KR101397524B1 - Power supply apparatus combining flexible fuel cell and flexible battery and method of fabricating thereof - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지를 결합하여, 배터리와 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 명세서의 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치는, 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 캐소드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 제1 캐소드; 상기 제1 캐소드 상부에 형성되는 플렉서블 리튬 이온 배터리; 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리 상부에 형성되며, 수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 애노드용 구조체와 상기 애노드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 애노드; 상기 애노드 상부에 형성되는 막전극 조립체; 및 상기 막전극 조립체 상부에 형성되며, 공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 제2 캐소드;를 포함한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power supply unit combining a flexible fuel cell and a battery that can improve the performance of a battery and a fuel cell by combining a flexible battery and a flexible fuel cell, and a method of manufacturing the same. To this end, a power supply device combining a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention includes a first cathode including a cathode structure for a polymer material and a current collector made of a metal layer deposited on the cathode structure; A flexible lithium ion battery formed on the first cathode; An anode formed on the flexible lithium ion battery, the anode comprising a structure for an anode of a polymer material formed with a hydrogen flow channel and a collector formed of a metal layer deposited on the anode structure; A membrane electrode assembly formed on the anode; And a second cathode formed on the membrane electrode assembly, the cathode structure comprising a polymer material having an air flow channel including air holes and a metal layer deposited on the structure.
Description
본 명세서는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지를 결합하여, 배터리와 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flexible fuel cell and a battery, and more particularly to a flexible fuel cell and a battery capable of improving performance of a battery and a fuel cell by combining a flexible battery and a flexible fuel cell. And a method of manufacturing the same.
일반적으로, 전원 공급 장치는 다양한 휴대용 디바이스에 전원을 공급하는 장치이다.Generally, a power supply is a device that supplies power to various portable devices.
이러한 전원 공급 장치에 포함되는 플렉서블 배터리의 경우에는, 변형이 극대화될수록 성능이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 플렉서블 연료 전지의 경우에는, 변형이 진행될수록 성능이 증대되는 특징이 있다.In the case of a flexible battery included in such a power supply device, there is a problem that the performance becomes worse as the deformation is maximized. Further, in the case of a flexible fuel cell, performance is improved as deformation progresses.
또한, 플렉서블 연료 전지의 경우에는, 초기 상태(또는, 변형이 없는 상태)에서는 낮은 성능을 가지는 문제점이 있다.
Further, in the case of a flexible fuel cell, there is a problem that it has low performance in an initial state (or a state without deformation).
본 명세서의 목적은, 휴대용 디바이스에 전원을 공급하기 위해 사용되는 플렉서블 연료 전지에 대해, 초기 시동 또는 갑작스러운 전력 소모에 대응하기 위해서 상기 플렉서블 연료 전지를 플렉서블 배터리와 결합하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a flexible fuel cell used for supplying power to a portable device and a flexible fuel cell that combines the flexible fuel cell with a flexible battery to cope with an initial start or sudden power consumption, And a method of manufacturing the same.
또한, 본 명세서의 다른 목적은, 변형이 극대화될수록 성능이 떨어지는 플렉서블 배터리의 특성과 변형이 극대화될수록 성능이 증대(또는, 향상)되는 플렉서블 연료 전지를 결합하여, 플렉서블 배터리와 연료 전지의 상호 단점을 보완할 수 있는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a flexible fuel cell which combines a flexible fuel cell in which the performance is improved (or improved) as the characteristics and deformation of the flexible battery become worse as the deformation is maximized, A flexible fuel cell and a battery which can complement each other, and a method of manufacturing the same.
또한, 본 명세서의 또 다른 목적은, 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지를 상호 결합하여, 초기 상태(또는, 변형이 없는 상태)에서 상기 플렉서블 연료 전지의 낮은 성능을 상기 플렉서블 배터리의 성능으로 일부 보완할 수 있는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
It is still another object of the present invention to provide a fuel cell capable of partially complementing the low performance of the flexible fuel cell with the performance of the flexible battery in an initial state (or a state without deformation) by combining the flexible battery and the flexible fuel cell A flexible fuel cell and a battery, and a method of manufacturing the same.
본 명세서의 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치는, 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 캐소드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 제1 캐소드; 상기 제1 캐소드 상부에 형성되는 플렉서블 리튬 이온 배터리; 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리 상부에 형성되며, 수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 애노드용 구조체와 상기 애노드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 애노드; 상기 애노드 상부에 형성되는 막전극 조립체; 및 상기 막전극 조립체 상부에 형성되며, 공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 제2 캐소드;를 포함할 수 있다.A power supply device combining a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention includes a first cathode including a cathode structure made of a polymer material and a current collector made of a metal layer deposited on the cathode structure; A flexible lithium ion battery formed on the first cathode; An anode formed on the flexible lithium ion battery, the anode comprising a structure for an anode of a polymer material formed with a hydrogen flow channel and a collector formed of a metal layer deposited on the anode structure; A membrane electrode assembly formed on the anode; And a second cathode formed on the membrane electrode assembly, the cathode structure comprising a polymer material having an air flow channel including air holes and a metal layer deposited on the structure.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제1 캐소드, 상기 애노드 및, 상기 제2 캐소드를 형성하는 상기 고분자 소재는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리비닐클로라이드(poly(vinylchloride)), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane)), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리부타디엔(polybutadiene) 및, 상기 요소들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.As one example related to the present specification, the polymer material forming the first cathode, the anode, and the second cathode may be selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, poly (vinylchloride), poly Polyurethane, polycarbonate, poly (dimethylsiloxane), polyurethane, polybutadiene, and mixtures of the above elements.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 캐소드용 구조체 또는 상기 애노드용 구조체는, 리프트-오프(lift-off) 공정, 사출 성형(Injection Molding) 공정 및, 압출 성형(Extrusion Molding) 공정 중 어느 하나의 공정을 통해 형성할 수 있다.As an example related to the present specification, the cathode structure or the anode structure may be formed by any one of a lift-off process, an injection molding process, and an extrusion molding process As shown in FIG.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 캐소드용 구조체 또는 상기 애노드용 구조체에 증착되는 상기 금속층으로 이루어진 집전체는, 박막 형태의 금속 호일 또는 금속 메쉬 형태로 형성할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the current collector made of the metal layer deposited on the cathode structure or the anode structure may be formed as a thin metal foil or a metal mesh.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리는, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 인광체 옥시나이트라이드(LiPON) 및, 리튬(Li)을 포함할 수 있다.As one example related to the present specification, the flexible lithium ion battery may include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium phosphorescent oxynitride (LiPON), and lithium (Li).
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 막전극 조립체는, 상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이에 개재되어 압착될 때, 상기 제1 캐소드, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리, 상기 애노드, 상기 막전극 조립체 및, 상기 제2 캐소드의 양쪽 말단을 구부려서 인장 응력(Tensile Stress) 및 압축 응력(Compressive Stress)이 가해진 상태에서 압착하여 형성할 수 있다.As one example related to the present specification, the membrane electrode assembly includes a first cathode, a flexible lithium ion battery, the anode, the membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly, when sandwiched and sandwiched between the anode and the second cathode. The cathode may be formed by bending both ends of the second cathode and compressing them in a state where a tensile stress and a compressive stress are applied.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 막전극 조립체는, 표면에 촉매층이 부착된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 막전극 조립체의 적어도 일 면에 가스 확산층(GDL)을 포함할 수 있다.As one example related to the present specification, the membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane having a catalyst layer on its surface, and may include a gas diffusion layer (GDL) on at least one surface of the membrane electrode assembly.
본 명세서의 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법은, 브리틀 미카 기판(brittle mica substrate) 상부에 플렉서블 리튬 이온 배터리를 형성하는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 인광체 옥시나이트라이드(LiPON) 및, 리튬(Li)을 순차적으로 증착하는 단계; 접착 테이프를 통해 상기 미카 기판을 물리적으로 박리한 후, 상기 박리된 미카 기판을 제거하는 단계; 상기 미카 기판이 제거된 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리를 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 캐소드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 제1 캐소드 상부에 형성하는 단계; 수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 애노드용 구조체와 상기 애노드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 애노드를 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리 상부에 형성하는 단계; 및 공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 제2 캐소드와, 상기 애노드 사이에 위치하는 막전극 조립체를 압착하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a power supply unit combining a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention includes a lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) forming a flexible lithium ion battery on a brittle mica substrate, (LiPON), and lithium (Li) sequentially on a substrate; Physically peeling the Mica substrate through the adhesive tape, and removing the peeled Mica substrate; Forming the flexible lithium ion battery from which the Mica substrate is removed on a first cathode including a cathode structure made of a polymer material and a current collector made of a metal layer deposited on the cathode structure; Forming an anode on the flexible lithium ion battery including an anode structure of a polymer material having a hydrogen flow channel formed therein and a current collector made of a metal layer deposited on the anode structure; And a second cathode formed of a polymer material cathode structure having formed thereon an air flow channel including an air hole and a metal layer deposited on the structure, and a membrane electrode assembly located between the anode have.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제2 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 막전극 조립체를 압착하는 단계는, 상기 제1 캐소드, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리, 상기 애노드, 상기 막전극 조립체 및, 상기 제2 캐소드의 양쪽 말단을 구부려서 인장 응력 및 압축 응력이 가해진 상태에서 압착하여 형성할 수 있다.In one embodiment of the present disclosure, the step of compressing the membrane electrode assembly positioned between the second cathode and the anode comprises compressing the first cathode, the flexible lithium ion battery, the anode, the membrane electrode assembly, 2 cathode can be formed by bending both ends of the cathode and pressing them under the application of tensile stress and compressive stress.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 공기 홀은, 사각형 형태, 직사각형 형태, 마름모 형태, 원 형태, 타원 형태 및, 다각형 형태 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
As an example related to the present specification, the air holes may be in the form of a rectangular shape, a rectangular shape, a rhombus shape, a circular shape, an elliptical shape, or a polygonal shape.
본 명세서의 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법은, 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지를 상호 결합함으로써, 일반적인 경우에는 플렉서블 연료 전지를 통해 휴대용 디바이스에 전원을 공급하고, 초기 시동 또는 갑작스러운 전력 소모가 필요한 경우에는 플렉서블 배터리 및/또는 연료 전지를 통해 상기 휴대용 디바이스에 전원을 공급하여 안정적인 전원 공급 운영을 수행할 수 있다.A power supply device and a method of manufacturing the same that combine a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention can supply power to a portable device through a flexible fuel cell in a general case by coupling the flexible battery and the flexible fuel cell, When initial startup or sudden power consumption is required, the portable device can be powered via a flexible battery and / or a fuel cell to perform stable power supply operation.
또한, 본 명세서의 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법은, 변형이 극대화될수록 성능이 떨어지는 플렉서블 배터리의 특성과 변형이 극대화될수록 성능이 증대(또는, 향상)되는 플렉서블 연료 전지를 결합함으로써, 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지의 상호 단점을 보완할 수 있다.In addition, the power supply apparatus and the method of manufacturing the same, which combine the flexible fuel cell and the battery according to the embodiment of the present invention, can improve (or improve) the performance as the characteristics and deformation of the flexible battery, By combining the flexible fuel cell, the mutual disadvantages of the flexible battery and the flexible fuel cell can be compensated.
또한, 본 명세서의 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치 및 그의 제조 방법은, 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지를 상호 결합함으로써, 초기 상태(또는, 변형이 없는 상태)에서 상기 플렉서블 연료 전지의 낮은 성능을 상기 플렉서블 배터리의 성능으로 일부 보완할 수 있다.
In addition, the power supply device combining the flexible fuel cell and the battery according to the embodiment of the present invention and the method of manufacturing the flexible power fuel cell and the method of manufacturing the flexible fuel cell according to the embodiment of the present invention can be realized by combining the flexible battery and the flexible fuel cell, The low performance of the battery can be partially compensated for by the performance of the flexible battery.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 구성을 나타낸 도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3 내지 도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법에 따른 단면도를 나타낸 도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view illustrating a configuration of a power supply apparatus incorporating a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a power supply unit combining a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a power supply unit incorporating a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It is noted that the technical terms used herein are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. It is also to be understood that the technical terms used herein are to be interpreted in a sense generally understood by a person skilled in the art to which the present invention belongs, Should not be construed to mean, or be interpreted in an excessively reduced sense. Further, when a technical term used herein is an erroneous technical term that does not accurately express the spirit of the present invention, it should be understood that technical terms that can be understood by a person skilled in the art are replaced. In addition, the general terms used in the present invention should be interpreted according to a predefined or prior context, and should not be construed as being excessively reduced.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Also, the singular forms "as used herein include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term "comprising" or "comprising" or the like should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the specification, Or may be further comprised of additional components or steps.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.Furthermore, terms including ordinals such as first, second, etc. used in this specification can be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or similar elements throughout the several views, and redundant description thereof will be omitted.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. It is to be noted that the accompanying drawings are only for the purpose of facilitating understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 구성을 나타낸 도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view illustrating a configuration of a power supply apparatus incorporating a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention;
도 1에 도시한 바와 같이, 전원 공급 장치(10)는, 제1 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane) : 이하 "PDMS"라 함)(100), 플렉서블 리튬 이온 배터리(200), 제2 PDMS(300), 막전극 조립체(MEA)(400) 및, 제3 PDMS(500)로 구성된다.1, the
상기 제1 PDMS(100), 상기 제2 PDMS(300) 및, 상기 제3 PDMS(500)는, 상기 PDMS 소재 이외에도 임의의 열경화성 고분자 또는 열가소성 고분자 등의 임의의 고분자 소재를 사용할 수도 있다. 여기서, 상기 고분자 소재는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리비닐클로라이드(poly(vinylchloride) : PVC), 폴리카보네이트(polycarbonate), 상기 PDMS, 폴리스티렌(polystyrene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리부타디엔(polybutadiene) 및, 상기 요소들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 이때, 상기 제1 PDMS(100), 상기 제2 PDMS(300) 및, 상기 제3 PDMS(500)는, 낮은 탄성계수값(Young's modulus)을 갖는 실리콘 엘라스토머로 구성한다. 이러한 상기 제1 PDMS(100), 상기 제2 PDMS(300) 및, 상기 제3 PDMS(500)는, 임의의 엔드플레이트에 적용되는 폴리카보네이트(2.4 GPa), 그래파이트(10 GPa) 및, 스테인리스(190 GPa) 등에 비해서, 플렉서블 특성(또는, 연성 특성)이 매우 우수한 약 360~870 KPa의 플렉서블 특성이 있다.The first PDMS 100, the second PDMS 300, and the third PDMS 500 may use any polymer material such as a thermosetting polymer or a thermoplastic polymer in addition to the PDMS material. Here, the polymer material may be at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride (PVC), polycarbonate, PDMS, polystyrene, polyurethane, poly Polybutadiene, and mixtures of the above elements. At this time, the first PDMS 100, the second PDMS 300, and the third PDMS 500 are made of a silicone elastomer having a low Young's modulus. The first PDMS 100, the second PDMS 300 and the third PDMS 500 may be formed of polycarbonate (2.4 GPa), graphite (10 GPa), and stainless steel 190 GPa) and the flexible characteristic of about 360 to 870 KPa, which is excellent in the flexible characteristic (or the ductility characteristic).
또한, 상기 제1 PDMS(100)는, 상기 고분자 소재의 상기 제1 PDMS(100)에 대응하는 구조체(또는, 엔드플레이트 구조체)와, 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 캐소드(또는, 제1 캐소드)를 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 집전체는, 제1 전극을 형성하며, 상기 제1 전극은 캐소드 전극일 수 있다.In addition, the
또한, 상기 구조체(캐소드용 또는 애노드용 구조체)는, 주형(mold)인 스테인리스 강 기판에 고분자 소재를 코팅한 후, 리프트-오프(lift-off) 공정을 통해, 상기 기판을 제거하여 상기 구조체를 형성할 수도 있고, 사출 성형(Injection Molding) 또는 압출 성형(Extrusion Molding) 공정을 통해 형성할 수도 있다.Further, the structure (cathode or anode structure) may be formed by coating a polymer material on a stainless steel substrate, which is a mold, and removing the substrate through a lift-off process, Or may be formed through an injection molding process or an extrusion molding process.
또한, 상기 집전체는, 상기 구조체 상에 박막으로 직접 증착되는 상기 금속층으로 구성한다. 즉, 상기 집전체는, 금속 호일(metal foil)로 형성한다. 이때, 상기 금속층은, 제1 금속층 및, 제2 금속층을 포함한다. 또한, 상기 금속층은, 필름(또는, 금속성 필름) 형태일 수 있다.The current collector is formed of the metal layer directly deposited as a thin film on the structure. That is, the current collector is formed of a metal foil. At this time, the metal layer includes a first metal layer and a second metal layer. In addition, the metal layer may be in the form of a film (or a metallic film).
또한, 상기 집전체는, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층이 상기 구조체 상에 순차적으로 스퍼터링 방법으로 증착되어 형성된다. 이때, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은, 각각 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 플래티늄(Pt), 크롬(Cr), 철(Fe), 망간(Mn), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 란탄(La), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn), 주석(Sn), 탄소(C) 및, 텅스텐(W) 중에서 하나 이상 선택되는 금속 또는 상기 구성 요소의 금속 산화물로 형성한다. 여기서, 바람직하게는 상기 제1 금속층을 형성하는 금속은 Ni일 수 있고, 상기 제2 금속층을 형성하는 금속은 Au일 수 있다.Also, the current collector is formed by sequentially depositing the first metal layer and the second metal layer on the structure by a sputtering method. At this time, the first metal layer and the second metal layer may be formed of at least one selected from the group consisting of Ni, Au, Ag, Pl, Cr, Fe, Mn, (Al), titanium (Ti), lanthanum (La), magnesium (Mg), molybdenum (Mo), zinc (Zn), tin (Sn), carbon (C), and tungsten One or more selected metals or metal oxides of said elements. Preferably, the metal forming the first metal layer may be Ni, and the metal forming the second metal layer may be Au.
또한, 상기 금속층은, 상기 스퍼터링을 통한 박막이 아닌 금속 호일 형태 또는 금속 메쉬 형태일 수 있다. 이때, 상기 금속층이 금속 메쉬 형태일 경우, 상기 금속층의 메쉬 크기는, 10 ~ 250 메쉬(mesh)일 수 있다.The metal layer may be in the form of a metal foil or a metal mesh instead of the thin film through the sputtering. In this case, when the metal layer is a metal mesh, the mesh size of the metal layer may be 10 to 250 mesh.
또한, 상기 금속층에 포함된 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층의 두께는, 각각 10 ~ 5000 nm일 수 있다.The thicknesses of the first metal layer and the second metal layer included in the metal layer may be 10 to 5000 nm, respectively.
또한, 상기 구조체에 상기 제1 금속층 및 제2 금속층을 증착하기 이전에, 상기 구조체를 에탄올 용액에서 미리 설정된 시간 동안 초음파 처리하고, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층의 부착성을 향상시키기 위해서 상기 구조체의 표면을 샌드페이퍼로 처리한 후, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층을 상기 구조체에 증착할 수도 있다.In addition, before the first metal layer and the second metal layer are deposited on the structure, the structure is ultrasonicated in an ethanol solution for a predetermined time, and in order to improve the adhesion of the first metal layer and the second metal layer, The surface of the first metal layer and the second metal layer may be treated with sandpaper, and then the first metal layer and the second metal layer may be deposited on the structure.
여기서, 상기 구조체와 상기 금속층과 상기 집전체는, 상기 제1 PDMS(100)뿐만 아니라 이후에 설명되는 상기 제2 PDMS(300)와 상기 제3 PDMS(500)에서도 각각 형성되며, 동일한 방식 및 동일한 재료로 형성할 수 있다.Here, the structure, the metal layer, and the current collector are formed not only in the first PDMS 100 but also in the second PDMS 300 and the third PDMS 500 described later, Can be formed of a material.
상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(Flexible Lithium Ion Battery : Flexible LIB)(200)는, 상기 제1 PDMS(100) 상부에 형성한다.The Flexible Lithium Ion Battery (Flexible LIB) 200 is formed on the
또한, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200)는, 리튬 코발트 산화물(Lithium Cobalt Oxide : LiCoO2, 이하 "LiCoO2"라 함)(210), 리튬 인광체 옥시나이트라이드(Lithium Phosphorus Oxynitride : LiPON, 이하 "LiPON"이라 함)(220) 및, 리튬(Lithium : Li, 이하 "Li"라 함)(230)으로 구성된다.In addition, the flexible lithium-
또한, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200)에 포함된 상기 LiCoO2(210), LiPON(220) 및 Li(230)은, 순차적으로 증착되어 형성된다.The
상기 제2 PDMS(300)는, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200) 상부에 형성한다. 여기서, 상기 제2 PDMS(300)는, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200)의 기계적 안정성을 강화시킨다.The
또한, 상기 제2 PDMS(300)는, 상기 기재된 상기 제1 PDMS(100)와 같이, 임의의 고분자 소재를 사용할 수도 있다.In addition, the
또한, 상기 제2 PDMS(300)는, 상기 제2 PDMS(300)에 대응하는 구조체와, 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 애노드를 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 집전체는, 제2 전극을 형성하며, 상기 제2 전극은 애노드 전극일 수 있다. 이때, 상기 제2 PDMS(300)에 대응하는 구조체는, 수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재로 형성할 수 있다.In addition, the
또한, 상기 집전체는, 상기 구조체 상에 박막으로 직접 증착되는 상기 금속층으로 구성한다. 이때, 상기 금속층은, 제1 금속층 및, 제2 금속층을 포함한다.The current collector is formed of the metal layer directly deposited as a thin film on the structure. At this time, the metal layer includes a first metal layer and a second metal layer.
또한, 상기 애노드는 다음과 같은 공정에 의해 형성한다.Further, the anode is formed by the following process.
즉, 주형인 스테인리스 강 기판에 고분자 소재를 코팅한 후, 리프트-오프 공정을 통해, 상기 기판을 제거하여 상기 구조체를 형성한다. 이후, 상기 구조체에 스퍼터링 방법, 열 증발법(Thermal Evaporation), 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition) 및, 무전해 도금법(Electroless Plating) 중 어느 하나의 방법을 통해 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층을 순차적으로 증착하여, 상기 구조체와 상기 집전체를 포함하는 상기 애노드를 형성한다. 이때, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층이 금속 메쉬 형태일 경우, 메쉬 크기는 산소가 금속 메쉬를 통해서 확산되어 캐소드(또는, 이후 설명되는 제2 캐소드)에 도달하기 위한 한계 범위로서, 250 메쉬 크기를 초과할 경우 산소 가스의 투과가 어려워져 연료 전지의 성능이 저하되므로 10 ~ 250 메쉬일 수 있다. 이와 같이 형성된 상기 애노드는, 미리 설정된 폭, 깊이(또는, 높이) 및, 길이를 갖는 상기 수소 유동 채널을 포함한다.That is, after a polymer material is coated on a stainless steel substrate as a mold, the substrate is removed through a lift-off process to form the structure. Thereafter, the first metal layer and the second metal layer are formed on the structure by any one of a sputtering method, a thermal evaporation method, a chemical vapor deposition method, and an electroless plating method. And sequentially forming the anode including the structure and the current collector. In this case, when the first metal layer and the second metal layer are in the form of a metal mesh, the mesh size is a limit range for oxygen to diffuse through the metal mesh to reach the cathode (or a second cathode described later) If the size is exceeded, permeation of oxygen gas becomes difficult, and the performance of the fuel cell deteriorates, so that it may be 10 to 250 mesh. The anode thus formed includes the hydrogen flow channel having a preset width, depth (or height), and length.
또한, 상기 주형인 스테인리스 강 기판에 고분자 소재를 코팅한 후, 상기 리프트-오프 공정을 통해 상기 기판을 제거하여 상기 구조체를 형성하는 공정 대신에, 상기 구조체는, 사출 성형 또는 압출 성형 공정을 통해 형성할 수도 있다.In place of the step of coating the polymeric material on the stainless steel substrate as the template and then removing the substrate through the lift-off process to form the structure, the structure may be formed through an injection molding or extrusion molding process You may.
상기 막전극 조립체(Membrane Electrode Assembly : MEA)(400)는, 상기 제2 PDMS(300) 상부에 형성한다.The membrane electrode assembly (MEA) 400 is formed on the
또한, 상기 막전극 조립체(400)는, 상기 제2 PDMS(300)와 상기 제3 PDMS(500) 사이에 위치하며, 상기 제2 PDMS(300)와 상기 제3 PDMS(500) 사이에서 압착되어 형성한다.The
또한, 상기 막전극 조립체(400)는, 상기 제2 PDMS(300)(또는, 상기 애노드)와 상기 제3 PDMS(500)(또는, 제2 캐소드) 사이에 개재되어 압착될 때, 상기 제1 PDMS(100), 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200), 상기 제2 PDMS(300), 상기 막전극 조립체(400) 및, 상기 제3 PDMS(500)의 양쪽 말단을 구부려서 인장 응력(Tensile Stress)이 가해진 상태 및/또는 압축 응력(Compressive Stress)이 가해진 상태에서 압착하여 형성할 수도 있다.In addition, when the
이와 같이, 상기 막전극 조립체(400)가 플랫(flat) 형태가 아닌, 굽혀진 상태에서 압착하여 조립(또는, 형성)될 경우, 이후 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지가 굽혀진 조건에서도 플렉서블 배터리와 연료 전지의 중앙부와 양쪽 말단 쪽에서 고르게 압력이 가해지고, 이에 따라 중앙부에서 멀리 이격된 양쪽 말단에서도 향상된 전기적 접촉을 가능하게 하여 플렉서블 배터리와 연료 전지가 굽힘 조건에서도 우수한 성능을 발현할 수 있다.When the
또한, 상기 막전극 조립체(400)는, 표면에 촉매층(예를 들어, 약 0.4mg/㎠의 함량의 Pt 촉매 등 포함)이 밀접하게 부착된 고분자 전해질막(예를 들어, 폴리머 막(Nafion 212, DuPont) 등 포함)을 포함한다. 이때, 상기 막전극 조립체(400)는, 상기 막전극 조립체(400)의 적어도 일면에 형성되는 가스 확산층(Gas Diffusion Layers: GDLs)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 가스 확산층은, 약 420㎛ 두께를 갖는 SGL 10BC일 수 있다.In addition, the
또한, 상기 막전극 조립체(400)는, 상기 가스 확산층(또는, 기체 확산층)을 구비하지 않으면서 순수 촉매만이 코팅된 막전극 조립체일 수도 있다.In addition, the
상기 제3 PDMS(500)는, 상기 막전극 조립체(400) 상부에 형성한다.The
또한, 상기 제3 PDMS(500)는, 상기 기재된 상기 제1 PDMS(100)와 같이, 임의의 고분자 소재를 사용할 수도 있다.In addition, the
또한, 상기 제3 PDMS(500)는, 상기 기재된 상기 제1 PDMS(100)와 같이, 상기 제3 PDMS(500)에 대응하는 구조체와, 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 캐소드(또는, 제2 캐소드)를 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 집전체는, 제3 전극을 형성하며, 상기 제3 전극은 캐소드 전극일 수 있다. 이때, 상기 제3 PDMS(500)에 대응하는 구조체는, 공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널이 형성된 고분자 소재로 형성할 수 있다. 또한, 상기 공기 홀은, 사각형 형태, 직사각형 형태, 마름모 형태, 원 형태, 타원 형태 및, 다각형 형태 중 어느 하나의 형태로 상기 제3 PDMS(500)를 관통하여 형성한다. 또한, 상기 제3 PDMS(500)를 관통하여 형성되는 상기 공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널을 통해, 공기가 상기 막전극 조립체(400)에 전달된다.Also, the
또한, 상기 집전체는, 상기 구조체 상에 박막으로 직접 증착되는 상기 금속층으로 구성한다. 이때, 상기 금속층은, 제1 금속층 및, 제2 금속층을 포함한다.The current collector is formed of the metal layer directly deposited as a thin film on the structure. At this time, the metal layer includes a first metal layer and a second metal layer.
또한, 상기 캐소드는 다음과 같은 공정에 의해 형성한다.Further, the cathode is formed by the following process.
즉, 주형인 스테인리스 강 기판에 고분자 소재를 코팅한 후, 리프트-오프 공정을 통해, 상기 기판을 제거하여 상기 구조체를 형성한다. 이후, 상기 구조체에 스퍼터링 방법, 열 증발법, 화학적 기상 증착법 및, 무전해 도금법 중 어느 하나의 방법을 통해 제1 금속층 및 제2 금속층을 순차적으로 증착하여, 상기 구조체와 상기 집전체를 포함하는 상기 캐소드를 형성한다. 이때, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층이 금속 메쉬 형태일 경우, 메쉬 크기는 10 ~ 250 메쉬일 수 있다. 이와 같이 형성된 상기 캐소드는, 강제적인 공기 주입 및/또는 압축 시스템 없이 공기 중에 개방(예를 들어, 공기-호흡형)된다. 또한, 캐소드에서의 산소 환원 반응은, 활성화 전압손실(activation losss)에 있어서 심각한 손실을 야기하는 원인으로 알려져 있기 때문에, 개방 영역을 더 넓게 설정한다. 또한, 상기 개방 영역이 커질 경우 구조적인 안정성 문제가 야기될 수 있기 때문에, 상기 막전극 조립체(400)로 전달되는 고정력(clamping force)을 근거로(또는, 고려하여) 상기 개방 영역을 캐소드 전극 전체 면적 대비 30~50%로 설정할 수 있다.That is, after a polymer material is coated on a stainless steel substrate as a mold, the substrate is removed through a lift-off process to form the structure. Thereafter, a first metal layer and a second metal layer are sequentially deposited on the structure through any one of a sputtering method, a thermal evaporation method, a chemical vapor deposition method, and an electroless plating method to form the first metal layer and the second metal layer, Thereby forming a cathode. In this case, when the first metal layer and the second metal layer are in the form of a metal mesh, the mesh size may be 10 to 250 mesh. The cathode thus formed is open to the air (e.g., air-breathing) without a forced air injection and / or compression system. Also, since the oxygen reduction reaction at the cathode is known to cause a serious loss in activation loss, the open area is set to be wider. In addition, due to the structural stability problem when the open area is enlarged, the open area may be formed entirely on the basis of the clamping force transmitted to the
이하에서는, 본 명세서에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법을 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a power supply unit combining the flexible fuel cell and the battery according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5. FIG.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a power supply unit combining a flexible fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention.
먼저, 브리틀 미카 기판(brittle mica substrate)(또는, 미카 기판)(600) 상부에 LiCoO2(210), LiPON(220) 및, Li(230)을 순차적으로 증착한다. 여기서, 상기 LiCoO2(210), 상기 LiPON(220) 및, 상기 Li(230)는, 플렉서블 리튬 이온 배터리(Lithium Ion Battery : LIB)(200)를 형성한다.First,
일 예로, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 미카 기판(600) 상부에 상기 LiCoO2(210), 상기 LiPON(220) 및, 상기 Li(230)를 순차적으로 증착한다(S210).3, the
이후, 접착 테이프(sticky tape)를 사용하여, 상기 미카 기판(600)을 물리적 박리(physical delamination)한다.Then, the
여기서, 상기 미카 기판(600)을 형성하는 미카 물질은, 약한 층상 결정 구조(weak-layered crystalline structure)를 가진다. 따라서, 상기 미카 기판(600)은, 약한 박리력(peeling force)에 의해 쉽게 박막 시트들(thin sheets)로 박리될 수 있다. 또한, 상기 미카 기판(600)의 층들 간의 분자력(intermolecular force)은, 고온의 어닐링 공정(annealing process) 동안 약해진다. 그 결과, 상기 미카 기판(600)은, 박막 필름 리튬 이온 배터리를 손상하지 않은 채로, 상기 접착 테이프를 통해 쉽게 제거될 수 있다(S220).Here, the Mikaka material forming the
이후, 상기 미카 기판(600)이 제거된 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(또는, 리늄 이온 배터리)(200)를 제1 PDMS(100)(또는, 상기 제1 PDMS(100)에 대응하는 구조체와 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 캐소드(또는, 제1 캐소드)) 상부에 형성한다. 여기서, 상기 제1 PDMS(100)는, 고분자 소재의 구조체(또는, 엔드플레이트 구조체)일 수 있다. 또한, 상기 금속층은, 캐소드 전극일 수 있다.Then, the flexible lithium ion battery 200 (or the lithium ion battery) 200 from which the
또한, 상기 고분자 소재는, 열경화성 고분자, 열가소성 고분자 모두 가능하다. 즉, 상기 고분자 소재는, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카보네이트, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리부타디엔 및, 상기 요소들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 바람직하게는, 상기 고분자 소재는, PDMS일 수 있다.The polymer material may be either a thermosetting polymer or a thermoplastic polymer. That is, the polymer material may be selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride (PVC), polycarbonate, polydimethylsiloxane (PDMS), polystyrene, polyurethane, polybutadiene, have. Further, preferably, the polymer material may be PDMS.
일 예로, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제1 PDMS(100) 상부에 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200)를 형성한다. 이때, 상기 제1 PDMS(100)의 표면 접착성(surface bondability)은, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200)의 안정적인 정착(settlement)을 돕는다(S230).For example, as shown in FIG. 4, the flexible
이후, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200) 상부에 수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 구조체인 제2 PDMS(300)를 형성한다. 여기서, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200) 상부에 애노드를 형성할 수도 있다. 이때, 상기 애노드는, 상기 수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 구조체와, 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함한다.Then, a
일 예로, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200) 상부에 상기 수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 구조체인 제2 PDMS(300)를 형성한다(S240).For example, as shown in FIG. 5, a
이후, 상기 제2 PDMS(300)와 제3 PDMS(500) 사이에 막전극 조립체(MEA)(400)를 위치시킨 후, 압착하여 상기 도 1에 도시한 바와 같은, 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지가 결합한 전원 공급 장치(10)를 형성한다. 여기서, 상기 제3 PDMS(500)는, 공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 구조체일 수 있다. 또한, 상기 제3 PDMS(500) 대신에 캐소드(또는, 제2 캐소드)를 사용할 수도 있다. 이때, 상기 제2 캐소드는, 상기 공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 구조체와, 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함한다. 또한, 상기 공기 홀은, 사각형 형태, 직사각형 형태, 마름모 형태, 원 형태, 타원 형태 및, 다각형 형태 중 어느 하나의 형태로 상기 제3 PDMS(500)를 관통하여 형성한다.Then, a membrane electrode assembly (MEA) 400 is positioned between the
또한, 상기 막전극 조립체(400)가 상기 제2 PDMS(300)(또는, 상기 애노드)와 상기 제3 PDMS(500)(또는, 제2 캐소드) 사이에 개재되어 압착될 때, 상기 제1 PDMS(100), 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200), 상기 제2 PDMS(300), 상기 막전극 조립체(400) 및, 상기 제3 PDMS(500)의 양쪽 말단을 구부려서 인장 응력이 가해진 상태 및/또는 압축 응력이 가해진 상태에서 압착하여 형성할 수도 있다(S250).In addition, when the
상기 실시예에서는, 상기 제2 PDMS(300)를 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200) 상에 형성한 후, 상기 제2 PDMS(300)와 상기 제3 PDMS(500) 사이에 위치한 상기 막전극 조립체(400)를 압착하여 상기 전원 공급 장치(10)를 형성하는 것을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 제2 PDMS(300)와 상기 제3 PDMS(500) 사이에 위치한 상기 막전극 조립체(400)를 압착한 후, 상기 압착된 형태의 상기 제2 PDMS(300), 상기 막전극 조립체(400) 및, 상기 제3 PDMS(500)를 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리(200) 상부에 형성(또는, 접합)할 수도 있다.The
본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지를 상호 결합하여, 일반적인 경우에는 플렉서블 연료 전지를 통해 휴대용 디바이스에 전원을 공급하고, 초기 시동 또는 갑작스러운 전력 소모가 필요한 경우에는 플렉서블 배터리 및/또는 연료 전지를 통해 상기 휴대용 디바이스에 전원을 공급하여 안정적인 전원 공급 운영을 수행할 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, the flexible battery and the flexible fuel cell are coupled to each other to supply power to the portable device through the flexible fuel cell. In the case where initial startup or sudden power consumption is required, Power can be supplied to the portable device through a battery and / or a fuel cell to perform stable power supply operation.
또한, 본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 변형이 극대화될수록 성능이 떨어지는 플렉서블 배터리의 특성과 변형이 극대화될수록 성능이 증대(또는, 향상)되는 플렉서블 연료 전지를 결합하여, 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지의 상호 단점을 보완할 수 있다.As described above, the embodiment of the present invention combines a flexible fuel cell in which the performance is improved (or improved) as the characteristics and the deformation of the flexible battery become worse as the deformation is maximized, and the flexible battery and the flexible fuel The mutual disadvantages of the battery can be compensated.
또한, 본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 플렉서블 배터리와 플렉서블 연료 전지를 상호 결합하여, 초기 상태(또는, 변형이 없는 상태)에서 상기 플렉서블 연료 전지의 낮은 성능을 상기 플렉서블 배터리의 성능으로 일부 보완할 수 있다.
As described above, in the embodiment of the present invention, the flexible battery and the flexible fuel cell are coupled to each other so that the low performance of the flexible fuel cell in the initial state (or the state without deformation) Can be supplemented.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.
10: 전원 공급 장치 100: 제1 PDMS
200: 플렉서블 리튬 이온 배터리 300: 제2 PDMS
400: 막전극 조립체(MEA) 500: 제3 PDMS
600: 브리틀 미카 기판 210: LiCoO2
220: LiPON 230: Li10: Power supply 100: 1st PDMS
200: Flexible lithium ion battery 300: Second PDMS
400: membrane electrode assembly (MEA) 500: third PDMS
600: brittle mica substrate 210: LiCoO 2
220: LiPON 230: Li
Claims (11)
상기 제1 캐소드 상부에 형성되는 플렉서블 리튬 이온 배터리;
상기 플렉서블 리튬 이온 배터리 상부에 형성되며, 수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 애노드용 구조체와 상기 애노드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 애노드;
상기 애노드 상부에 형성되는 막전극 조립체; 및
상기 막전극 조립체 상부에 형성되며, 공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 제2 캐소드;를 포함하고,
상기 캐소드용 구조체 또는 상기 애노드용 구조체는,
리프트-오프(lift-off) 공정, 사출 성형(Injection Molding) 공정 및, 압출 성형(Extrusion Molding) 공정 중 어느 하나의 공정을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치.
A first cathode including a cathode structure made of a polymer material and a current collector made of a metal layer deposited on the cathode structure;
A flexible lithium ion battery formed on the first cathode;
An anode formed on the flexible lithium ion battery, the anode comprising a structure for an anode of a polymer material formed with a hydrogen flow channel and a collector formed of a metal layer deposited on the anode structure;
A membrane electrode assembly formed on the anode; And
And a second cathode formed on the membrane electrode assembly, the cathode structure comprising a polymeric cathode structure having air flow channels including air holes and a metal layer deposited on the structure,
The cathode structure or the anode structure may be formed,
Wherein the flexible fuel cell is formed through any one of a lift-off process, an injection molding process, and an extrusion molding process.
상기 제1 캐소드, 상기 애노드 및, 상기 제2 캐소드를 형성하는 상기 고분자 소재는,
폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리비닐클로라이드(poly(vinylchloride)), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane)), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리부타디엔(polybutadiene) 및, 상기 요소들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치.
The method according to claim 1,
The polymer material forming the first cathode, the anode,
(Meth) acrylate, polymethyl methacrylate, poly (vinylchloride), polycarbonate, poly (dimethylsiloxane), polyurethane, polybutadiene, And a mixture of the fuel cell and the fuel cell.
상기 캐소드용 구조체 또는 상기 애노드용 구조체에 증착되는 상기 금속층으로 이루어진 집전체는,
박막 형태의 금속 호일 또는 금속 메쉬 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치.
The method according to claim 1,
The current collector made of the metal layer deposited on the cathode structure or the anode structure,
Wherein the flexible fuel cell and the battery are formed in the form of a thin metal foil or a metal mesh.
상기 플렉서블 리튬 이온 배터리는,
리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 인광체 옥시나이트라이드(LiPON) 및, 리튬(Li)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치.
The method according to claim 1,
The flexible lithium ion battery includes:
Wherein the fuel cell comprises a lithium-cobalt oxide (LiCoO 2 ), a lithium phosphorus oxynitride (LiPON), and a lithium (Li).
상기 막전극 조립체는,
상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이에 개재되어 압착될 때, 상기 제1 캐소드, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리, 상기 애노드, 상기 막전극 조립체 및, 상기 제2 캐소드의 양쪽 말단을 구부려서 인장 응력(Tensile Stress) 및 압축 응력(Compressive Stress)이 가해진 상태에서 압착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치.
The method according to claim 1,
The membrane electrode assembly includes:
Wherein the first cathode, the flexible lithium ion battery, the anode, the membrane electrode assembly, and the second cathode are bent and tensile stress is applied between the anode and the second cathode, And a compressive stress (compressive stress) applied to the flexible fuel cell.
상기 막전극 조립체는,
표면에 촉매층이 부착된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 막전극 조립체의 적어도 일 면에 가스 확산층(GDL)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치.
The method according to claim 1,
The membrane electrode assembly includes:
And a polymer electrolyte membrane having a catalyst layer on a surface thereof, wherein the membrane electrode assembly includes a gas diffusion layer (GDL) on at least one surface of the membrane electrode assembly.
접착 테이프를 통해 상기 미카 기판을 물리적으로 박리한 후, 상기 박리된 미카 기판을 제거하는 단계;
상기 미카 기판이 제거된 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리를 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 캐소드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 제1 캐소드 상부에 형성하는 단계;
수소 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 애노드용 구조체와 상기 애노드용 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 집전체를 포함하는 애노드를 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리 상부에 형성하는 단계; 및
공기 홀을 포함하는 공기 유동 채널이 형성된 고분자 소재의 캐소드용 구조체와 상기 구조체 상에 증착된 금속층으로 이루어진 제2 캐소드와, 상기 애노드 사이에 위치하는 막전극 조립체를 압착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법.
Sequentially depositing lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium phosphorescent oxynitride (LiPON), and lithium (Li) to form a flexible lithium ion battery on a brittle mica substrate;
Physically peeling the Mica substrate through the adhesive tape, and removing the peeled Mica substrate;
Forming the flexible lithium ion battery from which the Mica substrate is removed on a first cathode including a cathode structure made of a polymer material and a current collector made of a metal layer deposited on the cathode structure;
Forming an anode on the flexible lithium ion battery including an anode structure of a polymer material having a hydrogen flow channel formed therein and a current collector made of a metal layer deposited on the anode structure; And
And pressing the membrane electrode assembly positioned between the anode and the cathode, the cathode structure comprising a polymeric cathode structure having an air flow channel including air holes, a metal layer deposited on the structure, and a membrane electrode assembly positioned between the anode A flexible fuel cell and a battery.
상기 제1 캐소드, 상기 애노드 및, 상기 제2 캐소드를 형성하는 상기 고분자 소재는,
폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리카보네이트, 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 폴리부타디엔 및, 상기 요소들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법.
The method of claim 8,
The polymer material forming the first cathode, the anode,
Wherein the flexible fuel cell is selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polycarbonate, polydimethylsiloxane, polyurethane, polybutadiene, and mixtures of the above elements. Way.
상기 제2 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 막전극 조립체를 압착하는 단계는,
상기 제1 캐소드, 상기 플렉서블 리튬 이온 배터리, 상기 애노드, 상기 막전극 조립체 및, 상기 제2 캐소드의 양쪽 말단을 구부려서 인장 응력 및 압축 응력이 가해진 상태에서 압착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법.
The method of claim 8,
The step of compressing the membrane electrode assembly positioned between the second cathode and the anode comprises:
Wherein said flexible fuel cell is formed by bending both ends of said first cathode, said flexible lithium ion battery, said anode, said membrane electrode assembly, and said second cathode in a state where tensile stress and compressive stress are applied, A method of manufacturing a power supply unit incorporating a battery.
상기 공기 홀은,
사각형 형태, 직사각형 형태, 마름모 형태, 원 형태, 타원 형태 및, 다각형 형태 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 플렉서블 연료 전지 및 배터리를 결합한 전원 공급 장치의 제조 방법.
The method of claim 8,
The air hole
Wherein the flexible fuel cell is one of a rectangular shape, a rectangular shape, a rhombic shape, a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape.
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KR20030067568A (en) * | 2002-02-08 | 2003-08-14 | 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 | Fuel cell system and method of operating fuel cell system |
US20050031919A1 (en) * | 2003-08-07 | 2005-02-10 | Ovshinsky Stanford R. | Hybrid fuel cell |
US20070141450A1 (en) | 2005-12-21 | 2007-06-21 | General Electric Company | Rechargeable fuel cell with double cathode |
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- 2012-11-07 KR KR1020120125277A patent/KR101397524B1/en active IP Right Grant
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