Integration of Micro Solid Oxide Fuel Cells in Power Generator Devices

Abstract

In the last decades, energy requirements of portable devices are exponentially increasing while the capacity of the current battery technology is not progressing accordingly. This energy gap claims for the development of new technologies beyond Li-ion. Novel miniaturized devices able to efficiently operate on the low power regime (1 — 20 W) in continuous mode by using a fuel are receiving increased attention. Due to their long lifetime, high power density and integrability, probably the most promising alternative is the development of micro fuel cells. Amongst them, micro Solid Oxide Fuel Cells mi-SOFCs) present the highest values of specific energy densities (by unit mass and volume), mainly due to their higher operating temperature and their capability of operating directly on hydrocarbon fuels. One of the most promising approaches for the mi-SOFCs is based on the monolithic integration of functional free-standing electrolyte membranes in silicon technology. This approach ensures high reproducibility and reliability, cheap mass production and easy integration to mainstream technology.

This thesis encompasses the design, fabrication and test of the main components of a novel mi-SOFC power generator as a first step to develop a complete device in the near future. The adopted approach is based on the use of MEMS fabrication methods to miniaturize mi-SOFCs in silicon technology and high energy density hydrocarbons as fuels. The mi-SOFC power generator is designed to supply 1W of electrical energy in a small volume (10-20 cm3). The work developed is divided into six chapters. The first chapter introduces the basics and challenges of a mi-SOFC power generator. The second chapter focuses on the experimental procedures and characterization techniques used. In the third chapter, the thermal analysis of a new mi-SOFC power generator with finite-volume simulations is presented. The fourth chapter shows the fabrication and characterization of a fuel processing unit capable to produce hydrogen from ethanol steam reforming and methane dry reforming. The next chapter is related to a catalytic micro-machined combustor. Finally, chapter six presents the development of a full ceramic mi-SOFC.

La demanda d'energia dels dispositius electrònics portàtils augmenta exponencialment any rere any, però la tecnologia actual amb les bateries d'ió liti no progressa suficientment. Aquesta divergència energètica és una oportunitat per poder desenvolupar noves tecnologies. En aquest sentit, micro dispositius que operin de forma contínua mitjançant l'ús d'un combustible i que proporcionin una potència compresa entre 1 i 20 W reben una especial atenció per part de la comunitat científica. Probablement, l'alternativa més prometedora són les micro piles de combustible, ja que tenen una llarga vida útil, una alta densitat de potència i són fàcils d'integrar. Dels diferents tipus, les piles de combustible d'òxid sòlid (mi-SOFCs) són les que tenen una major densitat específica d'energia (per unitat de massa i de volum). A més a més, treballen a una temperatura més alta i aquesta característica permet utilitzar hidrocarburs com a combustible. Una de les configuracions més esteses de les mi-SOFCs és la que es basa en membranes electrolítiques en suspensió, integrades amb la tecnologia de silici. Aquesta configuració permet una producció elevada, barata i fiable.

La present tesi té com a objectiu dissenyar, fabricar i validar experimentalment els principals components d'un nou dispositiu generador. Els resultats obtinguts són un primer pas per desenvolupar en un futur proper un dispositiu complet basat en l'ús de MEMS (sistemes micro electromecànics) i hidrocarburs d' alta densitat d'energia. El dispositiu mi-SOFC ha estat ideat per subministrar 1W de potència elèctrica i ocupar un volum entre 10 i 20 cm3. La tesi consta de sis capítols. En el primer es descriuen els conceptes generals relacionats amb un dispositiu mi-SOFC i els principals reptes associats que presenta el seu desenvolupament. El segon es centra en els procediments experimentals i les tècniques de caracterització utilitzades al llarg de la tesi. El tercer capítol presenta l'anàlisi tèrmica del sistema proposat mitjançant simulacions termofluídiques. El quart mostra la fabricació i caracterització d'una unitat de processament de combustible capaç de produir hidrogen a partir del reformat d'etanol i metà. El cinquè descriu una unitat catalítica de combustió. I l'últim capítol, es centra en les capes funcionals d'una pila de combustible mi-SOFC completament ceràmica.