KR100399761B1 - Micro Rugged Perforated Electrode and Micro Electrochemical Reactor with the Electrode and Manufacturing Method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미소돌기 구조를 갖는 다공 평판형 전기화학 반응전극 및 이를 구비한 전기화학 반응기에 관한 것으로서, 본 발명의 반응전극(20)은 평판형 전극의 양면을 관통하는 다수의 반응물질 채널(22)이 형성되며, 평판형 전극의 한 쪽의 면에 형성되며 반응물질 채널(22)의 주위에 형성되는 다수의 미소돌기(23)와, 미소돌기(23)가 형성된 평판형 전극의 한 쪽의 면에 도포되어 형성된 촉매층(25)을 포함하며, 미소 전기화학 반응기에서 넓은 반응면적을 형성하도록 다수의 미소돌기(23)를 형성하여 촉매층(25)을 형성함으로써 전기화학 반응면적을 증가시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 전기화학 반응기(30)는 상기와 같이 구성된 반응전극(20)을 통해 반응물질 저장소(35, 36)를 일체화하여 구성함으로써 제작공정이 단순화되고 소형화가 가능한 장점이 있다.The present invention relates to a porous plate type electrochemical reaction electrode having a micro-projection structure and an electrochemical reactor having the same. The reaction electrode 20 of the present invention includes a plurality of reactant channels 22 penetrating both sides of the plate type electrode. ) Is formed on one side of the plate-shaped electrode and formed with a plurality of micro-projections 23 formed around the reactant channel 22 and one side of the plate-shaped electrode with the micro-projections 23 formed thereon. And a catalyst layer 25 formed on the surface, and a plurality of micro protrusions 23 are formed to form a catalyst layer 25 to form a wide reaction area in the microelectrochemical reactor, thereby increasing the electrochemical reaction area. have. In addition, the electrochemical reactor 30 of the present invention has the advantage that the manufacturing process is simplified and can be miniaturized by integrally configuring the reactant reservoirs 35 and 36 through the reaction electrode 20 configured as described above.
Description
본 발명은 전기화학 반응전극에 관한 것이며, 특히, 미소 연료전지의 화학 반응기에서 넓은 반응면적을 형성하도록 미소돌기 구조를 갖는 다공 평판형 전기화학 반응전극에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 반응전극을 구비하여 형성한 미소 전기화학 반응기 및 그 제조방법에 관한 것이기도 하다.The present invention relates to an electrochemical reaction electrode, and more particularly, to a porous plate type electrochemical reaction electrode having a micro-projection structure to form a large reaction area in a chemical reactor of a micro fuel cell. The present invention also relates to a microelectrochemical reactor formed with the reaction electrode and a method of manufacturing the same.
종래의 전기화학 반응기에 사용되는 전기화학 반응전극은 촉매(catalyst)로 사용되는 금속 분말들(Pt, Ru 등)을 열압착(Hot-pressing) 방법이나 소결(Sintering) 등의 방법에 의해 분리막의 표면에 부착하는 방법으로 제작하였다. 즉, 분리막의 표면에 부착된 금속 분말들이 촉매로 사용되는 동시에 전극으로 사용되었다. 그리고, 동시에 많은 화학반응을 일으키는 것을 목적으로 하는 전기화학 반응기의 경우에는 전극의 크기를 증가시키는 대신에 전극의 표면조도를 증가시켜 전극의 실제 반응면적을 증가시키는 방법을 사용하고 있다.The electrochemical reaction electrode used in the conventional electrochemical reactor is a metal membrane (Pt, Ru, etc.) used as a catalyst (Pt, Ru, etc.) by the hot-pressing (Sintering) method, such as the method of separation membrane It produced by the method of adhering to a surface. That is, metal powders attached to the surface of the separator were used as the catalysts and electrodes. In addition, in the case of an electrochemical reactor aimed at causing a large number of chemical reactions at the same time, instead of increasing the size of the electrode, a method of increasing the surface roughness of the electrode to increase the actual reaction area of the electrode is used.
종래에는 전기화학 반응전극의 반응면적을 증가시키기 위해서 전극 분말을 분리막에 부착시킬 때 유리섬유(glass fiber)나 섬유(woven texture)를 섞어 제작하는 방법을 사용하였으나, 미소 전기화학 반응전극을 제작할 경우에는 전극의 크기가 작아서 이와 같은 방법으로 전극을 제작하는데 난점이 있었다. 또한, 열압착이나 소결 등의 방법으로 전극을 제작하게 되면 전극으로 사용되는 백금의 사용량이 증가되어 제조비용이 증가하는 단점이 있었다. 이와 같은 문제를 극복하기 하기 위해서 전극으로 사용되는 금속을 스퍼터(sputter) 등의 장비로 증착(deposition)하는 방법이 제안되었다. 그러나, 단순히 스퍼터를 통해 전극 분말을 증착하는 방법은 한정된 전극의 크기 내에서 전극의 반응면적을 증가시키는 효과를 가져오지 못하는 단점이 있다.Conventionally, in order to increase the reaction area of the electrochemical reaction electrode, a method in which a glass fiber or a woven texture is mixed when the electrode powder is attached to the separator is used. Because of the small size of the electrode, there was a difficulty in manufacturing the electrode in this way. In addition, when the electrode is manufactured by a method such as thermocompression bonding or sintering, the amount of platinum used as the electrode is increased to increase the manufacturing cost. In order to overcome such a problem, a method of depositing a metal, which is used as an electrode, with a device such as a sputter has been proposed. However, the method of simply depositing the electrode powder through the sputter has a disadvantage in that it does not bring an effect of increasing the reaction area of the electrode within a limited electrode size.
그리고, 종래의 실리콘을 사용하여 제작한 미소 전기화학 반응전극은 실리콘을 관통하는 다수의 반응물질 채널을 형성하고, 이 반응물질 채널의 내부 벽면을 도금방법으로 코팅하여 촉매로 사용하는 촉매층을 형성하였다. 이와 같은 방법을 사용하게 되면 미소 전기화학 반응전극을 제작하는데는 어려움이 없으나, 전기화학 반응면적이 반응물질 채널의 내부 벽면으로 국한되기 때문에 전기화학 반응면적이 그리 넓지 못하는 단점이 있다.In addition, the microelectrochemical reaction electrode fabricated using the conventional silicon forms a plurality of reactant channels penetrating the silicon, and coats the inner wall of the reactant channels by plating to form a catalyst layer used as a catalyst. . Using such a method is not difficult to fabricate a microelectrochemical reaction electrode, but the electrochemical reaction area is not so large because the electrochemical reaction area is limited to the inner wall of the reactant channel.
미국 특허 제4,390,603호는 "Methanol fuel cell"이라는 기술에 대해 소개하고 있지만, 이 기술은 소형 연료전지를 제작할 경우 활성전극의 면적 감소로 인해 전류밀도가 감소하는 문제점이 있다. 그리고, 미국 특허 제5,523,177호에는"Membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell"이라는 기술에 대해 소개하고 있는데, 이 기술은 활성전극의 면적을 증가시키기 위하여 촉매입자(catalyst particle)와 이온(ionomer)을 섞어서 다공질성 전극을 형성하고 있다. 또한, 미국 특허 제6,060,190호는 "Electrochemical fuel cell membrane electrode assembly with porous electrode substrate"라는 기술에 대해 소개하고 있는데, 이 기술은 활성전극의 면적을 증가시키기 위하여 전극을 직물(woven web), 섬유(fiber), 필러(filler), 바인더(binder) 등을 섞어서 제작하고 있다.U.S. Patent No. 4,390,603 introduces a technology called "Methanol fuel cell", but this technology has a problem in that the current density decreases due to the reduction of the area of the active electrode when manufacturing a small fuel cell. In addition, U.S. Patent No. 5,523,177 introduces a technology called "Membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell," which is a catalyst particle and an ionomer to increase the area of the active electrode. To form a porous electrode. In addition, U.S. Patent No. 6,060,190 introduces a technique called "Electrochemical fuel cell membrane electrode assembly with porous electrode substrate," in which the electrode is woven web, fiber (fiber) to increase the area of the active electrode. ), Fillers and binders are mixed.
도 1에는 종래 기술의 연료전지에 사용되는 전기화학 반응기의 단면도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전기화학 반응기(10)를 제작하기 위해서는 열압착이나 소결 등의 방법으로 전극(12, 13)을 분리막(11)의 양쪽 표면에 부착한 MEA(14 ; Membrane Electrode Assembly)를 제작한다. 그런 다음, 상기 MEA(14)를 중심으로 양극(12)으로 사용되는 부분에는 제1 반응물질을 공급하는 제1 반응물질 저장소(15)를 형성하고, 음극(13)으로 사용되는 부분에는 제2 반응물질을 공급하는 제2 반응물질 저장소(16)를 형성한다. 이렇게 제1, 제2 반응물질 저장소(15, 16)를 별도로 제작하여 MEA(14)와 접합이나 결합함으로써 전기화학 반응기(10)를 구성하게 된다.1 is a cross-sectional view of an electrochemical reactor used in a fuel cell of the prior art. As shown in FIG. 1, in order to fabricate the conventional electrochemical reactor 10, a MEA 14 (Membrane) having electrodes 12 and 13 attached to both surfaces of the separator 11 by thermocompression or sintering or the like is manufactured. Electrode Assembly). Then, a first reactant reservoir 15 for supplying a first reactant is formed in a portion used as the anode 12 around the MEA 14, and a second portion is used in the portion used as the cathode 13. A second reactant reservoir 16 for supplying the reactant is formed. In this way, the first and second reactant reservoirs 15 and 16 are separately manufactured to be bonded or combined with the MEA 14 to configure the electrochemical reactor 10.
상기와 같은 방법으로 미소 전기화학 반응기를 구성하게 되면, 1개의 미소 전기화학 반응기를 제작할 때마다 MEA와 반응물질 저장소의 조립공정을 통해야만 구성이 가능해지므로 제조공정이 복잡해지고 제조비용이 높게 된다. 또한, 별도의 반응물질 저장소를 조립하여야 하기 때문에 그 부피가 커지게 된다.When the microelectrochemical reactor is configured in the above manner, the microelectrochemical reactor can be configured only through the assembly process of the MEA and the reactant reservoir every time the microelectrochemical reactor is manufactured, which makes the manufacturing process complicated and the manufacturing cost is high. In addition, the volume is increased because a separate reactant reservoir must be assembled.
또한, 종래에는 미소 전기화학 반응기를 제작하기 위해서, 실리콘 기판에 상기 실리콘 기판을 관통하는 반응물질 채널을 형성하고, 반응물질 채널의 내부 벽면에 도금방법으로 촉매층을 형성한 후 분리막의 양쪽에 상기 반응물질 채널이 형성된 실리콘 기판을 접합시켜 구성하였다.In addition, conventionally, in order to fabricate a microelectrochemical reactor, a reactant channel penetrating the silicon substrate is formed on a silicon substrate, and a catalyst layer is formed on the inner wall of the reactant channel by a plating method, and then the reaction is formed on both sides of the separator. A silicon substrate on which material channels were formed was bonded.
이러한 종래의 미소 전기화학 반응기는 그 제조방법이 간단하여 제조비용을 감소시키는데는 유리하지만, 전기화학 반응표면, 즉 반응물질과 촉매가 접촉하는 면적이 반응물질 채널의 내부 벽면으로 국한되어 같은 크기의 전기화학 반응전극에 대해 반응밀도를 증가시키지 못하는 단점이 있다.The conventional microelectrochemical reactor is advantageous in reducing the manufacturing cost due to its simple method of manufacturing, but the electrochemical reaction surface, that is, the area where the reactant and the catalyst contact each other is limited to the inner wall of the reactant channel. There is a disadvantage in that the reaction density cannot be increased for the electrochemical reaction electrode.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 미소 연료전지의 화학 반응기에서 넓은 반응면적을 형성하도록 다수의 미소돌기를 형성하여 촉매층을 형성함으로써 전기화학 반응면적을 증가시키는 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학 반응전극을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, by forming a plurality of micro projections to form a large reaction area in the chemical reactor of the micro-fuel cell by forming a catalyst layer electrochemical reaction area It is an object of the present invention to provide a porous flat electrochemical reaction electrode having an increased microprojection structure.
또한, 본 발명은 상기 전기화학 반응전극의 한 쪽의 면에 반응물질 저장소를 일체화함으로써 제작공정이 단순화되고 소형화가 가능한 미소 전기화학 반응기 및 그 제조방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a microelectrochemical reactor capable of simplifying and miniaturizing a fabrication process and minimizing the manufacturing process by integrating a reactant reservoir on one side of the electrochemical reaction electrode.
도 1은 종래 기술의 연료전지에 사용되는 전기화학 반응기의 단면도이고,1 is a cross-sectional view of an electrochemical reactor used in a fuel cell of the prior art,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학 반응전극의 전체 형상을 도시한 사시도이고,Figure 2 is a perspective view showing the overall shape of the porous plate type electrochemical reaction electrode of the micro-projection structure according to an embodiment of the present invention,
도 3은 도 2에 도시된 반응전극을 선 A-A를 따라 절취한 단면도이고,3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of the reaction electrode shown in FIG.
도 4는 도 2에 도시된 반응전극의 미소돌기의 형태를 확대 도시한 확대 사시도이고,4 is an enlarged perspective view illustrating an enlarged form of the micro projections of the reaction electrode illustrated in FIG. 2;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학 반응전극을 구비한 미소 전기화학 반응기의 전체 구성을 도시한 부분 절단 사시도이고,FIG. 5 is a partial cutaway perspective view illustrating an entire configuration of a microelectrochemical reactor having a porous flat electrochemical reaction electrode having a microprotrusion structure according to another embodiment of the present invention;
도 6은 도 4에 도시된 반응기를 선 B-B를 따라 절취한 단면도이고,6 is a cross-sectional view taken along the line B-B of the reactor shown in FIG.
도 7a 내지 도 7d는 도 5에 도시된 반응기의 제조과정을 도시한 공정도이다.7A to 7D are process diagrams illustrating a manufacturing process of the reactor illustrated in FIG. 5.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠
20 : 반응전극 21 : 실리콘 기판20: reaction electrode 21: silicon substrate
22 : 반응물질 채널 23 : 미소돌기22: reactant channel 23: microprotrusion
24 : 요철 25 : 촉매층24: uneven 25: catalyst layer
26 : 반응물질 저장부 27 : 벽26: reactant storage 27: wall
30 : 반응기 31 : 양극30 reactor 31 anode
32 : 음극 33 : 분리막32: cathode 33: separator
34 : 반응물질 확산 방지층 35, 36 : 반응물질 저장소34: reactive material diffusion barrier layer 35, 36: reactant reservoir
37 : 상판 38 : 하판37: top plate 38: bottom plate
39, 40 : 반응물질 유입구39, 40: reactant inlet
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 평판형 전기화학 반응전극은, 평판형 전극의 양면을 관통하는 다수의 반응물질 채널이 형성되며, 상기평판형 전극의 한 쪽의 면에 형성되며 상기 반응물질 채널의 주위에 형성되는 다수의 돌기와, 상기 돌기가 형성된 상기 평판형 전극의 한 쪽의 면에 도포되어 형성된 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the plate type electrochemical reaction electrode includes a plurality of reactant channels penetrating both sides of the plate type electrode, and is formed on one side of the plate type electrode. And a plurality of protrusions formed around the reactant channel and a catalyst layer formed on one side of the plate-shaped electrode on which the protrusions are formed.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학 반응기는, 상기 평판형 전기화학 반응전극과 같이 각각 구성되는 양극 및 음극과, 상기 양극과 상기 음극의 사이에 위치하는 분리막 및, 상기 양극 및 상기 음극에 각각 접촉하는 다른 반응물질을 각각 저장하는 반응물질 저장소를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the electrochemical reactor according to another embodiment of the present invention, the positive electrode and the negative electrode, each of which is configured as the plate-type electrochemical reaction electrode, the separator located between the positive electrode and the negative electrode, the positive electrode and the negative And a reactant reservoir, each storing a different reactant in contact with each other.
또한, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전기화학 반응기의 제조방법은, 양극과 음극으로 사용되는 평판형 전극의 한 쪽의 면을 각각 식각하여 다수의 돌기를 형성하는 단계와; 상기 평판형 전극의 다른 쪽의 면을 각각 식각하여 반응물질 저장부 및 반응물질 채널을 형성하는 단계와; 상기 양극 및 상기 음극 중 상기 돌기가 형성된 면 전체를 촉매로 도포하여 촉매층을 각각 형성하는 단계 및; 상기 양극과 상기 음극의 사이에 분리막이 위치하도록 서로 접합하고, 상기 양극과 상기 음극의 반응물질 저장부를 덮는 크기를 가지며 반응물질 유입구가 각각 형성된 상판 및 하판을 접합하여 반응물질 저장소를 각각 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the manufacturing method of the electrochemical reactor according to another embodiment of the present invention, the step of forming a plurality of projections by etching one side of each of the plate-shaped electrode used as the anode and cathode; Etching the other side of the plate-shaped electrode to form a reactant reservoir and a reactant channel, respectively; Forming a catalyst layer by coating an entire surface of the anode and the cathode on which the protrusion is formed with a catalyst; Bonding each other so that the separator is positioned between the anode and the cathode, and forming a reactant reservoir by joining the upper and lower plates each having a size covering the reactant reservoir of the anode and the cathode and having a reactant inlet formed therein; Characterized in that it comprises a.
아래에서, 본 발명에 따른 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학 반응전극과 이를 구비한 미소 전기화학 반응기 및 그 제조방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a porous plate type electrochemical reaction electrode having a micro-projection structure according to the present invention, a microelectrochemical reactor having the same, and a method of manufacturing the same will be described in detail.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학반응전극의 전체 형상을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 반응전극을 선 A-A를 따라 절취한 단면도이다. 그리고, 도 4는 도 2에 도시된 반응전극의 미세 돌기의 형태를 확대 도시한 확대 사시도이다.2 is a perspective view showing the overall shape of the porous plate type electrochemical reaction electrode of the micro-projection structure according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of the reaction electrode shown in FIG. . And, Figure 4 is an enlarged perspective view showing the enlarged shape of the fine projection of the reaction electrode shown in FIG.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학 반응전극(20)에는 실리콘 기판(21)에 상기 실리콘 기판(21)을 상하로 양면 관통하는 반응물질 채널(22)이 상하좌우로 일정 간격을 두고 다수 형성된다. 또한, 실리콘 기판(21)의 상면에는 일정 크기를 갖는 미소돌기(23)가 다수 형성된다. 이 미소돌기(23)는 반응물질 채널(22)의 주변에 형성된다. 즉, 미소돌기(23)는 반응물질 채널(22)의 사이에 각각 형성되고, 또한 실리콘 기판(21)의 테두리 근처에 형성된다.As shown in FIGS. 2 and 3, in the porous flat electrochemical reaction electrode 20 of the microprojection structure of the present invention, a reactant channel penetrating both sides of the silicon substrate 21 up and down on the silicon substrate 21 is provided. A plurality of 22 are formed at regular intervals in the up, down, left and right directions. In addition, a plurality of minute protrusions 23 having a predetermined size are formed on the upper surface of the silicon substrate 21. The microprojections 23 are formed around the reactant channel 22. That is, the micro-projections 23 are formed between the reactant channels 22, respectively, and are formed near the edge of the silicon substrate 21.
이렇게 형성되는 반응물질 채널(22) 및 미소돌기(23)는 그 단면이 원형 또는 n-각형인 기둥(n=3, 4, 5, 6) 형태로 형성되거나, 원형 또는 n-각형 형태의 밑변을 가진 뿔 형태로 형성된다. 또한, 미소돌기(23) 표면에는 도 4에 도시된 바와 같이 요철(24)이 형성된다. 이 미소돌기(23)에는 촉매로 사용되는 금속 들(Pt, Ru 등)을 증착 도포함으로써 촉매층(25)이 형성된다. 이 촉매층(25)은 미소돌기(23)의 표면뿐만 아니라, 실리콘 기판(21)의 상면 전체에 형성된다.The reactant channels 22 and the microprojections 23 thus formed are formed in the form of pillars (n = 3, 4, 5, 6) having a circular or n-square cross section, or a base of a circular or n-square shape. It is formed in the form of a horn with In addition, irregularities 24 are formed on the surface of the microprojections 23, as shown in FIG. 4. The catalyst layer 25 is formed on the micro-projections 23 by depositing and applying metals (Pt, Ru, etc.) used as catalysts. The catalyst layer 25 is formed not only on the surface of the microprojections 23 but also on the entire upper surface of the silicon substrate 21.
이렇게 실리콘 기판(21)에 다수의 미소돌기(23)를 형성하여 표면적을 증가시킴으로써 전기화학 반응면적을 증가시키고, 또한 미소돌기(23)의 표면에 요철(24)을 형성하여 표면적을 더욱 증가시킴으로써 보다 넓은 전기화학 반응면적을 증가시키게 된다. 또한, 요철(24)이 형성된 미소돌기(23) 및 실리콘 기판(21)의 상면에촉매층(25)을 형성함으로써 보다 넓은 전기화학 반응면적이 형성된다. 이러한 촉매층(25)은 증착방법을 이용하여 촉매로 사용되는 금속 분말들을 증착함으로써 형성된다. 이러한 증착방법을 이용할 경우에는 반도체 제조공정처럼 한번에 다수의 미소 전기화학 반응전극을 제작할 수 있다.Thus, by forming a plurality of micro-projections 23 on the silicon substrate 21 to increase the surface area to increase the electrochemical reaction area, and also by forming the concave-convex 24 on the surface of the micro-projections 23 to further increase the surface area It will increase the wider electrochemical reaction area. Further, by forming the catalyst layer 25 on the upper surface of the micro-projections 23 and the silicon substrate 21 on which the unevenness 24 is formed, a wider electrochemical reaction area is formed. This catalyst layer 25 is formed by depositing metal powders used as catalysts using a deposition method. In the case of using such a deposition method, a plurality of microelectrochemical reaction electrodes can be manufactured at one time as in a semiconductor manufacturing process.
상기와 같이 구성된 본 발명의 전기화학 반응전극(20)을 분리막의 양쪽에 접합하여 미소 전기화학 반응기를 제작할 경우에는 전기화학 반응면적이 증가되고, 그로 인해 같은 크기의 전기화학 반응전극에 대해 높은 전기화학 반응밀도를 얻을 수 있게 된다.When the electrochemical reaction electrode 20 of the present invention configured as described above is bonded to both sides of the separator to fabricate a microelectrochemical reactor, the electrochemical reaction area is increased, and thus the electrochemical reaction electrode of the same size has a high electrical The chemical reaction density can be obtained.
또한, 실리콘 기판(21)의 하부에는 반응물질을 저장할 수 있는 반응물질 저장부(26)가 일체로 형성된다. 이 반응물질 저장부(26)는 실리콘 기판(21)의 하부 테두리부위에 일정 높이를 갖는 벽(27)을 형성함으로써 형성된다.In addition, a reactant storage unit 26 capable of storing reactants is integrally formed under the silicon substrate 21. The reactant reservoir 26 is formed by forming a wall 27 having a predetermined height on the lower edge portion of the silicon substrate 21.
상기와 같이 전기화학 반응면적이 증가되도록 본 발명의 전기화학 반응전극(20)을 구성한 것은 아래와 같은 이유에 따른 것이다.The electrochemical reaction electrode 20 of the present invention is configured to increase the electrochemical reaction area as described above for the following reasons.
전기화학 반응기의 양극 쪽으로 공급된 1몰의 제1 반응물질(메탄올+물)은 촉매와 반응하여 이산화탄소(CO2), 6개의 수소이온(H+)과 6개의 전자(e_)를 형성하게 된다(반응식 1). 이 때 형성된 전자가 전선을 통해 부하(load)로 공급되어 일을 하게 되고, 이온전도성 박막을 통해 확산된 수소이온과 부하에서 흘러온 전자는 음극에서 3/2몰의 제2 반응물질(산소)과 함께 촉매와 반응하여 3몰의 물을 형성하게 된다. 전체의 반응에 대한 반응식은 아래와 같이 나타난다(반응식 2, 3).One mole of the first reactant (methanol + water) fed to the anode of the electrochemical reactor reacts with the catalyst to form carbon dioxide (CO 2 ), six hydrogen ions (H + ) and six electrons (e _ ). (Scheme 1). At this time, the formed electrons are supplied to the load through the wire to work, and the hydrogen ions diffused through the ion conductive thin film and the electrons flowing from the load are 3/2 moles of the second reactant (oxygen) at the cathode. Together with the catalyst it forms 3 moles of water. The reaction equation for the whole reaction is shown below (Scheme 2, 3).
상기 반응식 1, 2, 3과 같은 반응은 촉매로 주로 사용되는 백금(Pt)에 제1 반응물질로 사용되는 메탄올의 흡착에 의해 일어난다. 상기 메탄올의 흡착에 대한 전기화학 반응을 자세히 기술하면 아래의 반응식 4, 5, 6으로 표현할 수 있다.Reactions such as Schemes 1, 2, and 3 occur by adsorption of methanol used as the first reactant to platinum (Pt), which is mainly used as a catalyst. If the electrochemical reaction to the adsorption of methanol in detail can be represented by the following reaction schemes 4, 5, 6.
상기 반응식 4, 5, 6에서 k1< k2< k3이고, Pt3C-OH가 주 표면 기(main surface radical)이다. H(ads)는 H+가 되기 전의 높은 에너지 상태의 수소를 나타내는 것으로서, ads는 adsorption의 약자이다(반응식 7).In Schemes 4, 5 and 6, k 1 <k 2 <k 3 and Pt 3 C-OH is the main surface radical. H (ads) represents the high-energy hydrogen before it becomes H + , where ads is an abbreviation for adsorption (Scheme 7).
OH(ads)는 정치반응조건(Stationary-reaction condition)에서 아래의 반응식 8과 같은 반응으로 생성된다. 이 OH(ads)는 반응식 4, 5, 6에서 생성된 반응물과 재 반응하여 아래의 반응식 9, 10, 11과 같은 반응을 일으키게 된다.OH (ads) is generated by the reaction shown in Scheme 8 below in stationary-reaction conditions. This OH (ads) is re-reacted with the reactants produced in Schemes 4, 5, and 6 to give a reaction as shown in Schemes 9, 10, and 11 below.
상기 반응식 8이 반응의 주 경로이다. 상기 반응식들에서 알 수 있듯이, 제1 반응물질(연료)로 사용되는 1개의 메탄올 분자는 3개의 백금 원자와 반응하여 6개의 전자를 방출하게 된다. 연료전지의 경우에 있어서, 높은 전류밀도를 얻기 위해서는 반응식 1과 같은 전기화학 반응이 동시에 많이 일어나야 함을 알 수 있다. 그러므로, 촉매층의 표면적, 즉 전극의 표면적을 증가시키면 동시에 많은 반응이 일어나게 되고, 이 때 생성된 많은 수의 전자에 의해 높은 전류밀도를 얻을 수 있게 된다.Scheme 8 is the main route of the reaction. As can be seen from the above schemes, one methanol molecule used as the first reactant (fuel) reacts with three platinum atoms to release six electrons. In the case of a fuel cell, in order to obtain a high current density, it can be seen that many electrochemical reactions, such as those of Scheme 1, must occur simultaneously. Therefore, increasing the surface area of the catalyst layer, that is, the surface area of the electrode, causes a large number of reactions at the same time, and high current density can be obtained by the large number of electrons generated at this time.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학 반응전극을 구비한 미소 전기화학 반응기의 전체 구성을 도시한 부분 절단 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 반응기를 선 B-B를 따라 절취한 단면도이다.FIG. 5 is a partial cutaway perspective view illustrating an entire configuration of a microelectrochemical reactor having a porous flat electrochemical reaction electrode having a microprotrusion structure according to another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a reactor of FIG. A cross section taken along the line BB.
본 발명의 미소 전기화학 반응기(30)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 구성된 본 발명의 전기화학 반응전극(20)으로 각각 형성된 양극(31) 및 음극(32)과, 이 양극(31)과 음극(32)의 사이에 위치하며 양면에 반응물질 확산 방지층(34)이 각각 형성된 분리막(33)과, 상기 양극(31) 및 음극(32)과 각각 결합되어 반응물질 저장소(35, 36)를 각각 형성하며 이 반응물질 저장소(35, 36)와 연통하는 반응물질 유입구(39, 40)가 각각 형성된 상판(37) 및 하판(38)으로 구성된다.The microelectrochemical reactor 30 of the present invention includes a positive electrode 31 and a negative electrode 32 formed of the electrochemical reaction electrode 20 of the present invention configured as shown in FIGS. 2 and 3, and the positive electrode 31. ) And a separator 33 having a reactant diffusion barrier layer 34 formed on both surfaces thereof, respectively, between the anode 31 and the cathode 32, respectively, between the reactant reservoirs 35 and 36. Are formed of a top plate 37 and a bottom plate 38 formed with reactant inlets 39 and 40 respectively communicating with the reactant reservoirs 35 and 36.
상기 반응물질 저장소(35, 36)는 전기화학 반응전극(20)의 반응물질 저장부(26)보다 넓은 크기를 갖는 상판(37) 및 하판(38)으로 반응전극(20)의 반응물질 저장부(26)를 덮어 벽(27)에 밀착 접합함으로써 형성된다. 이렇듯, 본 발명의 전기화학 반응기(30)는 반응물질 저장소(35, 36)를 일체화하여 구성한 것이다.The reactant reservoirs 35 and 36 are the upper plate 37 and the lower plate 38 having a larger size than the reactant reservoir 26 of the electrochemical reaction electrode 20, and the reactant reservoir of the reaction electrode 20. It forms by covering 26 to the wall 27 closely. As such, the electrochemical reactor 30 of the present invention is constructed by integrating the reactant reservoirs 35, 36.
도 7a 내지 도 7d는 도 5에 도시된 반응기의 제조과정을 도시한 공정도로서, 실리콘 기판(평판형 전극)과 분리막을 소재로 하여 제작되는 미소 전기화학 반응기의 제조공정도이다.7A to 7D are process charts illustrating a manufacturing process of the reactor illustrated in FIG. 5, which is a manufacturing process diagram of a microelectrochemical reactor manufactured using a silicon substrate (flat electrode) and a separator.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 화학반응 면적을 증가시키기 위하여양극(31)과 음극(32)으로 사용되는 실리콘 기판의 한 쪽의 면을 각각 식각하여 다수의 미소돌기(23)를 갖도록 한다.First, as shown in FIG. 7A, in order to increase the chemical reaction area, one surface of the silicon substrate used as the anode 31 and the cathode 32 is etched to have a plurality of minute protrusions 23. .
그런 다음, 도 7b에 도시된 바와 같이, 양극(31) 및 음극(32)으로 사용되는 실리콘 기판의 다른 쪽의 면을 각각 식각하여 반응물질 저장소(35, 36)를 형성한다. 그리고, 반응물질이 촉매층(25)으로 공급되도록 다수의 반응물질 채널(22)을 형성한다. 그런 다음, 미소돌기(23)가 형성된 양극(31)의 한 쪽의 면 전체를 촉매로 사용되는 백금 및 루테늄(Pt, Ru)을 증착방법으로 도포하고, 미소돌기(23)가 형성된 음극(32)의 한 쪽의 면 전체를 촉매로 사용되는 백금(Pt)을 증착방법으로 도포한다. 그로 인해, 미소돌기(23)가 형성된 양극(31) 및 음극(32)의 한 쪽의 면 전체에 촉매층이 각각 형성된다.Then, as shown in FIG. 7B, the other surfaces of the silicon substrate used as the anode 31 and the cathode 32 are respectively etched to form reactant reservoirs 35 and 36. In addition, a plurality of reactant channels 22 are formed to supply reactants to the catalyst layer 25. Then, platinum and ruthenium (Pt, Ru), which are used as a catalyst, are coated on the entire surface of one side of the anode 31 on which the micro-projections 23 are formed by a deposition method, and the cathode 32 on which the micro-projections 23 are formed. Platinum (Pt), which is used as a catalyst for the entire surface of one side of), is applied by a deposition method. Therefore, the catalyst layer is formed in the whole of one surface of the anode 31 and the cathode 32 in which the micro protrusions 23 were formed, respectively.
그리고, 도 7c에 도시된 바와 같이, 분리막(33)의 양면에 팔라듐(Pd) 등을 증착하여 반응물질의 확산을 방지하는 반응물질 확산 방지층(34)을 형성한다.As shown in FIG. 7C, palladium (Pd) or the like is deposited on both surfaces of the separator 33 to form a diffusion preventing layer 34 for preventing the diffusion of the reactants.
그런 다음, 도 7d에 도시된 바와 같이, 양극(31)과 음극(32)의 사이에 분리막(33)이 위치하도록 서로 접합하고, 양극(31)과 음극(32)에 반응물질 유입구(39, 40)가 각각 형성된 상판(37) 및 하판(38)을 접합하여 반응물질 저장소(35, 36)를 각각 형성한다. 이런 과정을 통해 본 발명의 전기화학 반응기(30)가 제작된다.Then, as illustrated in FIG. 7D, the separator 33 is bonded to each other such that the separator 33 is positioned between the anode 31 and the cathode 32, and the reactant inlets 39, The upper plate 37 and the lower plate 38, each of which 40 is formed, are joined to form reactant reservoirs 35 and 36, respectively. Through this process, the electrochemical reactor 30 of the present invention is manufactured.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학 반응전극은 미소 연료전지의 화학 반응기에서 넓은 반응면적을 형성하도록 다수의 미소돌기를 형성하여 촉매층을 형성함으로써 전기화학 반응면적을 증가시키는효과가 있다.As described in detail above, the porous flat electrochemical reaction electrode of the microprojection structure of the present invention increases the electrochemical reaction area by forming a catalyst layer by forming a plurality of microprojections to form a wide reaction area in the chemical reactor of the microfuel cell. It is effective to let.
또한, 본 발명의 미소 전기화학 반응기는 전기화학 반응전극을 통해 반응물질 저장소를 일체화하여 형성함으로써 제작공정이 단순화되고 소형화가 가능한 장점이 있다.In addition, the microelectrochemical reactor of the present invention has the advantage that the manufacturing process is simplified and miniaturized by integrally forming the reactant reservoir through the electrochemical reaction electrode.
이상에서 본 발명의 미소돌기 구조의 다공 평판형 전기화학 반응전극과 이를 구비한 미소 전기화학 반응기 및 그 제조방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.In the above description, the porous plate type electrochemical reaction electrode of the microprotrusion structure of the present invention, the microelectrochemical reactor having the same, and the technical details of the manufacturing method thereof are described together with the accompanying drawings, which illustrate exemplary embodiments of the present invention. It is described as an example, but not limiting the present invention.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
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