KR100638814B1 - Small Fuel Reformer of Thin Film Type and Its Production Method - Google Patents
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Abstract
실리콘 웨이퍼 기판을 사용하여 제조된 박막형 소형 개질 기 및 그 제조 방법이 제공된다.Provided are a thin film type small reformer manufactured using a silicon wafer substrate and a method of manufacturing the same.
본 발명은, 실리콘 웨이퍼로 이루어지고 내부에 채널을 형성한 기판 수단; 상기 기판 수단에 배치되어 상기 개질 부와 일산화 탄소 제거 부를 각각 다른 온도로 가열시키는 가열 수단; 상기 기판 수단의 일측에는 연료 유입구에 연결되는 채널이 형성되고, 상기 채널에는 탄화수소 연료를 수소 기체로 개질시키는 촉매 수단이 코팅된 개질 부; 상기 개질 부의 채널에 연이어서 수소 배출구에 연통되는 채널이 구비되고, 상기 채널 내에는 상기 개질 부에서 생성된 CO 가스를 제거시키는 촉매 수단이 코팅된 일산화 탄소 제거 부(PROX); 및 상기 기판 수단의 상,하부 면을 덮는 커버 수단;을 포함하는 박막형 소형 개질 기와 그 제조방법을 제공한다.The present invention comprises a substrate means made of a silicon wafer and formed with a channel therein; Heating means disposed in the substrate means for heating the reforming portion and the carbon monoxide removing portion to different temperatures; A channel connected to a fuel inlet is formed at one side of the substrate means, and the channel includes a reforming unit coated with catalytic means for reforming a hydrocarbon fuel with hydrogen gas; A carbon monoxide removal unit (PROX) having a channel connected to the hydrogen outlet and connected to the channel of the reforming unit, the catalyst unit coated with catalyst means for removing CO gas generated in the reforming unit; And a cover means for covering the upper and lower surfaces of the substrate means.
본 발명에 의하면, 실리콘 웨이퍼로 이루어진 기판 수단을 사용하여 내부에 깊고 넓은 채널을 형성함으로써 소형이면서도 고성능의 개질 기를 얻을 수 있는 효과를 얻는다.According to the present invention, by forming a deep and wide channel therein by using a substrate means made of a silicon wafer, an effect of obtaining a compact and high-performance reformer can be obtained.
실리콘 웨이퍼 기판, 박막형 소형 개질 기, 개질 부, 일산화 탄소 제거 부, 촉매,채널 Silicon wafer substrate, thin film compact reformer, reforming part, carbon monoxide removal part, catalyst, channel
Description
도1은 종래의 기술에 따른 적층 형 개질 기를 도시한 분해 사시도.1 is an exploded perspective view showing a laminate type reformer according to the prior art.
도2는 종래의 기술에 따른 또 다른 적층 형 개질 기를 도시한 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing another stacked reformer according to the prior art.
도3은 종래의 기술에 따른 3차원 다층형 개질 기를 도시한 분해 사시도.Figure 3 is an exploded perspective view showing a three-dimensional multilayer reformer according to the prior art.
도4는 본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기를 도시한 외관 사시도. Figure 4 is an external perspective view showing a thin film type small reformer according to the present invention.
도5는 본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기를 도시한 분해 사시도. Figure 5 is an exploded perspective view showing a thin film compact reformer according to the present invention.
도6은 본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기를 도시한 단면도.Figure 6 is a cross-sectional view showing a thin film compact reformer according to the present invention.
도7의 a),b),c)는 본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기에 갖춰진 다양한 내부 채널을 도시한 구성도.7 a), b), c) are diagrams showing various internal channels provided in the thin film compact reformer according to the present invention;
도8은 본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기의 개질기 및 가열 수단의 제조방법을 단계적으로 도시한 설명도.8 is an explanatory diagram showing step by step a manufacturing method of a reformer and heating means of a thin film type small reformer according to the present invention;
도9는 본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기에 구비된 일산화 탄소 제거 부(PROX: Preferential Oxidation)의 제조방법을 단계적으로 도시한 설명도.FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a method of manufacturing a carbon monoxide removal unit (PROX: Preferential Oxidation) provided in a thin film compact reformer according to the present invention. FIG.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* * Explanation of symbols for main parts of drawings *
1.... 박막형 소형 개질 기 10.... 기판 수단1 .... Thin film
30.... 개질 부 32.... 촉매 수단30 .... reforming part 32 .... catalytic means
60.... 일산화 탄소 제거 부(PROX) 62.... 촉매 수단60 .... Carbon Monoxide Removal Unit (PROX) 62 .... Catalytic Means
80.... 가열 수단 82.... 오목 홈80 .... heating means 82 .... recessed groove
84.... Si3N4층 86.... SiO2 층84 .... Si 3 N 4 layer 86 .... SiO 2 layer
88.... 전극 100.... 커버 수단88 .... electrode 100 .... cover means
102.... 연료 유입구 104.... 공기 유입구102 .... fuel inlet 104 .... air inlet
106.... 수소 배출구 120.... 제어 회로 부106 ....
140.... 전원 공급 부 C.... 채널140 .... Power Supply Part C .... Channel
200.... 기판 201,202.... 격벽200 .... Substrate 201,202 .... Bulkhead
203.... 개질 기 유로 204.... 촉매 막 203 .... reformer Euro 204 .... catalyst membrane
250.... 종래의 소형 개질 장치 251.... 연료 증발기250 .... Conventional Compact Reformer 251 .... Fuel Evaporator
252,253,254.... 연소기 257.... 일산화탄소 제거기252,253,254 .... Combustor 257 .... Carbon Monoxide Remover
261,262... 단열 지지 부재 310.... 연료 프로세서261,262 ...
314.... 연료 개질 기 328.... 히터314 .... Fuel Reformer 328 .... Heater
332.... 연료 전지 스택 332 .. Fuel Cell Stack
본 발명은 연료 전지에 사용되는 개질 기와 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 실리콘 웨이퍼 기판을 사용하여 내부에 깊고 넓은 채널을 형성함으로 써 소형이면서도 고성능을 얻을 수 있고, 마이크로 연료전지에 일체형으로 만들 수 있으며, 휴대용기기의 전원 출력밀도를 높일 수 있는 박막형 소형 개질 기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a reformer used in a fuel cell and a method of manufacturing the same. More specifically, by forming a deep and wide channel inside using a silicon wafer substrate, small size and high performance can be obtained, and a micro fuel cell may be integrated. The present invention relates to a thin film type small reformer capable of increasing the power output density of a portable device and a method of manufacturing the same.
일반적으로 연료전지는 고분자연료전지, 직접메탄올연료전지, 용융탄산염연료전지, 고체산화물연료전지, 인산형 연료전지, 알카리 연료전지 등 여러 종류가 있으며, 휴대용 연료전지를 개발하기 위해서는 소형화 및 출력밀도가 중요하다. 이 중에서 휴대용 소형 연료전지로서 가장 많이 사용되는 것으로는 직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)와 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)등이 있다. Generally, there are many types of fuel cells, such as polymer fuel cells, direct methanol fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, phosphate fuel cells, and alkaline fuel cells. It is important. Among them, portable methanol fuel cells (DMFCs) and polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs) are most commonly used as portable small fuel cells.
이런 방식의 차이는 연료를 메탄올과 디메틸 에테르(dimethyl-ether : DME) 등의 액체 연료를 주입하는가, 또는 기체상태의 수소 연료를 주입하는가에 대한 것이다. 이런 방식의 차이는 곧 단위용량에 따른 출력밀도의 차이를 나타내고, 연료전지의 성능과 직결되는 중요한 인자가 된다. The difference between these methods is whether the fuel is injected with liquid fuel such as methanol and dimethyl ether (DME) or gaseous hydrogen fuel. The difference in this type represents the difference in power density according to the unit capacity, which is an important factor directly related to the performance of the fuel cell.
따라서, 연료 전지가 높은 전원 출력밀도를 얻기 위해서는 액체 연료를 사용하는 것이 필요하고, 이를 위해서는 액체 연료를 기체 연료로 만들어주기 위한 개질 기(Reformer)가 필수적으로 사용되는데 지금 현재 상용화되는 고성능의 소형 개질 기는 거의 없는 실정이다. 따라서, 고성능을 갖는 소형 개질 기의 연구 개발이 필요하게 되고 이런 연구의 성공은 소형 연료전지의 출력 문제점을 해결할 수 있는 방안으로서 필수요건이 되고 있다. Therefore, it is necessary for a fuel cell to use a liquid fuel in order to obtain a high power output density. For this purpose, a reformer for making a liquid fuel into a gaseous fuel is essential. There is almost no qi. Therefore, the research and development of a small reformer having a high performance is required, and the success of this research has become an essential requirement as a solution to solve the output problem of the small fuel cell.
종래 방식은 대한 민국 특허공개공보 제 2005-4729호에 기재된 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 개질 기 유로(203)에 촉매 막(204)을 형성시키고, 유로를 병렬로 적층하여 형성한 구조를 갖는다. 그리고, 유로(203)를 따라서 좌,우 양측으로 돌출된 격벽(201)(202)들이 기판(200)상에 형성된다. 이러한 종래의 구조는 메탄올의 농도가 낮은 연료 개스를 더 많이 통과시키므로 수소 이온 및 전자의 발생을 높임과 동시에 연료 전지의 전해질 막에 도달되는 메탄올의 농도를 줄이는 방법으로 제공되었다. The conventional method is described in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-4729, as shown in FIG. 1, in which a
그렇지만, 이와 같은 종래의 방식은 개질 기 유로(203) 내에 촉매 막(204)을 형성하고 병렬의 다수의 적층 구조를 갖춤으로써 그 구조를 소형으로 하기가 어려운 것이었다. However, such a conventional method has been difficult to make the structure small by forming the
한편, 종래의 출력밀도를 향상시키기 위한 방법으로는 전해질, 촉매, 연료(수소,메탄올,DME)의 3상 계면을 증가시키기 위한 막-전극 접합체의 촉매 층을 포함한 2 전극 및 고분자막 등의 연구로 집중이 되었다. 한 예로 대한민국 특허 등록번호 제0409042호에 기재된 바와 같이, 고분자 전해질 막의 두께를 감소시켜 이온전도에 대한 저항을 감소시켜 출력밀도를 향상시키는 방안을 제시하였다. On the other hand, the conventional method for improving the output density of the electrolyte, catalyst, fuel cell (hydrogen, methanol, DME) to increase the three-phase interface, including the catalyst layer of the membrane-electrode assembly to increase the electrode and polymer membrane, etc. It was concentrated. As an example, as described in Korean Patent Registration No. 00409042, a method of improving the power density by reducing the thickness of the polymer electrolyte membrane and reducing the resistance to ion conduction was proposed.
그렇지만, 이와 같은 종래의 기술은 개질 기의 구조와는 직접적으로는 무관한 막-전극 접합체에 관한 것이다. However, such conventional techniques relate to membrane-electrode assemblies that are not directly related to the structure of the reformer.
그리고, 또 다른 종래 기술로는 대한민국 특허 등록번호 제0434779호에 제시된 바와 같이, 분리판의 유로를 기존의 크기보다 미세하게 가공함으로써 반응 가스가 촉매 층으로 대류, 확산 되는 것을 촉진시키며, 농도 및 온도의 분포를 균일하게 하여 출력밀도를 높이고 연료전지의 경량화 및 소형화를 제공하기 위한 방법으 로 제시되었다. In addition, as another conventional technology, as shown in Korean Patent Registration No. 0434779, by processing the flow path of the separation plate finer than the existing size to promote the convection and diffusion of the reaction gas into the catalyst layer, the concentration and temperature It has been proposed as a method to increase the power density by providing a uniform distribution, and to provide a lighter and smaller fuel cell.
그렇지만, 이와 같은 종래의 기술도 개질 기의 구조와는 직접적으로 무관한 연료전지의 분리판에 관한 것이다.However, this conventional technique also relates to a separator of a fuel cell which is not directly related to the structure of the reformer.
그리고, 또 다른 종래의 기술로는 도 2에 도시된 바와 같은 일본 특개평 2004-288573호의 소형 개질 장치가 있다. Another conventional technique is the compact reformer of Japanese Patent Laid-Open No. 2004-288573 as shown in FIG.
이러한 종래의 소형 개질 장치(250)는 단열 패키지(258)와, 단열 패키지(258) 내에 순서로 겹겹이 쌓인 연소용 연료 증발기(251), 발전용 연료 증발기(255), 연소기(252), 일산화탄소 제거기(257), 연소기(254), 개질 기(256), 연소기(253)을 구비한다. 상기 연소용 연료 증발기(251)의 하면에는 단열 지지 부재(261)(262)가 접합 되고, 이 단열 지지 부재(261)(262)에 따라서 연소용 연료 증발기(251)가 지지되며, 연소용 연료 증발기(251)가 단열 패키지(258)의 내벽으로부터 떨어져 위치된다. The conventional
따라서, 이와 같은 종래의 개질 장치도 다층의 구조를 갖춤으로써 원하는 바의 소형 구조를 갖기는 어려운 것이었다.Therefore, such a conventional reformer also has a multi-layered structure, making it difficult to have a desired compact structure.
또한, 이와 유사한 종래의 기술로는 도 3에 도시된 바와 같은 대한민국 특허 공개공보 제 2003-28829호가 있다.In addition, a similar conventional technology is Korean Patent Publication No. 2003-28829 as shown in FIG.
이와 같은 종래 기술은 연료 프로세서(310)에 관한 것으로, 연료 개질 기(314)를 규정하는 모노리식 3차원 다층 세라믹 캐리어 구조체(312)를 구비하며, 일체형 연료 전지 스택(332)을 구비한다. 상기 개질 기(314)는 증발 영역(316)과, 촉매를 구비하는 반응 영역(318), 및 일체형 히터(328)를 구비하고, 상기 일체형 히터(328)는 반응 영역(318)에 열적으로 결합 된다. This prior art relates to a
상기 연료 프로세서는 액체 연료용 유입 채널(320)과 수소 과잉 가스용 유출 채널(322)을 또한 구비한다. 그리고, 연료 프로세서(310)는 조립된 후 캡슐화된 촉매가 유입 연료를 수소 과잉 가스로 변환하거나, 개질시키는 소형 치수를 제공하도록 소결되는 다층 세라믹 기술을 사용하여 형성된다.The fuel processor also has an
그렇지만, 이와 같은 종래의 기술도 개질 기의 구조를 소형화하는 데에는 구조적으로 한계가 있는 것이었다.However, such a conventional technique was also structurally limited in miniaturizing the structure of the reformer.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 실리콘 웨이퍼 기판을 사용하여 내부에 깊고 넓은 채널을 형성함으로써 소형이면서도 고성능의 박막형 소형 개질 기 및 그 제조 방법을 제공함에 제 1의 목적이 있다. Disclosure of Invention The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a first object of the present invention is to provide a thin and high performance thin film type small reformer and a method of manufacturing the same by forming a deep and wide channel therein using a silicon wafer substrate. .
또한, 본 발명은 마이크로 연료전지에 일체형으로 장착되어 메탄올이나 디메틸 에테르(dimethyl-ether : DME) 등의 다양한 연료의 사용이 가능하고, 휴대용기기의 전원 출력밀도를 높일 수 있는 박막형 소형 개질 기 및 그 제조 방법을 제공함에 제 2의 목적이 있다. In addition, the present invention is integrally mounted to the micro fuel cell is possible to use a variety of fuels such as methanol, dimethyl ether (dimethyl-ether (DME)), thin film type small reformer that can increase the power output density of portable devices and its It is a second object to provide a manufacturing method.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 탄화수소계 액체연료를 사용하여 수소를 생산하는 연료전지용 개질 기에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention is a fuel cell reformer for producing hydrogen using a hydrocarbon-based liquid fuel,
실리콘 웨이퍼로 이루어지고 내부에 채널을 형성한 기판 수단;Substrate means formed of a silicon wafer and having channels formed therein;
상기 기판 수단에 배치되어 상기 개질 부와 일산화 탄소 제거 부를 각각 다 른 온도로 가열시키는 가열 수단;Heating means disposed in the substrate means for heating the reforming portion and the carbon monoxide removing portion to different temperatures;
상기 기판 수단의 일측에는 연료 유입구에 연결되는 채널이 형성되고, 상기 채널에는 탄화수소 연료를 수소 기체로 개질시키는 촉매 수단이 코팅된 개질 부;A channel connected to a fuel inlet is formed at one side of the substrate means, and the channel includes a reforming unit coated with catalytic means for reforming a hydrocarbon fuel with hydrogen gas;
상기 개질 부의 채널에 연이어서 수소 배출구에 연통되는 채널이 구비되고, 상기 채널 내에는 상기 개질 부에서 생성된 CO 가스를 제거시키는 촉매 수단이 코팅된 일산화 탄소 제거 부(PROX); 및A carbon monoxide removal unit (PROX) having a channel connected to the hydrogen outlet and connected to the channel of the reforming unit, the catalyst unit coated with catalyst means for removing CO gas generated in the reforming unit; And
상기 기판 수단의 상,하부 면을 덮는 커버 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 소형 개질 기를 제공한다. It provides a thin film-type small reformer comprising a; cover means for covering the upper, lower surfaces of the substrate means.
그리고, 본 발명은 탄화수소계 액체연료를 사용하여 수소를 생산하는 연료전지용 개질 기의 제조방법에 있어서,In addition, the present invention is a method for producing a reformer for a fuel cell that produces hydrogen using a hydrocarbon-based liquid fuel,
실리콘 웨이퍼로 이루어지고 내부에 채널을 형성한 기판 수단을 제공하는 단계;Providing a substrate means consisting of a silicon wafer and having channels formed therein;
상기 기판 수단에 상기 개질 부와 일산화 탄소 제거 부를 각각 다른 온도로 가열시키기 위한 가열 수단을 제공하는 단계; Providing heating means for heating the reforming portion and the carbon monoxide removing portion to the substrate means at different temperatures;
상기 기판 수단의 일측에는 탄화수소 연료를 수소 기체로 개질시키는 촉매 수단이 코팅된 개질 부를 제공하는 단계;Providing at one side of the substrate means a reforming portion coated with catalytic means for reforming a hydrocarbon fuel with hydrogen gas;
상기 개질 부의 채널에 연이어서 상기 개질 부에서 생성된 CO 가스를 제거시키는 촉매 수단이 코팅된 일산화 탄소 제거 부(PROX)를 형성하는 단계; 및Forming a carbon monoxide removal portion (PROX) coated with catalyst means subsequent to the channel of the reforming portion to remove CO gas generated in the reforming portion; And
상기 개질 부, 일산화 탄소 제거 부 및 가열 수단 등을 외부와 격리시키기 위하여 상기 기판 수단 상의 상,하부 면을 덮는 커버 수단을 제공하는 단계;를 포 함하는 것을 특징으로 하는 박막형 소형 개질 기의 제조방법을 제공한다. Providing a cover means for covering the upper and lower surfaces on the substrate means in order to isolate the reforming part, the carbon monoxide removing part, and the heating means from the outside. To provide.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기(1)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 탄화수소계 액체연료를 사용하여 수소를 생산하게 된다.The thin film
본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기(1)는 실리콘 웨이퍼로 이루어지고 내부에 채널을 형성한 기판 수단(10)을 갖는다.The thin film type
본 발명은 이러한 실리콘 웨이퍼로 이루어진 하나의 기판 수단(10) 상에 개질 부(30)와 일산화탄소 제거 부(PROX: Preferential Oxidation)(60)를 일체화시켜 소형화한 것이다. The present invention is miniaturized by integrating a reforming
상기 기판 수단(10)은 그 표면에 식각을 통하여 연료가 흘러가는 마이크로 채널(C)을 구비하며, 상기 채널(C)은 도 6에 도시된 바와 같이, 폭 (1000~100)㎛ × 깊이 (500~200)㎛ 등으로 다양하게 변화할 수 있는 크기를 갖는다.The substrate means 10 has a micro channel (C) through which the fuel flows through the surface of the substrate means 10, the channel (C) is a width (1000 ~ 100) ㎛ × depth ( It has a size that can be changed in various ways, such as 500 ~ 200) ㎛.
그리고, 상기 기판 수단(10)은 도 7a),b),c)에 도시된 바와 같이, 다양한 형태의 채널(C)을 구비할 수 있으며, 상기 채널(C)에는 이후에 설명되는 바와 같이, 일측에는 연료 유입구(102)가 연통 되고, 타측에는 수소 배출구(106)가 형성되는 구조이다.In addition, the substrate means 10 may be provided with various types of channels C, as shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C, which will be described later. The
그리고, 상기 개질 부(30)는 기판 수단(10)의 일측 채널(C)에 형성되고 상기 채널(C)의 일측은 연료 유입구(102)에 연결되며, 상기 채널(C)에는 탄화수소 연료를 수소 기체로 개질시키는 촉매 수단(32)이 코팅된 구조이다. 상기 개질 부(30)에서 연료를 수증기 개질, 부분 산화, 자열 반응(autothermal reaction) 등의 촉매반 응에 의해 액체 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환하게 되며, 상기 개질 부(30)의 촉매 수단(32)으로서는 Cu/ZnO 또는 Cu/ZnO/Al2O3가 사용되며, 이때 증착 방법은 RF 스퍼터를 이용하여 증착하거나 분말 상태를 담지 하는 방법을 이용할 수 있다. In addition, the reforming
또한, 상기 개질 부(30)의 채널(C)에 연이어서 일산화 탄소 제거 부(PROX)(60)가 형성되는바, 상기 일산화 탄소 제거 부(PROX)(60)는 개질 부(30)의 채널(C)에 연이은 채널(C)이 구비되고, 상기 채널(C)은 수소 배출구(106)에 연결되며, 상기 채널(C) 내에는 상기 개질 부(30)에서 생성된 CO 가스를 제거시키는 촉매 수단(62)이 코팅된 구조이다.In addition, the carbon monoxide removal unit (PROX) 60 is formed after the channel C of the reforming
이러한 일산화탄소 제거 부(60)에서는 수성 전환과 선택적 산화 방법과 같은 촉매 반응을 이용하여 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다. 이와 같은 일산화탄소 제거 부(60)에서 사용되는 촉매 수단(62)은 바람직하게는 Pt, Pt/Ru, Cu/CeO/Al2O3 중의 어느 하나이다. The carbon
한편, 상기 기판 수단(10)은 그 배면 측에, 즉 개질 부(30)와 일산화탄소 제거 부(60)가 형성되는 채널(C) 형성 면의 반대 면에는 이후에 설명되는 가열 수단(80)이 배치된다. On the other hand, the substrate means 10 has a heating means 80 which will be described later on the back side thereof, that is, on the opposite side of the channel C forming surface on which the reforming
상기 가열 수단(80)은 바람직하게는 상기 기판 수단(10)의 배면에서 상기 기판 수단(10)의 앞면 채널(C)과 동일한 궤적을 이루도록 형성된 오목 홈(82) 내에 형성되는 데, 상기 기판 수단(10)은 채널(C)과 오목 홈(82)의 형성 후 남은 두께가 수십㎛~수백㎛으로 유지된다. 이와 같이 오목 홈(82)을 형성함으로써 상기 가열 수단(80)에 의한 열이 개질 부(30)와 일산화탄소 제거 부(60)로 전달되는 경로를 단축시켜 가열 효과를 극대화한다. The heating means 80 is preferably formed in a
그리고, 상기 기판 수단(10)의 표면에는 Si3N4층(84) 과 SiO2 층(86)이 증착되고, 상기 채널(C)과 오목 홈(82)에는 가열 수단(80) 때문에 발생 되는 전기적 통전 등을 방지하고, 연료가 흘러가는 유로 채널(C) 내에 촉매가 잘 증착 또는 부착되도록 SiO2 층(86)이 증착된다.The Si 3 N 4 layer 84 and the SiO 2 layer 86 are deposited on the surface of the substrate means 10, and the heating means 80 is generated in the channel C and the recessed
상기 가열 수단(80)은 상기 기판 수단(10)의 하부 측에 배치되어 상기 기판 수단(10)을 통하여 상기 개질 부(30)와 일산화 탄소 제거 부(60)를 각각 다른 온도로 가열시키는 것이다. 상기 가열 수단(80)은 산화방지를 위해 SiO2 층(86)상에 증착되는 Ta/Al 또는 Pt등의 전극(88)으로 이루어진다.The heating means 80 is disposed on the lower side of the substrate means 10 to heat the reforming
이와 같은 가열 수단(80)은 개질 부(30)와 일산화 탄소 제거 부(60)에 각각 다른 온도를 가열시키기 위하여 개질 부(30)와 일산화 탄소 제거 부(60)에 형성되는 전극(88)의 두께가 다르게 형성될 수 있다. 이와 같이 형성하여 개질 부(30)와 일산화 탄소 제거 부(60)에 가해지는 열량이 다르게 되도록 설계할 수 있고, 이 가열 수단(80)은 기판 수단(10)의 하면에 형성됨으로써 상기 개질 부(30)와 일산화 탄소 제거 부(60)의 촉매 수단(32)(62)들이 상기 가열 수단(80)에 의한 직접적인 열에 의해 산화되는 현상과 액체 연료가 직접 가열 수단(80)에 접촉하는 것을 방지할 수 있는 것이다.The heating means 80 is formed of the
그리고, 본 발명은 상기 기판 수단(10)의 상,하부 면을 덮는 커버 수단(100)을 포함한다. 상기 커버 수단(100)은 파이렉스(Pyrex) 등의 유리기판 재료로 이루어지는 것으로서, 상기 기판 수단(10)의 상,하면에 접합 되어 개질 부(30), 일산화 탄소 제거 부(60) 및 가열 수단(80) 등을 외부와 격리 및 단열시킨다. In addition, the present invention includes a cover means 100 for covering the upper and lower surfaces of the substrate means 10. The cover means 100 is made of a glass substrate material such as Pyrex, and is bonded to the upper and lower surfaces of the substrate means 10 to modify the
한편, 상기 커버 수단(100)의 일측으로는 연료 유입구(102)와 공기 유입구(104) 및 수소 배출구(106)가 형성된다. 상기 연료 유입구(102)는 별도로 마련된 액체 연료 공급 펌프(미도시) 등에 연결되어 액체 연료를 받고, 공기 유입구(104)는 별도의 공기 공급펌프(미도시)에 연결되어 공기 중의 산소를 공급받을 수 있다. Meanwhile, the
또한, 본 발명의 박막형 소형 개질 기(1)는 상기 하부 커버 수단(100)의 하면에 회로기판으로 이루어지는 제어 회로 부(120)가 배치되는바, 이는 상기 하부 커버 수단(100)에 본딩등으로 일체로 접합 연결된다. In addition, in the thin film type
그리고, 상기 제어 회로 부(120)는 일측에 충전지등으로 이루어지는 전원 공급 부(140)를 구비하는바, 상기 전원 공급 부(140)는 본 발명의 개질 기(1)가 장착되는 연료전지(미도시)의 초기 구동시에 상기 액체 연료 공급 펌프와 공기 공급 펌프 및 가열 수단(80) 등을 동작시키기 위한 것이다. In addition, the
따라서, 상기 전원 공급 부(140)는 상기 제어 회로 부(120)를 통하여 이들 액체 연료 공급 펌프와 공기 공급 펌프 및 가열 수단(80)의 전극(88) 등에 전기적으로 연결된 것이고, 상기 제어 회로 부(120)는 이와 같이 전원 공급 부(140)에서 상기 액체 연료 공급 펌프와 공기 공급 펌프 및 가열 수단(80)의 전극(88)으로 공급되는 전류를 적절하게 배분 및 제어하는 것이다. Accordingly, the
또한, 상기 전원 공급 부(140) 와 상기 제어 회로 부(120)는 본 발명의 개질 기(1)가 장착되는 연료 전지의 초기 구동시에는 상기 액체 연료 공급 펌프와 공기 공급 펌프 및 가열 수단(80)을 동작시키지만, 상기 연료 전지가 전류를 생산하게 되면, 그 중 일부를 다시 전원 공급 부(140)에 저장하여 필요한 경우 재사용하도록 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 상기 전원 공급 부(140) 와 상기 제어 회로 부(120)는 연료 전지의 특성상 갑작스런 고출력이 필요한 경우, 상기 전원 공급 부(140)로부터 먼저 전원을 인출하여 사용할 수 있도록 전기적으로 연결되는 것이다. In addition, the
이하, 본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기의 제조 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, the manufacturing method of the thin film type | mold small reformer which concerns on this invention is demonstrated.
본 발명에 따른 박막형 소형 개질 기의 제조 방법은 먼저, 실리콘 웨이퍼로 이루어지고 내부에 채널(C)을 형성한 기판 수단(10)을 제공하는 단계가 이루어진다.In the method of manufacturing a thin film type small reformer according to the present invention, first, a step of providing a substrate means 10 made of a silicon wafer and having a channel C formed therein is performed.
이는 도 8a)에 도시된 바와 같이, 기판 수단(10)을 이루는 실리콘 웨이퍼의 양면을 면 처리(Polishing) 하고 여기에는 Si3N4층(84)을 증착시킨다. 이때에는 저압화학 증착 장비(LPCVD), 또는 플라즈마 화학 증착 장치(PECVD)를 이용하여 증착한다.This polishes both sides of the silicon wafer constituting the substrate means 10 and deposits a Si 3 N 4 layer 84, as shown in FIG. 8A). In this case, deposition is performed using a low pressure chemical vapor deposition apparatus (LPCVD) or a plasma chemical vapor deposition apparatus (PECVD).
그리고, 도 8b)에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 포토 레지스터(photo resister)(13)를 코팅한 후, 마스크 #1을 가지고 포토리소그래프 처리(Photolithography)를 한다. And, as shown in Figure 8b), after the photo resist (photo resister) 13 is coated on the back side of the silicon wafer, the
또한, 도 8c)에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 뒷면에는 Si3N4층(84)을 습식 에칭 또는 건식 에칭하고, 도 8d)에 도시된 바와 같이, KOH 또는 TMAH((Tetramethyl ammonium hydroxide) 등의 용액을 이용하여 습식 식각 처리를 하여 이후에 설명되는 가열 수단(80)이 부착되는 오목 홈(82)을 형성한다.In addition, as shown in FIG. 8C), the Si 3 N 4 layer 84 is wet etched or dry etched on the back side of the silicon wafer, and as shown in FIG. 8D, KOH or TMAH ((Tetramethyl ammonium hydroxide) The wet etching treatment is performed using a solution such as the above to form a
그리고, 도 8e)에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 앞면에는 포토 레지스터(15)를 코팅한 후, 마스크 #2의 포토리소그래프 처리(Photolithography)를 한다. As shown in FIG. 8E), the
또한, 도 8f)에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 웨이퍼의 앞면에는 채널(C)을 형성하기 위해 ICP-RIE를 이용한 식각 처리를 한다. In addition, as shown in FIG. 8F), the front surface of the silicon wafer is etched using ICP-RIE to form a channel (C).
그리고, 도 8g)에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 웨이퍼의 양면에는 가열 수단(80)의 전극(88)이 실리콘 웨이퍼와 통전되는 것을 방지하기 위해서 SiO2층(86)을 열 산화공정(Thermal Oxidation)으로 대략 1㎛의 두께로 증착한다.As shown in FIG. 8G), the SiO 2 layer 86 is thermally oxidized on both surfaces of the silicon wafer to prevent the
또한, 본 발명은 다음으로 상기 기판 수단(10)의 하부 측에 상기 개질 부(30)와 일산화 탄소 제거 부(60)를 각각 다른 온도로 가열시키기 위한 가열 수단(80)을 제공하는 단계가 이루어진다. 이는 도 8h),i)에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 웨이퍼의 오목 홈(82) 내에 가열 수단(80)의 전극(88) 형성을 위해 포토 레지스터(17) 코팅을 하고, 상기 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 전극 마스크 #3을 이용하여 포토리소그래프 처리를 한다. In addition, the present invention is the step of providing a heating means 80 for heating the reforming
그리고, 도 8j)에 도시된 바와 같이, 상기 오목 홈(82)에는 SiO2층(86)상에 Ta/Al 또는 Pt등의 전극(88)을 스퍼터링으로 증착한다. 또한 리프트 오프(lift-off) 방식으로 불필요한 전극(88)의 일부분과 포토 레지스터(17) 등을 함께 제거한 다. 이와 같이 하여 상기 실리콘 웨이퍼의 뒷면 오목 홈(82)에는 가열 수단(80)의 전극(88)이 형성되는 것이다.As shown in FIG. 8J), the
다음으로, 본 발명은 상기 기판 수단(10)의 일측에 탄화수소 연료를 수소(H2) 기체로 개질시키는 촉매 수단(32)이 코팅된 개질 부(30)를 제공하는 단계가 이루어진다.Next, the present invention is a step of providing a reforming
이 단계는 상기 개질 부(30)의 촉매 형성을 위해 도 8k),l)에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 웨이퍼의 앞면에 포토 레지스터(19) 코팅을 하고, 촉매 형성 마스크 #4를 이용하여 포토리소그래프 처리를 한 후, 상기 개질 부(30)의 채널(C) 내 SiO2 층(86)에 촉매 수단(32)을 증착 또는 도포한다.This step is a
이와 같은 경우, 상기 개질 부(30)의 촉매 수단(32)으로는 Cu/ZnO 또는 Cu/ZnO/Al2O3가 사용되며, 이때 증착 방법은 RF 스퍼터를 이용하여 증착하거나 분말 상태를 담지 하는 방법을 이용할 수 있다. 그리고, 나머지 불필요한 촉매 수단(32)과 포토 레지스터(19)는 함께 리프트 오프(lift-off) 방법을 사용하여 제거한다.In such a case, Cu / ZnO or Cu / ZnO / Al 2 O 3 is used as the catalyst means 32 of the reforming
그 다음으로 본 발명은 상기 개질 부(30)의 채널(C)에 연이어서 상기 개질 부(30)에서 생성된 CO 가스를 제거시키는 촉매 수단(62)이 코팅된 일산화 탄소 제거 부(PROX)(60)를 형성하는 단계가 이루어진다. Next, the present invention provides a carbon monoxide removal unit (PROX) coated with catalyst means 62 which is connected to the channel C of the reforming
이 단계에서는 상기 일산화 탄소 제거 부(PROX: Preferential Oxidation)(60)의 형성을 위해 도 9a)에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 앞면에 포토 레지스터(21)를 코팅한 후, 마스크 #5를 이용하여 포토리소그래프 처리를 한다. In this step, the
또한, 도 9b)에 도시된 바와 같이, 상기 일산화 탄소 제거 부(60)의 채널(C) 내에 촉매 수단(62)을 코팅하거나 도포하여 형성시키고, 나머지 부분은 리프트 오프(lift-off) 방식을 사용하여 포토 레지스터(21)를 제거한다. In addition, as shown in Figure 9b), the catalyst means 62 is formed in the channel (C) of the carbon
상기 일산화탄소 제거 부(60)에서 사용되는 촉매 수단(62)은 바람직하게는 Pt, Pt/Ru, Cu/CeO/Al2O3 중의 어느 하나이다.Catalytic means 62 used in the carbon
그리고, 마지막으로 본 발명은 상기 개질 부(30), 일산화 탄소 제거 부(60) 및 가열 수단(80) 등을 외부와 격리시키기 위하여 상기 기판 수단(10) 상의 상,하부 면을 덮는 커버 수단(100)을 제공하는 단계가 이루어진다. And finally, the present invention is a cover means for covering the upper and lower surfaces on the substrate means 10 in order to isolate the reforming
이러한 단계에서 상기 커버 수단(100)은 파이렉스(pyrex)로 이루어지며, 상기 실리콘 웨이퍼의 양면에 파이렉스(pyrex)가 본딩 결합 되어 개질 부(30), 일산화 탄소 제거 부(60) 및 가열 수단(80) 등을 외부와 격리 및 단열시킨다. 상기 실리콘 웨이퍼의 앞면 파이렉스, 즉 개질 부(30)와 일산화탄소 제거 부(60)의 채널(C) 측에 결합 되는 앞면 파이렉스는 연료 유입구(102)와 공기 유입구(104) 및 수소 배출구(106)가 형성된 것이다. 그러므로 상기 개질 부(30)의 채널(C)은 연료 유입구(102)에 연결되고, 상기 일산화 탄소 제거 부(60)의 채널(C)은 수소 배출구(106)에 연결되도록 배치되는 것이다. In this step, the cover means 100 is made of pyrex (pyrex), the pyrex (pyrex) is bonded to both sides of the silicon wafer by the modified
상기와 같이 제조되면, 상기 가열 수단(80)의 전극(88)은 상기 전원 공급 부(140)에 전기적으로 연결되고, 연료 유입구(102)는 액체 연료 공급 펌프(미도시)에 연결되어 액체 연료를 받고, 공기 유입구(104)는 별도의 공기 공급펌프(미도시)에 연결된다. 또한, 상기 수소 배출구(106)는 연료 전지에서 전류를 발생시키는 스택 부(미도시)에 연결되어 수소 기체를 제공하게 된다. When manufactured as described above, the
상기와 같은 본 발명의 박막형 소형 개질 기는 연료 유입구(102)를 통하여 메탄올이나 디메틸 에테르(dimethyl-ether : DME) 등의 연료가 공급되면, 이는 개질 부(30)를 통과하면서 가열 수단(80)을 통하여 가열되고, 촉매 수단(32)에 의해서 수소와 일산화 탄소 등의 혼합 기체상태로 변환된다. When the thin film type reformer of the present invention as described above is supplied with fuel such as methanol or dimethyl ether (dimethyl-ether (DME)) through the
이와 같은 수소와 일산화 탄소 등의 혼합 기체는 개질 부(30)에 뒤이어서 배치되는 일산화 탄소 제거 부(60)를 통과하면서, 가열되어 일산화 탄소는 공기 유입구(104)로부터 제공되는 공기 중의 산소와 반응하여 이산화 탄소로 바뀌어 제거되며, 수소 배출구(106)를 통하여 수소를 연료전지의 스택 부로 제공하는 것이다. The mixed gas such as hydrogen and carbon monoxide passes through the carbon
상기와 같이 본 발명에 의하면, 실리콘 웨이퍼로 이루어진 기판 수단(10)을 사용하여 내부에 깊고 넓은 채널(C)을 형성함으로써 소형이면서도 고성능의 개질 기를 얻을 수 있다.According to the present invention as described above, by using the substrate means 10 made of a silicon wafer to form a deep and wide channel (C) therein, it is possible to obtain a compact and high-performance reformer.
그리고, 마이크로 연료전지에 일체형으로 만들 수 있고, 연료로서 메탄올이나 디메틸 에테르(dimethyl-ether : DME) 등의 다양한 연료의 사용이 가능하여 휴대용기기의 전원 출력밀도를 높일 수 있는 효과가 얻어진다. In addition, the micro fuel cell can be integrated into one body, and various fuels such as methanol and dimethyl ether (DME) can be used as fuels, thereby increasing the power output density of a portable device.
또한, 본 발명은 가열 수단(80)의 전극(88)을 실리콘 웨이퍼의 아래 오목 홈(82)에 배치하여 개질 부(30)와 일산화 탄소 제거 부(60)의 마이크로 채널(C) 면적 을 원하는 데로 넓게 형성할 수 있고, 그에 따라 수소 출력밀도도 높일 수 있다.In addition, the present invention arranges the
뿐만 아니라, 개질 부(30)와 일산화 탄소 제거 부(60)의 채널(C) 길이 만큼 여러 형태의 온도를 나타내는 다양한 두께의 가열 수단(80)의 전극(88)을 만들어 다양한 연료 반응을 측정하고, 최적의 높은 전원 출력효율을 나타내는 개질 기를 얻을 수 있는 것이다. In addition, the
상기에서 본 발명은 특정한 실시 예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그렇지만 이러한 수정 및 변형 구조들은 모두 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것 임을 분명하게 밝혀두고자 한다. While the invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, those skilled in the art can variously modify the invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. And that it can be changed. Nevertheless, it will be clearly understood that all such modifications and variations are included within the scope of the present invention.
Claims (13)
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