved maximum power densities in the order of 5,13 mW/cm² at 25 mA/cm² while with laboratory fabricated MEAS was achieved 1,23 mW/cm² at 8,8 mA/cm² heating the cell at 45°C