Microfabricated Fuel Cells as Power Sources for MEMS

Abstract

La creciente complejidad de los dispositivos electrónicos portátiles demanda fuentes de energía que cumplan con los requerimientos de entregar una alta densidad de potencia en un tamaño reducido y en muchos casos la posibilidad de lograr una completa integración. En este sentido, un intenso trabajo de investigación se ha enfocado hacia la miniaturización de las fuentes de alimentación en una amplia variedad de tecnologías. Una tendencia similar se ha seguido en el campo de los sistemas micro electromecánicos (MEMS), donde el concepto de sistema inteligente o Smart System ha impulsado el desarrollo de una nueva generación de dispositivos de alimentación, tales como baterías, pilas de combustible o generadores de energía, que en conjunto se conocen como powerMEMS. Entre los diferentes sistemas de generación de energía, las micro pilas de combustible han recibido una especial atención debido a sus particulares características, como son la alta densidad de energía, emisiones no-tóxicas y la posibilidad de eliminar partes móviles simplificando el proceso de fabricación y reduciendo la probabilidad de fallo. Las pilas de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) son particularmente atractivas debido a su capacidad de trabajar a temperatura ambiente usando hidrógeno o combustibles líquidos. La posibilidad de funcionar con combustibles líquidos, tales como metanol o compuestos orgánicos, representa una ventaja importante para las aplicaciones portátiles debido a la simplicidad de almacenamiento y manipulación del combustible. En esta tesis se presentan los primeros desarrollos y contribuciones tecnológicas al campo de micro pilas de combustible llevados a cabo en el IMB-CNM (CSIC). En particular, este trabajo está dedicado al estudio de pilas de combustible microfabricadas como fuentes de energía para microsistemas. Esta tesis se compone de siete capítulos: el capítulo de introducción y seis capítulos experimentales divididos en tres secciones. La primera sección describe el desarrollo de una micro pila de combustible de metanol directo utilizando un enfoque híbrido, el cual fue utilizado para identificar y medir los efectos que más influyen en el rendimiento del dispositivo en la microescala. La segunda sección presenta las estrategias realizadas respecto a la integración de todos los componentes de la micro pila hacia un dispositivo más compacto utilizando tecnologías de microfabricación compatibles. Estos métodos incluyeron el uso de diferentes técnicas de microestructuración de polímeros como una manera de optimizar las dimensiones del dispositivo, así como la reducción de costes de los materiales y producción. Por último, la tercera sección presenta dos aplicaciones específicas de las micro pilas de combustible desarrolladas, una bio pila de combustible microfabricada utilizando microorganismos como biocatalizadores de compuestos orgánicos y una plataforma microfluídica alimentada por una micro pila de combustible que puede ser de gran interés para aplicaciones Lab-on-a-Chip o micro Total Analysis Systems (µTAS).

The increasing complexity of portable electronic devices demands energy sources that meet the requirement of delivering a high power density within a reduced size, and in many cases the possibility of achieving complete integration. In this sense, an intense research effort has been focused towards the miniaturization of powering devices in a wide variety of technologies. A similar trend has been followed in the micro electromechanical systems (MEMS) technology field, where the smart-system concept has impelled the development of a new generation of powering devices, such as batteries, fuel cells or energy harvesters, which altogether are known as powerMEMS. Among the different energy generation systems, micro fuel cells have received special attention due to their particular features, i.e. high energy density, non-toxic emissions and the possibility of avoiding movable parts simplifying the fabrication process and reducing the risk of failure. Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are particularly attractive due to their capability of working at room temperature using both hydrogen and liquid fuels. The possibility to operate using liquid fuels, such as methanol or organic compounds, represent an important advantage for portable applications due to the great simplification of fuel storage and handling processes. This thesis presents the first developments and technological contributions to the micro fuel cell field performed at IMB-CNM (CSIC). Particularly, this work is dedicated to the design and fabrication of microfabricated fuel cells as power sources to be integrated within the microsystems to be powered. The work is organized in seven chapters: one introductory chapter and six experimental chapters that have been divided in three sections. The first section describes the development of a micro direct methanol fuel cell using a hybrid approach, which was used to identify and measure the effects that influence the most on the device performance at a microscale. The second section presents different strategies regarding the integration of all micro fuel cell components into a more compact device by taking advantage of microfabrication compatible technologies. These approaches involved the use of different polymer micropatterning techniques as a way to optimize the device dimensions and reduce materials and production cost. Finally, the third section presents two particular applications of the developed micro fuel cells, a microfabricated bio fuel cell using microorganisms as biocatalysts of organic compounds and a fuel cell powered microfluidic platform that can be of great interest for Lab-on-a-Chip or micro Total Analysis Systems (µTAS).