KR101409385B1

KR101409385B1 - Microfluidic fuel cell and method for manufacturing the same

Info

Publication number: KR101409385B1
Application number: KR1020130043131A
Authority: KR
Inventors: 안유민; 이승우; 이강호; 서인재; 한준모
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-06-20

Abstract

The present invention relates to a microfluidic fuel cell and a method for manufacturing the same, wherein the microfluidic fuel cell has a serial stack structure. According to an embodiment of the present invention, the microfluidic fuel cell includes: a substrate having a micro channel forming a first anode and a first cathode; an oxidizer injection hole formed on the substrate to cover the micro channel for injecting an oxidizer and a fuel through the micro channel; and a cover part having a fuel injection hole. More than one electrode is formed between the first anode and the first cathode in the micro channel, and a plurality of oxidizer injection holes and fuel injection holes are alternatingly formed on the cover part.

Description

TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a microfluidic fuel cell,

본 발명은 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 교육과학기술부의 기초연구사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다(과제관리번호 : 3201200000001153, 과제명 : 마이크로유체 연료전지의 전력량 향상을 위한 최적의 초소형 스택 구조 연구).The present invention relates to a microfluidic fuel cell and a method of manufacturing the same. The present invention is derived from the research carried out as part of the basic research project of the Ministry of Education, Science and Technology (Project Number: 3201200000001153, Title: Study on optimal micro-stack structure for improving the power of microfluidic fuel cell).

연료전지(Fuel Cell)는 연료의 산화에 의해 생기는 화학적 반응 에너지를 전기에너지로 변환하는 전지이다. 연료전지는 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산한다는 점에서 2차 전지와 유사한 성격을 갖지만, 연료의 주입에 의해 작동한다는 점에서 2차 전지와 다른 차별점을 갖는다. 연료전지의 개념은 기본적으로 수소와 산소의 반응에 의해 생성되는 전자의 작용으로 설명될 수 있다. 연료전지에서, 수소는 양극 전극(anode)을 통과하고, 산소는 음극 전극(cathode)을 통과하며, 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다.BACKGROUND ART Fuel cells are cells that convert chemical reaction energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. The fuel cell has a characteristic similar to that of the secondary battery in that it produces electricity by an electrochemical reaction, but has a different point from the secondary battery in that it operates by injecting fuel. The concept of a fuel cell can be basically explained by the action of electrons generated by the reaction of hydrogen and oxygen. In a fuel cell, hydrogen passes through an anode, oxygen passes through a cathode, and hydrogen electrochemically reacts with oxygen to generate water to generate electric current in the electrode.

21세기 정보화 사회로 변화되는 추세에 따라, 연료전지를 휴대단말기의 전원과 휴대용 고밀도, 고출력의 에너지 저장 시스템으로서 사용하기 위한 일환으로, 마이크로 연료전지(Micro Fuel-Cell)에 대한 연구가 진행되고 있다. 마이크로 연료전지는 미세 가공기술을 이용하여 초소형으로 제조한 연료전지로서, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 기기에 사용되는 출력 100Wh 이하의 소형 연료전지 시스템으로 활용될 수 있으며, 연료전지와 동일한 방식으로 작동한다.In the 21st century, research on a micro fuel cell (Fuel Cell) has been proceeding in order to use a fuel cell as a power source for portable terminals and an energy storage system for portable high density and high output power . The micro fuel cell can be utilized as a small-sized fuel cell system with a power output of less than 100 Wh which is used in portable devices such as mobile phones and notebook computers, and operates in the same manner as a fuel cell do.

마이크로 연료전지는 크기가 작으면서도, 2차 전지인 리튬 이온 전지보다 10배가량 큰 전력 저장 용량을 가지며, 재충전용 전지기술에 비해 높은 전력밀도 특성을 가지므로, 휴대용 기기의 전력 사용량 증가 추세에 부합할 뿐만 아니라, 무공해 특성을 가지고 있어서, 현재 실용화를 눈앞에 두고 있다. 또한, 마이크로 연료전지는 기존의 2차 전지와 달리 충전을 하지 않고 연료 카트리지의 교환만으로 연속 사용이 가능하다는 이점도 갖는다.Micro fuel cells are small in size and have a power storage capacity 10 times larger than that of a lithium ion secondary battery and have a higher power density characteristic than a rechargeable battery technology, Not only does it have pollution-free properties, it is now in the forefront of practical use. In addition, unlike conventional secondary batteries, micro fuel cells have the advantage that they can be continuously used only by replacing the fuel cartridge without charging.

마이크로 연료전지로 개발 가능한 소형 연료전지로서, 고분자 전해질 막을 사용하는 고분자 전해질형 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)(PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지 등이 연구되고 있다. 현재까지는 직접 메탄올 연료전지에 대한 연구가 주를 이루고 있는데, 그 이유는 다른 연료전지에 비해 소형화에 보다 적합하기 때문이다. 연료전지의 구동의 최소 단위는 셀(cell)이라고 한다. 셀은 연료극 및 산소극의 한 쌍의 전극으로 구성되며, 이 한 쌍의 전극 사이에 엷은 양성자 교환막(PEM; Proton Exchange Membrane)이 존재한다. 양성자 교환막은 이온의 통로로서, 전자는 통과시키지 않는다.As a small fuel cell that can be developed as a micro fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a polymer electrolyte membrane (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC) ), Alkali fuel cells and the like are being studied. Up until now, direct methanol fuel cell research has been dominant because it is more suitable for miniaturization than other fuel cells. The minimum unit for driving the fuel cell is called a cell. The cell is composed of a pair of electrodes of a fuel electrode and an oxygen electrode, and a thin proton exchange membrane (PEM) exists between the pair of electrodes. The proton exchange membrane is a passage for ions and does not allow electrons to pass through.

양성자 교환막 연료전지는 에너지 밀도가 높고 여러 분야에 적용하기 쉽지만, 양성자 교환막에 기인하는 문제점을 갖는다. 첫 번째로, 물 관리의 문제점이다. 양자는 전기 삼투 현상(electroosmosis)을 이용하여 양성자 교환막을 통과해 양극으로 이동할 때, 많은 양의 물 분자를 포함하여 이동한다. 따라서 전지의 정상구동을 위해서는 양극에서는 물의 제거가, 음극에서는 물의 공급이 이루어져야 한다. 그렇지 않을 경우 양극 전극의 드라이 아웃(dry-out), 음극 전극의 플러딩(flooding) 현상으로 전지의 성능 저하를 야기한다. 두 번째로, 크로스오버 (cross-over) 문제점이다. 크로스오버는 물과 함께 메탄올이 음극에서 양극으로 이동되는 현상으로 전지의 연료 효율을 떨어뜨린다. 세 번째로, 양성자 교환막은 수분과 온도에 따라 변형을 일으키므로, 양성자 교환막의 내구성 또한 문제점이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 양성자 교환막은 매우 고가이고, 연료전지 제작 시 공정이 복잡하다는 문제점을 갖는다.Proton exchange membrane fuel cells have high energy density and are easy to apply to various fields, but have problems caused by proton exchange membranes. First, it is a problem of water management. Both move through the proton exchange membrane using electroosmosis, including large amounts of water molecules, as they migrate to the anode. Therefore, for the normal operation of the battery, water must be removed from the anode and water is supplied from the cathode. Otherwise, the performance of the cell deteriorates due to dry-out of the anode electrode and flooding of the cathode electrode. Second, it is a cross-over problem. The crossover is a phenomenon in which methanol moves from the cathode to the anode together with the water, thereby deteriorating the fuel efficiency of the battery. Thirdly, proton exchange membranes cause deformation depending on moisture and temperature, so the durability of proton exchange membranes can also be a problem. In addition, the proton exchange membrane is very expensive and has a problem in that the process is complicated when the fuel cell is manufactured.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 양성자 교환막을 사용하지 않는 마이크로 유체 연료전지가 연구되고 있다. 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)는 무격막 연료전지(membraneless fuel cell)라고도 불리우며, 연료전지와 동일한 방식으로 작동한다. 마이크로유체 연료전지는 마이크로 채널 내부로 공급되는 연료와 산화제가 반응을 일으키고, 채널의 양쪽 부분에 음극과 양극 전극이 설치되는 형태로 이루어진다. 마이크로 채널 내부에서 연료와 산화제의 흐름은 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number)로 인하여 층류를 형성한다. 층류 흐름의 직각 방향으로의 물질 전달은 주로 확산에 의해 이루어지므로, 그 속도가 매우 느려서 연료와 산화제가 포함된 전해질 용액들은 잘 섞이지 않게 된다. 반면에, 이온은 전해질 용액을 통해 자유롭게 두 전극 사이를 이동할 수 있다. 따라서, 연료와 산화제 사이에 형성된 액액계면(liquid-liquid interface)에서 이온은 전달되고 전해질들은 섞이지 않게 되어 양성자 교환막의 역할을 대신하므로, 양성자 교환막을 사용함에 따라 발생하는 문제점을 한번에 해결할 수 있다. 이러한 이점으로 인하여, 마이크로유체 연료전지는 휴대용 기기의 전원장치 개발에 많은 기여를 할 것으로 전망된다.In order to overcome this problem, a microfluidic fuel cell which does not use a proton exchange membrane is being studied. Microfluidic fuel cells, also called membraneless fuel cells, operate in the same way as fuel cells. The microfluidic fuel cell has a configuration in which a fuel supplied to the microchannel reacts with an oxidant and a cathode and an anode are installed on both sides of the channel. The flow of fuel and oxidant in the microchannel forms a laminar flow due to the low Reynolds number. Since the mass transfer in the direction perpendicular to the laminar flow is mainly by diffusion, the velocity of the electrolyte is so slow that the electrolyte solutions containing the fuel and the oxidant are not mixed well. On the other hand, the ions can freely move between the two electrodes through the electrolyte solution. Therefore, the ions are transferred at the liquid-liquid interface formed between the fuel and the oxidant, and the electrolytes are not mixed, thereby replacing the role of the proton exchange membrane. Therefore, the problem caused by using the proton exchange membrane can be solved at once. Due to these advantages, the microfluidic fuel cell is expected to contribute greatly to the development of a power supply device for a portable device.

그러나, 마이크로유체 연료전지는 전력밀도가 낮다는 문제점을 갖고 있다. 최근, 휴대용 전자기기의 고성능화로 휴대용 전자기기의 전력 소모량이 급증하는 추세에 따라, 휴대용 전자기기의 전력공급장치에 마이크로 연료전지를 활용하기 위하여, 마이크로유체 연료전지의 전력밀도를 올리고자 하는 연구가 진행되고 있다. 마이크로유체 연료전지의 전력밀도는 전극에서의 물질 변화율(conversion rate)에 의해 결정되므로, 전극에서의 물질 변화율을 높이면 전력밀도를 높일 수 있다. 물질 변화율을 저해하는 요소로는 전극 표면에서 전기화학 반응 즉, 산화환원 반응이 일어나는 동안, 반응의 결과로서 생성되는 부산물들을 꼽을 수 있다. 이 반응 부산물들이 전극 위에 쌓여 정체되면 전극 위에서 물질 변화율이 낮아진다. 공개특허공보 제2012-0088240호(2012.08.08.공개)는 "마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법"을 개시한다. 이는 전극에 요철 형상 구조를 만들어 전극 위에 미세한 유동장을 발생시켜 반응 부산물이 전극 위에서 정체되는 것을 방지하려는 기술이다. 하지만, 전극 위의 요철 형상 구조가 산화환원 반응 후 생성되는 반응물의 배출을 방해하므로, 전력밀도를 획기적으로 향상시키는데에는 한계가 따른다.However, microfluidic fuel cells have a problem of low power density. 2. Description of the Related Art [0002] Recently, as a portable electronic device has been increasing in power consumption due to its high performance, a research aimed at increasing the power density of a microfluidic fuel cell in order to utilize a micro fuel cell in a power supply device of a portable electronic device It is progressing. Since the power density of the microfluidic fuel cell is determined by the conversion rate of the material at the electrode, increasing the material change rate at the electrode can increase the power density. Factors that inhibit the material change rate include byproducts that are generated as a result of the reaction during the electrochemical reaction, that is, the redox reaction, on the electrode surface. When these reaction by-products are piled up on the electrode and stagnated, the rate of material change on the electrode is lowered. Open Patent Publication No. 2012-0088240 (published Aug. 8, 2012) discloses a " microfluidic fuel cell and a manufacturing method thereof ". This is a technique for forming a concave-convex structure on the electrode to generate a fine flow field on the electrode to prevent the reaction by-products from stagnating on the electrode. However, since the concave-convex structure on the electrode hinders the discharge of the reaction product generated after the oxidation-reduction reaction, there is a limit in improving the power density remarkably.

본 발명은 전력밀도가 높은 마이크로유체 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a microfluidic fuel cell having high power density and a method of manufacturing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 목적은, 마이크로유체 연료전지를 집적화하여 작은 크기의 연료전지에서 높은 전력을 효율적으로 생산하는 것에 있다.Another object of the present invention is to integrate a microfluidic fuel cell and efficiently produce high power in a small size fuel cell.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems. Other technical subjects not mentioned will be apparent to those skilled in the art from the description below.

본 발명의 일 측면에 따른 마이크로유체 연료전지는, 제1 양극 전극과, 제1 음극 전극이 형성된 마이크로 채널을 구비하는 기판; 그리고 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판상에 형성되며, 상기 마이크로 채널로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구 및 연료 주입구가 형성되는 커버부를 포함하며, 상기 마이크로 채널에는 상기 제1 양극 전극과 상기 제1 음극 전극의 사이에 하나 이상의 전극이 더 형성되며, 상기 커버부에는, 상기 산화제 주입구 및 상기 연료 주입구가 번갈아가며 복수 개 형성된다.A microfluidic fuel cell according to an aspect of the present invention includes: a substrate having a first anode electrode and a microchannel in which a first cathode electrode is formed; And a cover portion formed on the substrate so as to cover the microchannel, wherein the microchannel includes an oxidant inlet port through which the oxidant and the fuel are injected and a fuel inlet port. The microchannel includes the first anode electrode and the first anode electrode At least one electrode is further formed between the cathode electrode and the oxidizing agent inlet and the fuel inlet are alternately formed in the cover portion.

일 실시 예로서, 상기 하나 이상의 전극은, 상기 마이크로 채널에서 상기 제1 양극 전극과 상기 제1 음극 전극의 사이에 형성되는 제2 음극 전극; 그리고 상기 마이크로 채널에서 상기 제2 음극 전극과 상기 제1 음극 전극의 사이에 형성되는 제2 양극 전극을 포함할 수 있다.In one embodiment, the at least one electrode includes: a second negative electrode formed between the first positive electrode and the first negative electrode in the microchannel; And a second anode electrode formed between the second cathode electrode and the first cathode electrode in the microchannel.

일 실시 예로서, 상기 커버부에는, 상기 제1 양극 전극으로 제1 연료가 주입되는 제1 연료 주입구, 상기 제2 음극 전극으로 제1 산화제가 주입되는 제1 산화제 주입구, 상기 제2 양극 전극으로 제2 연료가 주입되는 제2 연료 주입구, 그리고 상기 제1 음극 전극으로 제2 산화제가 주입되는 제2 산화제 주입구가 형성될 수 있다.In one embodiment, the cover portion is provided with a first fuel injection port into which the first fuel is injected into the first anode electrode, a first oxidant inlet into which the first oxidant is injected into the second cathode electrode, A second fuel injection port into which the second fuel is injected, and a second oxidant injection port through which the second oxidant is injected into the first cathode electrode.

일 실시 예로서, 상기 커버부에는, 상기 제1 연료와 상기 제1 산화제 간의 산화 환원 반응에 의해 발생되는 물질 및 상기 제2 연료와 상기 제2 산화제 간의 산화 환원 반응에 의해 발생되는 물질을 배출하는 배출구가 더 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cover portion is provided with a cover member for removing a substance generated by a redox reaction between the first fuel and the first oxidizer, and a substance generated by an oxidation-reduction reaction between the second fuel and the second oxidizer An outlet may be further formed.

일 실시 예로서, 상기 마이크로 채널에는, 상기 제2 음극 전극과 상기 제2 양극 전극이 접하는 면에 위치하고, 상기 제1 산화제와 상기 제2 연료를 분리시키는 차단벽이 형성될 수 있다.In one embodiment, the microchannel may be formed with a blocking wall that is located on a side where the second cathode electrode and the second anode electrode are in contact with each other, and separates the first oxidant and the second fuel.

일 실시 예로서, 상기 마이크로유체 연료전지는, 상기 제1 양극 전극과 상기 제2 음극 전극은, 유체 해석 프로그램을 이용하여 상기 마이크로 채널에 대하여 유동 해석을 수행함으로써 산출된 상기 제1 연료와 상기 제1 산화제 간의 확산 영역에 대응하는 이격 거리를 갖도록 형성되고, 상기 제2 양극 전극과 상기 제1 음극 전극은, 상기 유체 해석 프로그램을 이용하여 상기 마이크로 채널에 대하여 유동 해석을 수행함으로써 산출된 상기 제2 연료와 상기 제2 산화제 간의 확산 영역에 대응하는 이격 거리를 갖도록 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the microfluidic fuel cell is characterized in that the first anode electrode and the second cathode electrode are formed by performing a flow analysis on the microchannel using a fluid analysis program, Wherein the second anode electrode and the first cathode electrode are formed to have a distance corresponding to the diffusion region between the first oxidant and the first oxidant, And may be formed to have a distance corresponding to the diffusion region between the fuel and the second oxidant.

일 실시 예로서, 상기 마이크로 채널은, 상기 제1 양극 전극, 상기 제1 음극 전극, 상기 제2 음극 전극 및 상기 제2 양극 전극의 상부에 위치하도록 형성되며, 상기 배출구와 연통되도록 형성된 메인 채널; 상기 제1 연료 주입구와 상기 메인 채널 사이에 연통되도록 형성된 제1 연료 주입 채널; 상기 제1 산화제 주입구와 상기 메인 채널 사이에 연통되도록 형성된 제1 산화제 주입 채널; 상기 제2 연료 주입구와 상기 메인 채널 사이에 연통되도록 형성된 제2 연료 주입 채널; 그리고 상기 제2 산화제 주입구와 상기 메인 채널 사이에 연통되도록 형성된 제2 산화제 주입 채널을 포함할 수 있다.In one embodiment, the microchannel includes: a main channel formed to be positioned above the first anode electrode, the first cathode electrode, the second cathode electrode, and the second anode electrode, and configured to communicate with the discharge port; A first fuel injection channel formed to communicate between the first fuel injection port and the main channel; A first oxidant injection channel formed to communicate between the first oxidant inlet and the main channel; A second fuel injection channel formed to communicate between the second fuel injection port and the main channel; And a second oxidant injection channel formed to communicate between the second oxidant inlet and the main channel.

일 실시 예로서, 상기 마이크로 채널은, 상기 제1 연료 주입 채널과 상기 제1 산화제 주입 채널 간의 각도, 상기 제1 산화제 주입 채널과 상기 제2 연료 주입 채널 간의 각도 및 상기 제2 연료 주입 채널 및 상기 제2 산화제 주입 채널 간의 각도가 0°초과 30°이하의 범위로 형성될 수 있다.In one embodiment, the microchannel includes an angle between the first fuel injection channel and the first oxidant injection channel, an angle between the first oxidant injection channel and the second fuel injection channel, The angle between the second oxidant injection channels can be formed in a range of more than 0 DEG and less than 30 DEG.

일 실시 예로서, 상기 제1 연료 주입 채널과 상기 제1 산화제 주입 채널은 상기 제1 양극 전극과 상기 제2 음극 전극의 중간 지점에서 상기 메인 채널로 합류되고, 상기 제1 산화제 주입 채널과 상기 제2 연료 주입 채널은 상기 제2 음극 전극과 상기 제2 양극 전극의 중간 지점에서 상기 메인 채널로 합류되고, 상기 제2 연료 주입 채널과 상기 제2 산화제 주입 채널은 상기 제2 양극 전극과 상기 제1 음극 전극의 중간 지점에서 상기 메인 채널로 합류될 수 있다.In one embodiment, the first fuel injection channel and the first oxidant injection channel are joined to the main channel at an intermediate point between the first anode electrode and the second cathode electrode, 2 fuel injection channel merges into the main channel at an intermediate point between the second cathode electrode and the second anode electrode, and the second fuel injection channel and the second oxidant injection channel are connected to the second anode electrode and the first And may be joined to the main channel at an intermediate point of the cathode electrode.

본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는, 제1 양극 전극과, 제1 음극 전극이 형성된 기판; 상기 기판상에 형성되며, 마이크로 채널을 형성하는 측벽부; 그리고 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 측벽부상에 형성되며, 상기 마이크로 채널로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구 및 연료 주입구가 형성되는 커버부를 포함하며, 상기 기판에는 상기 제1 양극 전극과 상기 제1 음극 전극의 사이에 하나 이상의 전극이 더 형성되고, 상기 커버부에는, 상기 산화제 주입구 및 상기 연료 주입구가 번갈아가며 복수 개 형성된다.A microfluidic fuel cell according to another embodiment of the present invention includes: a substrate having a first anode electrode and a first cathode electrode; A side wall part formed on the substrate and forming a microchannel; And a cover portion formed on the sidewall portion to cover the microchannel, the cover portion having an oxidant inlet port through which the oxidant and fuel are injected into the microchannel and a fuel inlet port. The substrate includes a first anode electrode, At least one electrode is further formed between the electrodes, and a plurality of the oxidizing agent inlet and the fuel inlet are alternately formed in the cover portion.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 제1 양극 전극과 제1 음극 전극 사이에 제2 음극 전극과 제2 양극 전극이 형성된 마이크로 채널을 구비하는 기판을 제조하는 단계; 그리고 상기 마이크로 채널을 덮도록, 산화제 주입구 및 연료 주입구가 번갈아가며 복수 개 형성된 커버부를 상기 기판상에 형성하는 단계를 포함하는 마이크로유체 연료전지의 제조 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: fabricating a substrate having a microchannel in which a second cathode electrode and a second anode electrode are formed between a first anode electrode and a first cathode electrode; And forming a plurality of cover portions on the substrate so as to cover the microchannel with alternating oxidant inlet ports and fuel inlet ports.

일 실시 예로서, 상기 마이크로유체 연료전지의 제조 방법은, 상기 커버부를 상기 기판상에 형성하는 단계 전에, 상기 제1 양극 전극으로 제1 연료가 주입되는 제1 연료 주입구, 상기 제2 음극 전극으로 제1 산화제가 주입되는 제1 산화제 주입구, 상기 제2 양극 전극으로 제2 연료가 주입되는 제2 연료 주입구, 그리고 상기 제1 음극 전극으로 제2 산화제가 주입되는 제2 산화제 주입구를 포함하는 상기 커버부를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method for fabricating a microfluidic fuel cell may further include forming a first fuel injection port into which the first fuel is injected into the first anode electrode, And a second oxidant inlet into which the first oxidant is injected, a second fuel inlet into which the second fuel is injected into the second anode electrode, and a second oxidant inlet into which the second oxidant is injected into the first cathode electrode, And a step of producing a part.

일 실시 예로서, 상기 마이크로유체 연료전지의 제조 방법은, 상기 기판을 제조하는 단계 전에, 유체 해석 프로그램에 따라 상기 마이크로 채널에 대해 유동 해석을 수행하여, 상기 제1 연료와 상기 제1 산화제 간의 확산 영역 및 상기 제2 연료와 상기 제2 산화제 간의 확산 영역을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method for fabricating a microfluidic fuel cell includes performing a flow analysis on the microchannel in accordance with a fluid analysis program prior to the step of fabricating the substrate to determine a diffusion between the first fuel and the first oxidant Region and a diffusion region between the second fuel and the second oxidant.

일 실시 예로서, 상기 제1 양극 전극과 상기 제2 음극 전극은, 상기 제1 연료와 상기 제1 산화제 간의 확산 영역에 대응하는 이격 거리를 갖도록 형성되고, 상기 제2 양극 전극과 상기 제1 음극 전극은, 상기 제2 연료와 상기 제2 산화제 간의 확산 영역에 대응하는 이격 거리를 갖도록 형성될 수 있다.In one embodiment, the first anode electrode and the second cathode electrode are formed to have a distance corresponding to a diffusion region between the first fuel and the first oxidant, and the second anode electrode and the second anode electrode The electrode may be formed to have a distance corresponding to the diffusion region between the second fuel and the second oxidant.

일 실시 예로서, 상기 기판을 제조하는 단계는, 상기 기판상에 상기 제1 양극 전극, 상기 제1 음극 전극, 상기 제2 음극 전극 및 상기 제2 양극 전극을 형성하는 단계; 그리고 상기 기판상에 상기 마이크로 채널을 형성하는 측벽부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of fabricating the substrate includes: forming the first anode electrode, the first cathode electrode, the second cathode electrode, and the second anode electrode on the substrate; And forming a sidewall portion for forming the microchannel on the substrate.

일 실시 예로서, 상기 측벽부를 형성하는 단계는, 상기 기판상에 음성 감광제를 도포하는 단계; 그리고 포토리소그래피 공정에 의하여 상기 음성 감광제에 상기 마이크로 채널에 대응하는 홈부를 형성함으로써 상기 마이크로 채널을 형성하는 상기 측벽부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of forming the sidewall portion comprises: applying a negative photosensitizer onto the substrate; And forming the sidewall portion for forming the microchannel by forming a groove corresponding to the microchannel in the negative photo-sensitizer by a photolithography process.

일 실시 예로서, 상기 커버부를 상기 기판상에 형성하는 단계는, 상기 측벽부상에 상기 커버부를 본딩 결합하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of forming the cover portion on the substrate may include bonding the cover portion on the side wall portion.

본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로유체 연료전지의 전력밀도를 높일 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the power density of the microfluidic fuel cell can be increased.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로유체 연료전지를 집적화하여 작은 크기의 연료전지에서 높은 전력을 생산함으로써 연료전지의 효율을 높일 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, the efficiency of the fuel cell can be increased by integrating the microfluidic fuel cell to produce high power in the small size fuel cell.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above. Unless stated, the effects will be apparent to those skilled in the art from the description and the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 분해사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 4에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 제조 방법의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 구성하는 커버부를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 기판상에 커버부를 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 복수 개 연결한 구조를 보여주는 도면이다.
도 13은 온도에 따른 잔여 에폭시기 비율의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 14는 도 1에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유량에 따른 최대 전력, 최대 전력밀도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 15는 도 1에 도시된 마이크로유체 연료전지의 전류밀도에 따른 전압, 전력밀도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 16은 도 3에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유량에 따른 최대 전력, 최대 전력밀도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 17은 도 3에 도시된 마이크로유체 연료전지의 전류밀도에 따른 전압, 전력밀도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대전력 개선 효과를 보여주는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대전력밀도 개선 효과를 보여주는 그래프이다.1 is a perspective view of a microfluidic fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view of a microfluidic fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
3 is an exploded perspective view of a microfluidic fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
4 is an exploded perspective view of a microfluidic fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a simulation result of the flow analysis of the microfluidic fuel cell shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 6 is a view showing a simulation result of the flow analysis of the microfluidic fuel cell shown in FIG. 3. FIG.
FIG. 7 is a graph showing a simulation result of the flow analysis of the microfluidic fuel cell shown in FIG.
8 is a flowchart of a method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.
9 is a view for explaining a process of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.
10 is a view for explaining a process of manufacturing a cover part constituting a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.
11 is a view for explaining a process of forming a cover portion on a substrate.
12 is a view showing a structure in which a plurality of microfluidic fuel cells according to an embodiment of the present invention are connected.
13 is a graph showing the change of the residual epoxy ratio with temperature.
14 is a graph showing changes in maximum power and maximum power density according to the flow rate of the microfluidic fuel cell shown in FIG.
15 is a graph showing changes in voltage and power density according to the current density of the microfluidic fuel cell shown in FIG.
16 is a graph showing changes in maximum power and maximum power density according to the flow rate of the microfluidic fuel cell shown in FIG.
17 is a graph showing changes in voltage and power density according to the current density of the microfluidic fuel cell shown in FIG.
18 is a graph showing the maximum power improvement effect of the microfluidic fuel cell according to the embodiment of the present invention.
19 is a graph showing the effect of improving the maximum power density of a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Other advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 공지되어 있는 구성에 관한 일반적인 내용에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면에서 일부 구성은 다소 과장되게 도시될 수 있다.Although not defined, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by the generic art in the prior art to which this invention belongs. Terms defined by generic dictionaries may be interpreted to have the same meaning as in the related art and / or the text of this application. In describing the embodiments of the present invention, descriptions of general contents of known configurations can be omitted in order not to obscure the gist of the present invention. To facilitate understanding of the present invention, some configurations in the drawings may be shown somewhat exaggerated.

본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)는 직렬 스택(stack) 구조, 즉 마이크로 채널(micro-channel)에 복수 개의 양극 전극(anode)과 음극 전극(cathode)이 형성되며, 마이크로 채널을 덮는 커버부에 산화제 주입구와 연료 주입구가 번갈아가며 복수 개 형성되는 구조를 갖는다. 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는, 적은 면적으로 구현될 수 있으며, 높은 전력밀도 특성을 갖는다.A microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a plurality of anode and cathode electrodes formed in a serial stack structure, i.e., a microchannel, And a plurality of oxidant injection holes and fuel injection holes are alternately formed in the cover portion covering the microchannel. The microfluidic fuel cell according to the embodiment of the present invention can be realized with a small area and has a high power density characteristic.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 분해사시도이다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지(100)는 전극들(120)이 형성된 마이크로 채널(130)을 구비하는 기판(110)과, 마이크로 채널(130)을 덮는 커버부(150)를 포함한다. 일 실시 예로서, 마이크로 채널(130)은 기판(110)상에 형성된 측벽부(140)에 의하여 형성될 수 있다. 이때, 측벽부(140)에 형성되는 홈부(도 9에 도시된 도면부호 141 참조)의 패터닝에 따라 마이크로 채널(130)의 형상이 결정될 수 있다.FIG. 1 is a perspective view of a microfluidic fuel cell according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of a microfluidic fuel cell according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 1 and 2, a microfluidic fuel cell 100 according to a first embodiment of the present invention includes a substrate 110 having a microchannel 130 formed with electrodes 120, 130 of the first embodiment. In one embodiment, the microchannel 130 may be formed by a sidewall 140 formed on the substrate 110. At this time, the shape of the microchannel 130 can be determined by patterning the groove portion (refer to reference numeral 141 shown in FIG. 9) formed in the side wall portion 140.

전극들(120)은 기판(110)상에 형성된다. 전극들(120)은 예를 들어, 포토레지스터를 이용하여 리프트-오프 공정에 의해 형성될 수 있다. 기판(110)은 예를 들어 글래스(glass) 기판일 수 있다. 전극들(120)은 예를 들어 금(Au) 또는 백금(pt) 등의 금속으로 형성될 수 있다. 측벽부(140)는 기판(110)상에서 전극들(120)의 상부에 홈부(141)가 위치하도록 형성될 수 있다. 측벽부(140)는 예를 들어 감광제를 이용하여 포토리소그래피 공정에 의해 기판(110)상에 형성될 수 있다.Electrodes 120 are formed on substrate 110. The electrodes 120 may be formed, for example, by a lift-off process using a photoresistor. The substrate 110 may be, for example, a glass substrate. The electrodes 120 may be formed of a metal such as gold (Au) or platinum (Pt), for example. The sidewall 140 may be formed on the substrate 110 such that the groove 141 is formed on the upper portion of the electrodes 120. The side wall portion 140 may be formed on the substrate 110 by a photolithography process using, for example, a photosensitive agent.

커버부(150)는 마이크로 채널(130)을 덮도록 기판(110)상에 형성된다. 일 실시 예로서, 커버부(150)는 측벽부(140)의 상면에 본딩 결합되어 형성될 수 있다. 커버부(150)는 예를 들어 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 재질로 형성될 수 있다. 커버부(150)는 예를 들어 마이크로 몰딩 기법(micro molding technique)에 의해 제작될 수 있다. 이때, 커버부(150) 형성을 위한 형틀에 해당하는 몰드는 포토리소그래피(photo-lithography) 공정을 이용하여 제작될 수 있다. 커버부(150)는 예를 들어 산소 플라즈마 표면 처리 등에 의하여 기판(110)상의 측벽부(140)에 접착될 수 있다.The cover portion 150 is formed on the substrate 110 so as to cover the microchannel 130. In one embodiment, the cover portion 150 may be formed by being bonded to the upper surface of the side wall portion 140. The cover part 150 may be formed of, for example, PDMS (PolyDiMethylSiloxane). The cover part 150 can be manufactured by, for example, a micro molding technique. At this time, the mold corresponding to the mold frame for forming the cover part 150 can be manufactured using a photo-lithography process. The cover portion 150 may be adhered to the side wall portion 140 on the substrate 110 by, for example, oxygen plasma surface treatment or the like.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 기판(110)의 상면, 측벽부(140)의 홈부(141)를 이루는 측면, 커버부(150)의 바닥면으로 둘러싸인 공간에 의해 마이크로 채널(130)이 제공될 수 있다. 다만, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 달리, 측벽부(140)를 형성하는 대신, 기판(110)의 상면이나 커버부(150)의 바닥면에 미세한 홈의 패턴을 형성하여 마이크로 채널(micro channel)을 형성하는 것도 가능하다.According to an embodiment of the present invention, the microchannel 130 is provided by the space surrounded by the upper surface of the substrate 110, the side surface of the side wall portion 140, and the bottom surface of the cover portion 150. . 1 and 2, instead of forming the side wall part 140, a fine groove pattern may be formed on the upper surface of the substrate 110 or the bottom surface of the cover part 150, channel can also be formed.

커버부(150)의 일 측에는 산화제와 연료를 마이크로 채널(130) 안으로 주입하기 위한 주입구들(151~154)이 관통 형성되고, 커버부(150)의 타 측에는 마이크로 채널(130)에서 산화제와 연료가 반응된 물질을 배출하기 위한 배출구(155)가 관통 형성된다. 일 실시 예에 있어서, 연료 또는 산화제는 과산화수소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 과산화수소와 수산화나트륨을 혼합한 연료와, 과산화수소와 황산을 혼합한 산화제를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명에서 사용되는 연료와 산화제는 연료전지로서의 기능을 구현할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.Injectors 151 to 154 for injecting an oxidant and fuel into the microchannel 130 are formed at one side of the cover part 150. The oxidant and fuel An outlet 155 for discharging the reacted substance is formed. In one embodiment, the fuel or oxidant may comprise hydrogen peroxide. For example, a fuel mixed with hydrogen peroxide and sodium hydroxide and an oxidant mixed with hydrogen peroxide and sulfuric acid can be used. However, the fuel and the oxidant used in the present invention are not particularly limited as long as they can function as a fuel cell.

커버부(150)의 산화제 주입구(151,153)와 연료 주입구(152,154)는 번갈아가며 복수 개 형성된다. 도 1 내지 도 2에 도시된 실시 예는, 커버부(150)에 4개의 주입구가 형성되지만, 전극(121~124)의 개수에 대응하여 더 많은 주입구들, 예를 들어 6개 이상의 주입구들이 형성될 수도 있다. 커버부(150)에서 주입구(151~154)와 배출구(155)가 형성되는 위치는 마이크로 채널(130)의 형상에 따라 결정될 수 있다.The oxidant inlet ports 151 and 153 and the fuel inlet ports 152 and 154 of the cover portion 150 are alternately formed. 1 and 2, four inlets are formed in the cover portion 150, but more inlets are formed corresponding to the number of the electrodes 121 to 124, for example, six or more inlets are formed . The positions of the injection ports 151 to 154 and the discharge ports 155 formed in the cover part 150 may be determined according to the shape of the microchannel 130.

마이크로 채널(130)은 주입구(151~154)를 통하여 산화제와 연료가 주입되는 주입 채널들(131~134) 및 산화제와 연료의 흐름을 기준으로 상류 측에서 주입 채널들(131~134)과 연결되는 메인 채널(135)을 포함한다. 인접하는 주입 채널(131~134)은 메인 채널(135)의 상류 측에서 'Y'자 형태를 이루도록 연결된다. 제1 연료 주입 채널(131)의 일 단은 커버부(150)의 제1 연료 주입구(151)에 연통되고, 타 단은 메인 채널(135)의 일 단에 연통된다. 제1 산화제 주입 채널(132)의 일 단은 커버부(150)의 제1 산화제 주입구(152)에 연통되고, 타 단은 메인 채널(135)의 일 단에 연통된다. 제2 연료 주입 채널(133)의 일 단은 커버부(150)의 제2 연료 주입구(153)에 연통되고, 타 단은 메인 채널(135)의 일 단에 연통된다. 제2 산화제 주입 채널(134)의 일 단은 커버부(150)의 제2 산화제 주입구(154)에 연통되고, 타 단은 메인 채널(135)의 일 단에 연통된다.The micro channel 130 is connected to the injection channels 131 to 134 through which the oxidant and the fuel are injected through the injection ports 151 to 154 and the injection channels 131 to 134 from the upstream side based on the oxidant and the flow of the fuel. And a main channel 135 connected to the main channel 135. The adjacent injection channels 131 to 134 are connected to form a Y-shape on the upstream side of the main channel 135. One end of the first fuel injection channel 131 communicates with the first fuel injection port 151 of the cover portion 150 and the other end communicates with one end of the main channel 135. One end of the first oxidizing agent injection channel 132 communicates with the first oxidizing agent inlet 152 of the cover portion 150 and the other end communicates with one end of the main channel 135. One end of the second fuel injection channel 133 communicates with the second fuel injection port 153 of the cover portion 150 and the other end communicates with one end of the main channel 135. One end of the second oxidant injection channel 134 communicates with the second oxidant inlet 154 of the cover portion 150 and the other end communicates with one end of the main channel 135.

이에 따라, 제1 연료 주입구(151)를 통해 주입되는 제1 연료는 제1 연료 주입 채널(131)을 통해 메인 채널(135)로 유입되고, 제1 산화제 주입구(152)를 통해 주입되는 제1 산화제는 제1 산화제 주입 채널(132)을 통해 메인 채널(135)로 유입되고, 제2 연료 주입구(153)를 통해 주입되는 제2 연료는 제2 연료 주입 채널(133)을 통해 메인 채널(135)로 유입되고, 제2 산화제 주입구(154)를 통해 주입되는 제2 산화제는 제2 산화제 주입 채널(134)을 통해 메인 채널(135)로 유입된다. 따라서, 메인 채널(135)에는 너비 방향을 따라 제1 연료, 제1 산화제, 제2 연료, 제2 산화제 순으로 4개의 유체에 의한 층류(laminar flow)가 형성된다.Accordingly, the first fuel injected through the first fuel injection hole 151 flows into the main channel 135 through the first fuel injection channel 131, and the first fuel injected through the first oxidant inlet 152 flows into the main channel 135 through the first fuel injection channel 131, The oxidant flows into the main channel 135 through the first oxidant inlet channel 132 and the second fuel injected through the second fuel inlet 153 flows through the second fuel inlet channel 133 into the main channel 135 And the second oxidant injected through the second oxidant inlet 154 flows into the main channel 135 through the second oxidant inlet channel 134. [ Accordingly, a laminar flow is formed in the main channel 135 by four fluids in the order of the first fuel, the first oxidant, the second fuel, and the second oxidant along the width direction.

메인 채널(135)은 제1 양극 전극(121), 제2 음극 전극(122), 제2 양극 전극(123) 및 제1 음극 전극(124)의 상부 측에 형성되며, 연료와 산화제의 흐름을 기준으로 하류 측에서 커버부(150)의 배출구(155)와 연통된다. 전극들(120)의 구조 및 배치는 마이크로 채널(130)의 형상에 대응하여 결정될 수 있다. 전극들(120)은 메인 채널(135)과 나란한 방향으로 길게 형성된다. 전극(121~124)의 개수는 주입 채널(131~134)의 개수에 대응하여 결정될 수 있다. 도 1 내지 도 2에 도시된 실시 예에서, 기판(110)에는 제1 양극 전극(121), 제1 음극 전극(124), 제2 음극 전극(122) 및 제2 양극 전극(123)이 형성된다. 도 1 내지 도 2에 도시된 실시 예에서, 제2 음극 전극(122)과 제2 양극 전극(123)은 하나의 전극에 의하여 형성되지만, 본 발명의 변형된 실시 예에서, 제2 음극 전극(122)과 제2 양극 전극(123)은 상호 분리된 형태로 제공될 수도 있다. 이러한 경우, 제2 양극 전극(123)은 제2 음극 전극(122)과 제1 음극 전극(124) 사이에 형성되며, 제2 음극 전극(122)은 제1 양극 전극(121)과 제2 양극 전극(123) 사이에 형성될 것이다.The main channel 135 is formed on the upper side of the first anode electrode 121, the second cathode electrode 122, the second anode electrode 123 and the first cathode electrode 124, And communicates with the outlet 155 of the cover portion 150 on the downstream side as a reference. The structure and arrangement of the electrodes 120 may be determined corresponding to the shape of the microchannel 130. [ The electrodes 120 are elongated in a direction parallel to the main channel 135. The number of the electrodes 121 to 124 may be determined corresponding to the number of the injection channels 131 to 134. 1 and 2, a first anode electrode 121, a first cathode electrode 124, a second cathode electrode 122, and a second anode electrode 123 are formed on the substrate 110 do. In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the second cathode electrode 122 and the second anode electrode 123 are formed by one electrode, but in a modified embodiment of the present invention, the second cathode electrode 122 and the second anode electrode 123 may be provided separately from each other. In this case, the second anode electrode 123 is formed between the second cathode electrode 122 and the first cathode electrode 124, the second cathode electrode 122 is formed between the first anode electrode 121 and the second anode electrode 124, Electrode 123 as shown in FIG.

제1 양극 전극(121)과 제1 음극 전극(124)은 메인 채널(135)의 폭 방향 양단부 측에 배치되고, 제2 음극 전극(122)과 제2 양극 전극(123)은 제1 양극 전극(121)과 제1 음극 전극(124)의 사이, 예를 들어 메인 채널(135)의 중심부 측에 배치될 수 있다. 제1 연료 주입 채널(131)을 통해 유입된 제1 연료는 메인 채널(135)에서 제1 양극 전극(121)의 상부를 따라 층류를 이루고, 제1 산화제 주입 채널(132)을 통해 유입된 제1 산화제는 메인 채널(135)에서 제2 음극 전극(122)의 상부를 따라 층류를 이루고, 제2 연료 주입 채널(133)을 통해 유입된 제2 연료는 메인 채널(135)에서 제2 양극 전극(123)의 상부를 따라 층류를 이루고, 제2 산화제 주입 채널(134)을 통해 유입된 제2 산화제는 메인 채널(135)에서 제1 음극 전극(124)의 상부를 따라 층류를 이룬다.The first anode electrode 121 and the first anode electrode 124 are disposed at both ends in the width direction of the main channel 135. The second anode electrode 122 and the second anode electrode 123 are disposed on both sides of the width direction of the main channel 135, For example, on the side of the center of the main channel 135, between the first anode electrode 121 and the first cathode electrode 124. [ The first fuel injected through the first fuel injection channel 131 is laminar along the upper portion of the first anode electrode 121 in the main channel 135 and the second fuel injected through the first oxidant injection channel 132 The first oxidant is laminar along the upper portion of the second cathode electrode 122 in the main channel 135 and the second fuel introduced through the second fuel injection channel 133 flows in the main channel 135 along the upper portion of the second anode electrode 122, The second oxidant injected through the second oxidant injection channel 134 forms a laminar flow along the upper portion of the first cathode electrode 124 in the main channel 135. [

그 결과로서, 제1 양극 전극(121)과 제2 음극 전극(122) 사이에는 제1 연료와 제1 산화제 간의 액액계면에서의 산화 환원 반응에 의해 전류가 형성되고, 제2 양극 전극(123)과 제1 음극 전극(124) 사이에는 제2 연료와 제2 산화제 간의 액액계면에서의 산화 환원 반응에 의해 전류가 형성된다. 제1 연료와 제1 산화제 간의 산화 환원 반응의 결과로서 발생되는 물질 및 제2 연료와 제2 산화제 간의 산화 환원 반응의 결과로서 발생되는 물질은 배출구(155)를 통해 배출된다. 제1 양극 전극(121)과 제1 음극 전극(122)은 배선(125,126)을 통해 소켓 연결부의 역할을 하는 금속 패드(127,128)로 연결된다. 따라서, 연료와 산화제의 공급에 따라, 제1 양극 전극(121)과 제1 음극 전극(122) 간의 전류로부터 전원이 제공될 수 있다.As a result, a current is formed between the first anode electrode 121 and the second anode electrode 122 by the oxidation-reduction reaction at the liquid interface between the first fuel and the first oxidant, A current is formed between the first anode electrode 124 and the second anode electrode 124 by the redox reaction at the liquid interface between the second fuel and the second oxidant. The material generated as a result of the redox reaction between the first fuel and the first oxidant and the material generated as a result of the redox reaction between the second fuel and the second oxidant is discharged through the outlet 155. The first anode electrode 121 and the first cathode electrode 122 are connected to the metal pads 127 and 128 serving as a socket connecting portion through the wires 125 and 126. Therefore, depending on the supply of the fuel and the oxidant, power can be supplied from the current between the first anode electrode 121 and the first cathode electrode 122. [

연료 주입 채널(131,133)과 산화제 주입 채널(132,134) 간의 각도, 전극들(121~124)의 폭과, 전극들(121~124) 간의 이격 거리(간격)은 메인 채널(135) 내의 유동 현상과 전류밀도 특성에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 유동 분석부(미도시)는 상용 유체 해석 프로그램에 따라 마이크로 채널(130)의 유동 해석을 수행하여, 제1 연료와 제1 산화제 간의 확산 영역(diffusion area) 및 제2 연료와 제2 산화제 간의 확산 영역을 산출할 수 있다. 유동 분석부(미도시)에 의하여 분석된 확산 영역에 따라, 연료 주입 채널(131,133)과 산화제 주입 채널(132,134) 간의 각도, 전극들(121~124)의 폭과, 전극들(121~124) 간의 간격이 결정될 수 있다. 본 발명에서, 확산 영역은 연료 및 산화제의 농도가 미리 설정된 임계값 미만으로 낮아지는 영역을 의미할 수 있다.The angles between the fuel injection channels 131 and 133 and the oxidant injection channels 132 and 134 and the widths of the electrodes 121 to 124 and the spacing between the electrodes 121 to 124 Current density characteristics. In one embodiment of the present invention, the flow analysis unit (not shown) performs a flow analysis of the microchannel 130 according to a commercial fluid analysis program to determine the diffusion area between the first fuel and the first oxidant, The diffusion region between the second fuel and the second oxidant can be calculated. The angle between the fuel injection channels 131 and 133 and the oxidant injection channels 132 and 134 and the width of the electrodes 121 to 124 and the widths of the electrodes 121 to 124 are determined according to the diffusion region analyzed by the flow analysis unit Can be determined. In the present invention, the diffusion region may mean a region where the concentration of the fuel and the oxidizer falls below a predetermined threshold value.

마이크로 채널(130)의 메인 채널(135)에서, 서로 다른 유체는 층류를 이루며 흐르고, 유체들 간에 계면이 형성된다. 이러한 계면을 중심으로 확산 영역(diffusion area)이 존재하게 되는데, 유동 해석에 의해 분석된 확산 영역을 고려하여 전극 구조를 설계함으로써, 연료 역류 현상을 방지할 수 있다. 일 실시 예로, 제1 양극 전극(121)과 제2 음극 전극(122) 간의 이격 거리는 제1 연료와 제1 산화제 간의 확산 영역의 폭과 동일하도록 결정되고, 제2 양극 전극(123)과 제1 음극 전극(124) 간의 이격 거리는 제2 연료와 제2 산화제 간의 확산 영역의 폭과 동일하도록 결정될 수 있다.In the main channel 135 of the microchannel 130, different fluids flow laminarly and an interface is formed between the fluids. The diffusion region is present around the interface. By designing the electrode structure in consideration of the diffusion region analyzed by the flow analysis, the fuel backflow phenomenon can be prevented. The distance between the first anode electrode 121 and the second cathode electrode 122 is determined so as to be equal to the width of the diffusion region between the first fuel and the first oxidizer and the distance between the second anode electrode 123 and the first The distance between the cathode electrodes 124 can be determined so as to be equal to the width of the diffusion region between the second fuel and the second oxidant.

확산 영역이 넓어지면, 계면의 확산 현상으로 인하여 연료 역류 현상(cross over)이 일어날 수 있으며, 그에 따라 유체들 간의 계면이 양성자 교환막의 역할을 대신하여 수행하지 못하는 결과가 초래될 수 있다. 따라서, 연료전지 성능의 향상을 위해서는 확산 영역을 좁히는 것이 바람직하다. 이에, 본 발명의 실시 예는, 연료 주입 채널(131,133)과 메인 채널(135) 간의 각도, 산화제 주입 채널(132,134)과 메인 채널(135) 간의 각도를 변수로 하여 상용 유체 해석 프로그램을 이용하여 유동 해석을 수행하고, 유동 해석 결과 확산 영역이 최소화되도록 연료 주입 채널(131,133)과 산화제 주입 채널(132,134) 간의 각도를 결정할 수 있다. 상용 유체 해석 프로그램은 예를 들어, CFD-ACE+, ESI group 또는 France일 수 있다.If the diffusion region is widened, the fuel diffusion phenomenon may occur due to the diffusion phenomenon of the interface, and as a result, the interface between the fluids may not perform as a substitute for the proton exchange membrane. Therefore, in order to improve fuel cell performance, it is desirable to narrow the diffusion region. The embodiment of the present invention is characterized in that the angle between the fuel injection channels 131 and 133 and the main channel 135 and the angle between the oxidant injection channels 132 and 134 and the main channel 135 are used as variables, And the angle between the fuel injection channels 131 and 133 and the oxidant injection channels 132 and 134 may be determined so that the diffusion region is minimized as a result of the flow analysis. The commercial fluid analysis program may be, for example, CFD-ACE +, ESI group or France.

일 실시 예로서, 제1 연료 주입 채널(131)과 제1 산화제 주입 채널(132) 간의 각도, 제1 산화제 주입 채널(132)과 제2 연료 주입 채널(133) 간의 각도 및 제2 연료 주입 채널(133) 및 제2 산화제 주입 채널(134) 간의 각도는 0°초과 30°이하로 형성될 수 있다. 이와 같이 주입 채널들(131~134) 간의 각도를 한정한 이유에 대하여는 이후 도 5 내지 도 7을 참조하여 후술한다.The angle between the first oxidant injection channel 132 and the second fuel injection channel 133 and the angle between the first fuel injection channel 132 and the second fuel injection channel 132, The angle between the second oxidant injection channel 133 and the second oxidant injection channel 134 may be formed to be greater than 0 DEG and less than 30 DEG. The reason why the angle between the injection channels 131 to 134 is limited as described above will be described later with reference to FIGS. 5 to 7.

일 실시 예로서, 제1 연료 주입 채널(131)과 제1 산화제 주입 채널(132)은 제1 양극 전극(121)과 제2 음극 전극(122)의 중간 지점에서 메인 채널(135)로 합류되도록 설계되고, 제1 산화제 주입 채널(132)과 제2 연료 주입 채널(133)은 제2 음극 전극(122)과 제2 양극 전극(123)의 중간 지점에서 메인 채널(135)로 합류되도록 설계되고, 제2 연료 주입 채널(133)과 제2 산화제 주입 채널(134)은 제2 양극 전극(123)과 제1 음극 전극(124)의 중간 지점에서 메인 채널(135)로 합류되도록 설계될 수 있다.The first fuel injection channel 131 and the first oxidant injection channel 132 may be joined to the main channel 135 at a midpoint between the first anode electrode 121 and the second anode electrode 122 And the first oxidant injection channel 132 and the second fuel injection channel 133 are designed to merge into the main channel 135 at the midpoint between the second cathode electrode 122 and the second anode electrode 123 The second fuel injection channel 133 and the second oxidant injection channel 134 may be designed to merge into the main channel 135 at a midpoint between the second anode electrode 123 and the first cathode electrode 124 .

본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로 채널(130) 내에서 제1 연료와 제1 산화제 간의 액액계면, 그리고 제2 연료와 제2 산화제 간의 액액계면이 형성되어, 2개의 마이크로유체 연료전지를 직렬 연결한 것에 상응하는 효과가 제공된다. 이와 같은 직렬 스택 구조의 마이크로유체 연료전지는 높은 최대 전력밀도와 전류밀도 특성을 갖는다.According to the embodiment of the present invention, the liquid interface between the first fuel and the first oxidant and the liquid interface between the second fuel and the second oxidant are formed in the microchannel 130, so that two microfluidic fuel cells are connected in series A corresponding effect is provided. Such a series stack microfluidic fuel cell has high maximum power density and current density characteristics.

도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 분해사시도이다. 도 3에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1 내지 도 2에 도시된 실시 예와 동일한 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략한다. 본 명세서에 있어, 동일한 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 참조될 것이다. 도 3을 참조하면, 마이크로 채널(130)에는, 제2 음극 전극(122)과 제2 양극 전극(123)이 접하는 면에 차단벽(125)이 형성될 수 있다. 도 1 내지 도 2에 도시된 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 채널 내의 가운데 전극을 유체의 계면이 분리하여 두 연료전지를 전기적으로 직렬로 연결해주며, 도 3에 도시된 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 채널 내의 가운데 전극을 차단벽(125)이 분리하여 두 연료전지를 전기적으로 직렬로 연결해준다. 차단벽(125)은 예를 들어 SU-8 등의 감광제 재질로 형성될 수 있다. 차단벽(125)은 제1 산화제 주입 채널(132)을 통해 메인 채널(135)로 유입되는 제1 산화제와, 제2 연료 주입 채널(133)을 통해 메인 채널(135)로 유입되는 제2 연료 간의 확산을 차단하는 역할을 수행한다.3 is an exploded perspective view of a microfluidic fuel cell according to a second embodiment of the present invention. In the following description of the embodiment shown in FIG. 3, the same reference numerals will be given to the same components as those shown in FIG. 1 and FIG. In the present specification, the same reference numerals will be referred to as far as possible for the same configurations. 3, a blocking wall 125 may be formed on a surface of the microchannel 130 where the second cathode electrode 122 and the second anode electrode 123 are in contact with each other. The microfluidic fuel cell according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 separates the interface of the fluid from the center electrode in the channel to connect the two fuel cells electrically in series. The microfluidic cell according to the embodiment shown in FIG. The fuel cell separates the center electrode in the channel from the blocking wall 125 and connects the two fuel cells electrically in series. The blocking wall 125 may be formed of a photosensitizing material such as, for example, SU-8. The blocking wall 125 includes a first oxidant flowing into the main channel 135 through the first oxidant injection channel 132 and a second oxidant injected into the main channel 135 through the second fuel injection channel 133. [ And interrupts the spread of the interspecies.

도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 분해사시도이다. 도 4에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1 내지 도 2에 도시된 실시 예와 동일한 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 연료 주입 채널(131)과 제1 산화제 주입 채널(132) 간의 각도 및 제2 연료 주입 채널(133)과 제2 산화제 주입 채널(134) 간의 각도는 90°로 형성될 수 있다. 그리고, 제1 연료와 제1 산화제가 유입되는 제1 주입 채널(133a)과, 제2 연료와 제2 산화제가 유입되는 제2 주입 채널(133a) 간의 각도는 90°로 형성될 수 있다.4 is an exploded perspective view of a microfluidic fuel cell according to a third embodiment of the present invention. In the following description of the embodiment shown in FIG. 4, the same reference numerals will be given to the same components as those shown in FIG. 1 and FIG. 4, the angle between the first fuel injection channel 131 and the first oxidizer injection channel 132 and the angle between the second fuel injection channel 133 and the second oxidizer injection channel 134 are 90 degrees As shown in FIG. The angle between the first injection channel 133a into which the first fuel and the first oxidant are introduced and the second injection channel 133a into which the second fuel and the second oxidant flow into may be 90 °.

도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 4에 도시된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 5, 도 6 및 도 7에서, (a)는 유동 해석 시뮬레이션에 따른 마이크로 채널(130)의 연료 분포도 및 A-A' 단면에 따른 연료 분포도를 나타내고, (b)는 마이크로 채널(130)의 폭 방향 변위에 따른 연료 및 산화제의 농도(concentration) 변화 그래프를 나타낸다.FIG. 5 is a flow simulation result of the microfluidic fuel cell according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the microfluidic device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. FIG. 7 is a view showing a simulation result of a flow analysis of a microfluidic fuel cell according to a third embodiment of the present invention shown in FIG. 4. FIG. 5 (a) and 6 (b) show a fuel distribution diagram of the microchannel 130 and a fuel distribution diagram of the microchannel 130 according to the cross-section AA ' Fig. 3 is a graph showing the concentration change of the fuel and the oxidant depending on the displacement.

도 5 내지 도 7의 (a)에서, 빨간색에 가까울수록 연료의 농도가 높으며, 파란색의 영역에서는 산화제만 흐르는 것을 나타낸다. 제1 연료와 제1 산화제 간의 계면 부근 및 제2 연료와 제2 산화제 간의 계면 부근에서 빨간색에서 파란색으로 변화되는 영역은 제1 연료와 제1 산화제의 혼합 영역에 해당한다. 도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시 예에서 차단벽(125)이 100㎛의 폭을 갖도록 설계된 경우에 대한 결과이다. 도 6에 도시된 결과로부터, 차단벽(125)에 의하여 유체들, 즉 제1 산화제 주입 채널(132)을 통해 메인 채널(135)에 공급된 제1 산화제와, 제2 연료 주입 채널(133)을 통해 메인 채널(135)에 공급된 제2 연료 간의 분리가 확실하게 이루어지는 것을 알 수 있다.In FIGS. 5 to 7A, the closer to red, the higher the fuel concentration, and in the blue region only the oxidant flows. The region near the interface between the first fuel and the first oxidant and the region changing from red to blue near the interface between the second fuel and the second oxidant corresponds to the mixed region of the first fuel and the first oxidant. Fig. 6 is a result of the case where the blocking wall 125 is designed to have a width of 100 mu m in the second embodiment of the present invention shown in Fig. 6 that the first oxidizing agent supplied to the main channel 135 through the fluid, i.e., the first oxidizing agent injection channel 132, and the second oxidizing agent supplied to the second fuel injection channel 133 by the blocking wall 125, It can be seen that the separation of the second fuel supplied to the main channel 135 is reliably performed.

도 5의 (b)와 도 6의 (b)를 참조하면, 차단벽(125)의 영역을 제외하면, 도 1 내지 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 연료 및 산화제 분포는 도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 연료 및 산화제 분포와 흡사하게 나타나며, 확산 영역의 폭 또한 거의 동일함을 알 수 있다. 도 5의 결과는, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지에서, 두 유체(제1 산화제 및 제2 연료)의 계면이 가운데 전극(122,123)을 두 개로 분리시켜 각각 양극 전극(anode)과 음극 전극(cathode)으로 만들어준다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는, 마이크로유체 연료전지 2개가 직렬 연결된 것에 상응하는 효과를 제공한다.Referring to FIGS. 5 (b) and 6 (b), except for the region of the blocking wall 125, the microfluidic fuel cell according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. The distribution of the fuel and the oxidizer is similar to the distribution of the fuel and the oxidizer of the microfluidic fuel cell according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3, and the width of the diffusion region is almost the same. 5 shows that in the microfluidic fuel cell according to the first embodiment of the present invention, the interface between two fluids (the first oxidant and the second fuel) separates the center electrodes 122 and 123 into two, ) And a cathode electrode (cathode). That is, the microfluidic fuel cell according to the first embodiment of the present invention provides an effect equivalent to that of two microfluidic fuel cells connected in series.

도 5, 도 6, 도 7에 도시된 유동 해석 결과에 따라, 제1 양극 전극(121)의 폭은 제1 연료의 농도가 임계값 이상인 제1 영역의 폭(E11,E21,E31)과 동일하게 설계될 수 있다. 제1 양극 전극(121)과 제2 음극 전극(122) 간의 이격 거리는 제1 확산 영역(D11,D21,D31)의 폭과 동일하게 설계될 수 있다. 제2 음극 전극(122)와 제2 양극 전극(123)은 제1 확산 영역(D11,D21,D31)과, 제2 산화제 농도가 임계값 이상인 제2 확산 영역(D12,D22,D32) 사이의 영역(E12)(E22,E23)(E32)에 형성될 수 있다. 제2 양극 전극(123)과 제1 음극 전극(124) 간의 이격 거리는 제2 확산 영역(D12,D22,D32)의 폭과 동일하게 설계될 수 있다. 제1 음극 전극(124)의 폭은 제2 확산 영역(D12,D22,D32)의 폭과 동일하게 설계될 수 있다.According to the flow analysis results shown in FIGS. 5, 6 and 7, the width of the first anode electrode 121 is equal to the width E11, E21, E31 of the first region where the concentration of the first fuel is equal to or greater than the threshold value . &Lt; / RTI > The distance between the first anode electrode 121 and the second anode electrode 122 may be designed to be the same as the width of the first diffusion regions D11, D21, and D31. The second anode electrode 122 and the second anode electrode 123 are formed between the first diffusion regions D11, D21 and D31 and the second diffusion regions D12, D22 and D32, May be formed in the region E12 (E22, E23), E32. The distance between the second anode electrode 123 and the first cathode electrode 124 may be designed to be equal to the width of the second diffusion region D12, D22, D32. The width of the first cathode electrode 124 may be designed to be equal to the width of the second diffusion regions D12, D22, and D32.

도 5의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 참조하면, 제1 양극 전극(121)과 제1 음극 전극(124)의 너비는 300㎛로 결정될 수 있으며, 중앙의 전극(122,123)의 너비는 700㎛로 결정될 수 있다. 또한, 제1 양극 전극(121)과 제2 음극 전극(122) 간의 이격 거리와, 제2 양극 전극(123)과 제1 음극 전극(124) 간의 이격 거리는 각각 400㎛로 결정될 수 있다. 도 6의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 참조하면, 제2 음극 전극(122)의 너비와, 제2 양극 전극(123)의 너비는 각각 300㎛로 결정될 수 있다. 도 5에서, 중앙 측의 100㎛ 너비의 확산 영역은 기능 면에서 중앙의 전극을 두 개의 전극으로 분리시켜, 마치 두 전극이 직렬로 연결시킨 것에 상응하는 역할을 한다.5, the width of the first anode electrode 121 and the first anode electrode 124 may be determined to be 300 mu m, and the width of the center electrodes 122 and 123 may be determined to be 700 mu m have. The distance between the first anode electrode 121 and the second cathode electrode 122 and the distance between the second anode electrode 123 and the first cathode electrode 124 may be determined to be 400 占 퐉. 6, the width of the second anode electrode 122 and the width of the second anode electrode 123 may be determined to be 300 占 퐉, respectively. In Fig. 5, a diffusion region of 100 mu m in width on the center side separates the central electrode in the functional plane into two electrodes, and functions as if the two electrodes are connected in series.

도 5와 도 7을 참조하면, 도 1 내지 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시 예의 경우, 도 4에 도시된 본 발명의 제3 실시 예에 비해 확산 영역의 폭이 좁게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 유체가 만나는 각도, 다시 말해, 인접하는 주입 채널 간의 각도를 작게 설계할수록 확산 영역이 좁아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 제1 연료 주입 채널(131)과 제1 산화제 주입 채널(132) 간의 각도, 제1 산화제 주입 채널(132)과 제2 연료 주입 채널(133) 간의 각도, 제2 연료 주입 채널(133)과 제2 산화제 주입 채널(134) 간의 각도는 0°초과 30°이하로 결정될 수 있다.Referring to FIGS. 5 and 7, in the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the width of the diffusion region is narrower than that of the third embodiment of the present invention shown in FIG. have. That is, as the angle at which the fluid meets, that is, the angle between the adjacent injection channels is designed to be smaller, the diffusion region becomes narrower. The angle between the first oxidant injection channel 132 and the second fuel injection channel 133 and the angle between the first fuel injection channel 131 and the first oxidant injection channel 132, And the second oxidant injection channel 134 may be determined to be greater than 0 DEG and less than 30 DEG.

마이크로 유동에서의 물질 전달은 대류/확산, 일렉트로마이그레이션(electromigration), 화학반응의 영향을 받는다. 화학반응과 일렉트로마이그레이션이 없는 상태에서는 유체들이 평행하게 흐를 때 유체가 흐르는 방향의 수직방향으로의 확산만으로 혼합이 발생한다. 이러한 현상은 페클레 수(Peclet number)로 표현되며, 페클레 수는 유체의 대류에 대한 확산의 비로 나타낼 수 있다. 마이크로 채널의 유동에서는 유체가 흐르는 방향의 수직방향으로의 확산비율이 유체가 흐르는 방향의 대류 속도보다 작아지며, 이것은 높은 페클레 수로 나타난다. 따라서 두 유체가 주입되는 마이크로 채널 안에서 물질의 확산은 유체들 간의 얇은 계면에서만 일어난다.Mass transfer in microflows is influenced by convection / diffusion, electromigration, and chemical reactions. In the absence of chemical reactions and electromigration, mixing occurs only in the direction perpendicular to the flow direction of the fluid when the fluids flow in parallel. This phenomenon is represented by the Peclet number, and the Peckle number can be expressed as the ratio of diffusion to fluid convection. In the microchannel flow, the diffusion rate in the direction perpendicular to the flow direction of the fluid becomes smaller than the convection velocity in the flow direction of the fluid, which is represented by a high Peccle number. Thus, diffusion of material within the microchannel into which the two fluids are injected occurs only at the thin interface between the fluids.

마이크로 채널 내로 유체들이 주입되어 생기는 확산 영역의 두께는 마이크로 채널의 하류로 갈수록 마이크로 채널의 길이 방향으로의 변위(z)와 평균유속에 비례하여 증가한다. 확산 영역은 마이크로 채널의 배출구로 갈수록 넓어지는 모래시계 모양을 나타내며, 확산 영역의 최대 두께 δx는 아래의 식 1과 같은 관계로 나타낼 수 있다.The thickness of the diffusion region resulting from the injection of fluids into the microchannel increases in proportion to the displacement (z) in the longitudinal direction of the microchannel and the average flow rate toward the downstream of the microchannel. The diffusion region shows an hourglass shape that gets wider toward the outlet of the microchannel, and the maximum thickness δx of the diffusion region can be expressed by the following Equation 1.

[식 1][Formula 1]

δ_x∝(DHz/U)^1/3 ? _x ? (DHz / U) ^1/3

여기서, D는 확산 계수, H는 마이크로 채널(130)의 높이, U는 유속을 나타낸다. 층류는 관성력보다 점성력이 더 지배적이기 때문에 체적에 비해 표면적에 대한 효과가 훨씬 커지는 특징을 나타내며, 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number, Re)를 가진다. 레이놀즈 수는 무차원 변수이며, 아래의 식 2와 같이 운동하는 유체가 가진 관성력에 대한 점성력의 비로써 나타낼 수 있다.Where D is the diffusion coefficient, H is the height of the microchannel 130, and U is the flow rate. Laminar flow has a higher Reynolds number (Reynolds number, Re), which is much more effective on the surface area than the volume because the viscous force is more dominant than the inertial force. The Reynolds number is a dimensionless variable and can be expressed as the ratio of the viscous force to the inertial force of the moving fluid as shown in Equation 2 below.

[식 2][Formula 2]

Re = ρUD/μRe = ρUD / μ

ρ는 유체의 밀도, U는 유체의 속도, D는 유체가 흐르는 관의 직경, μ는 유체의 동점성을 나타낸다. 레이놀즈 수가 2100 이하에서는 층류 유동, 2100과 4000 사이에서는 천이 유동, 4000 이상에서는 난류 유동의 특징을 나타낸다. 이에 따라, 마이크로 채널(130) 내에서 층류(laminar flow)가 발생된다. 비압축성 유체 유동에서의 속도장 u는 아래의 식 3과 같은 나비어-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation)의 해로 추정할 수 있다.ρ is the density of the fluid, U is the velocity of the fluid, D is the diameter of the tube through which the fluid flows, and μ is the kinetic viscosity of the fluid. Laminar flow at Reynolds number less than 2100, transition flow at between 2100 and 4000, and turbulent flow at over 4000. Accordingly, a laminar flow is generated in the microchannel 130. The velocity field u in the incompressible fluid flow can be estimated as a solution of the Navier-Stokes equation as shown in Equation 3 below.

[식 3][Formula 3]

여기서, p는 압력,

는 단위부피당 체적력(body force)을 나타낸다. 매우 낮은 레이놀즈 수에서는 비선형 대류항이 무시될 수 있으므로, 아래의 식 4와 같이 추정할 수 있다.Where p is the pressure,

Represents a body force per unit volume. Since the nonlinear convection term can be neglected at a very low Reynolds number, it can be estimated as Equation 4 below.

[식 4][Formula 4]

질량 보존의 연속방정식은 아래의 식 5와 같다.The continuity equation of mass conservation is shown in Equation 5 below.

[식 5][Formula 5]

연속방정식에서 비압축성 조건을 적용하면 아래의 식 6과 같다.Applying incompressible conditions in the continuity equation,

[식 6][Formula 6]

여기서,

는 검사표면을 통하여 단위시간에 단위체적당 확산하는 체적을 의미한다. 유동 해석은, 식 3 내지 식 6에 따라 수행될 수 있다.here,

Refers to the volume that diffuses per unit volume per unit time through the test surface. The flow analysis can be performed according to Equations 3 to 6.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 제조 방법의 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 제조 방법은, 기판(110)상에 전극들(120)을 형성하는 단계(S81), 기판(110)상에 마이크로 채널(130)을 형성하는 측벽부(140)를 형성하는 단계(S82), 커버부(150)를 제조하는 단계(S83), 및 마이크로 채널(130)을 덮도록 커버부(150)를 기판(110)상에 형성하는 단계(S84)를 포함한다.8 is a flowchart of a method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, a method of fabricating a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention includes forming electrodes 120 on a substrate 110 (S81) A step S82 of forming a side wall part 140 forming the microchannel 130, a step S83 of forming a cover part 150 and a step of forming a cover part 150 to cover the microchannel 130, (Step S84).

이하에서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 제조 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, (a)~(d) 과정에서 리프트-오프(lift-off) 공정을 통해 기판(110)상에 전극들(120)이 형성되고, (e)~(g) 과정에서 기판(110)상에 측벽부(140)가 형성되며, (h) 과정에서 기판(110)상에 커버부(150)가 형성된다.Hereinafter, a method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in more detail. 9 is a view for explaining a process of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention. 9, electrodes 120 are formed on a substrate 110 through a lift-off process in the steps (a) to (d), and in the steps (e) to (g) A side wall part 140 is formed on the substrate 110 and a cover part 150 is formed on the substrate 110 in step (h).

도 9의 (a) 과정에서, 세정 처리된 기판(110)상에 감광제(120a)가 코팅된다. 감광제 코팅에 앞서, 기판 세정 공정을 수행하는 이유는 감광제의 접착성을 높이기 위해서이다. 즉, 기판(110)에 불순물이 존재하면, 전극(121~124) 형성을 위한 감광제의 접착성이 떨어지고, 막의 형성이 불균일해지기 때문이다. 기판(110) 표면의 불순물을 제거하기 위하여, 예를 들어 피라냐(piranha) 용액(H₂SO₄, H₂O₂가 4:1 비율로 혼합된 용액) 등의 세정 용액을 이용하여, 기판(110)을 소정 시간(예를 들어, 약 10분) 동안 세정 처리할 수 있다. 세정 처리가 끝나면, 기판(110) 표면을 탈 이온수로 씻어낸 후, N₂ Gun으로 물기를 제거할 수 있다. 이후, 핫플레이트(hot plate)에서 기판(110)을 200℃ 온도로 3분간 건조하여 물기를 제거할 수 있다.9A, the photoresist 120a is coated on the cleaned substrate 110. In this case, The reason for performing the substrate cleaning process prior to the coating of the photosensitive agent is to improve the adhesion of the photosensitive agent. That is, if impurities are present in the substrate 110, the adhesiveness of the photosensitive agent for forming the electrodes 121 to 124 is deteriorated, and the formation of the film becomes uneven. A cleaning solution such as a piranha solution (a solution in which H ₂ SO ₄ and H ₂ O ₂ are mixed in a 4: 1 ratio) or the like is used to remove impurities on the surface of the substrate 110, 110) may be cleaned for a predetermined time (e.g., about 10 minutes). When the cleaning process is completed, the surface of the substrate 110 may be rinsed with deionized water, and the water may be removed with an N ₂ Gun. Thereafter, the substrate 110 is dried at a temperature of 200 ° C for 3 minutes on a hot plate to remove moisture.

도 9의 (a) 과정에서, 세정 처리된 기판(110)상에 도포되는 감광제(120a)로는, 예를 들어 AZ 5214E 등의 양성 감광제가 사용될 수 있다. 감광제로 양성 감광제를 이용하는 경우, 포토레지스트 코팅(photoresist coating)시 양성 감광제와 기판(110) 간의 접착력을 높이기 위해, 예를 들어 HMDS(Hexamethyldisilazane) 용액을 이용하여 기판(110)을 친수성(hydrophilic)에서 소수성(hydrophobic)으로 표면 처리한 후에, 양성 감광제를 코팅할 수 있다.9A, a positive photoresist such as AZ 5214E may be used as the photoresist 120a to be coated on the cleaned substrate 110, for example. When a positive photosensitive agent is used as a photosensitive agent, the substrate 110 is hydrophilic, for example, by using a hexamethyldisilazane solution, in order to increase the adhesion between the positive photosensitive agent and the substrate 110 in photoresist coating. After surface treatment with hydrophobic, a positive photoresist can be coated.

기판(110) 위에 감광제(120a)가 도포된 후, (b) 과정에서 전극이 증착될 부분만을 제거하기 위해 마스크(mask)(120b)를 이용하여 자외선 등을 조사하여 포토리소그래피(photolithography) 노광 공정을 실시한다. 이러한 포토리소그래피 공정은 예를 들어 MA-6 마스크 얼라이너(aligner)를 이용하여 1회 또는 복수 회에 걸쳐 수행될 수 있다.After the photoresist 120a is coated on the substrate 110, a photolithography exposure process is performed by irradiating ultraviolet rays or the like using a mask 120b in order to remove only a portion to which the electrode is to be deposited in the process (b) . Such a photolithography process can be performed once or plural times using, for example, an MA-6 mask aligner.

다음으로, 전극 형성을 위해 (c) 과정에서 예를 들어, 전자빔 기상증착법(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 또는 증착(evaporation) 등의 물리기상 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition)을 통해 금속 박막(120c)을 증착할 수 있다. 증착(evaporation) 공정을 이용하면 간단하고 빠르고 저렴하게 금속 박막(120c)을 증착할 수 있다. 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하면 균일한 막질을 얻을 수 있다. 일반적으로, 전자빔 기상증착법 공정시 챔버의 온도는 40℃ 정도이므로 포토레지스터를 이용한 리프트-오프(lift-off) 기법에 적용 가능하다.Next, in the step (c) for forming the electrode, a metal layer is formed by physical vapor deposition (PVD) such as e-beam evaporation, sputtering or evaporation, The thin film 120c can be deposited. Using the evaporation process, the metal thin film 120c can be deposited simply, quickly, and inexpensively. A uniform film quality can be obtained by using a sputtering process. Generally, since the temperature of the chamber is about 40 캜 in the electron beam vapor deposition process, it is applicable to a lift-off technique using a photoresist.

예를 들어, 백금(Pt)과 같은 전극은 글래스(glass) 기판과의 접착력이 약하므로, 감광제 패턴이 형성된 후, 리프트-오프에 의해 전극이 형성되기 전에, 접착층(adhesion layer)(미도시)을 형성시키고, 그 후에, 백금이나 금과 같은 금속 박막을 증착하여 전극을 형성하는 것도 가능하다. 이러한 접착층으로는, 예를 들어 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 등이 사용될 수 있다.For example, since an electrode such as platinum (Pt) has weak adhesion to a glass substrate, an adhesion layer (not shown) may be formed before the electrode is formed by lift-off after the photosensitive pattern is formed. And then, a metal thin film such as platinum or gold is deposited to form an electrode. As such an adhesive layer, for example, chromium (Cr) or titanium (Ti) may be used.

전극층(120c)이 형성되면, 리프트-오프(lift-off)를 통해 감광제(120a)를 제거한다. 리프트-오프는 예를 들어 아세톤(acetone) 용액 안에 웨이퍼를 담가두고, 아세톤 용액과 감광제(120a)를 반응시켜 줌으로써 진행할 수 있다. 리프트-오프 공정이 끝나면, 탈 이온수로 세척을 한 후, N₂ 가스를 이용하여 건조시키고, 마지막으로 다이싱소(dicing saw)를 이용해 다이싱(dicing)함으로써, 도 9의 (d)에 도시된 바와 같은 전극(121,122,123,124)과, 배선(126,127) 및 금속 패드(128,129)를 기판(110) 위에 형성할 수 있다.When the electrode layer 120c is formed, the photoresist 120a is removed through a lift-off. The lift-off can proceed, for example, by immersing the wafer in an acetone solution and reacting the acetone solution with the photoresist 120a. When the lift-off process is completed, the substrate is washed with deionized water, dried using N ₂ gas, and finally diced by using a dicing saw. As shown in FIG. 9D, The electrodes 121, 122, 123 and 124 as well as the wirings 126 and 127 and the metal pads 128 and 129 can be formed on the substrate 110.

측벽부(140)를 형성하지 않고 바닥면에 미세 홈이 형성된 커버부를 기판(110)에 접착시켜 마이크로 채널을 형성할 경우, 커버부가 기판(110)의 전극 위에 접착될 수 있다. 이러한 경우, 연료와 산화제 주입시 형성되는 계면이 전극의 측면에서 형성되고, 연료 및 산화제가 동일한 면적의 전극 표면과 반응하지 않게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 현상은 마이크로유체 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다.When the microchannel is formed by adhering the cover portion having the micro groove on the bottom surface to the substrate 110 without forming the side wall portion 140, the cover portion may be adhered on the electrode of the substrate 110. In such a case, the interface formed at the time of injecting the fuel and the oxidant may be formed at the side of the electrode, and the fuel and the oxidant may not react with the electrode surface of the same area. This phenomenon can degrade the performance of microfluidic fuel cells.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 기판(110)상에 측벽부(140)를 형성하고, 측벽부(140) 위에 커버부(150)를 형성하는 과정을 수행할 수 있다. 포토레지스트를 이용하여 측벽부(140)를 형성하여 마이크로 채널(130)의 벽을 형성한 후, 커버부(150)를 편평하게 만들어 덮개 역할을 하도록 접착하면, 육안으로 정밀하게 정렬할 필요 없이 손쉽게 마이크로유체 연료전지를 제작할 수 있다. 측벽부(140)를 형성하기 위해, 감광제, 예를 들어, SU-8 3035와 같은 음성 감광제를 사용할 수 있다. 즉, 도 9의 (e) 과정에서 전극(121~124)이 형성된 기판(110)에 음성 감광제(140a)를 코팅한 후, (f) 과정에서 마스크(140b)를 이용한 패터닝 및 리프트-오프(lift-off) 공정을 수행하여, 도 9의 (g)에 도시된 바와 같이 측벽부(140)를 형성할 수 있다.In order to solve such a problem, a process of forming a side wall portion 140 on the substrate 110 and forming a cover portion 150 on the side wall portion 140 may be performed. When the side wall 140 is formed using photoresist to form the walls of the microchannel 130 and then the cover 150 is flattened and adhered to serve as a lid, A microfluidic fuel cell can be manufactured. To form the side wall portion 140, a photosensitizer, for example, a negative photosensitizer such as SU-8 3035 may be used. That is, after the negative photoresist 140a is coated on the substrate 110 on which the electrodes 121 to 124 are formed in the process of FIG. 9E, patterning and lift-off using the mask 140b in (f) a lift-off process may be performed to form the side wall 140 as shown in FIG. 9 (g).

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 구성하는 커버부를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 커버부(150)의 제작을 위해, 우선 PDMS(SYGARD 184 silicone elastomer, DOW Corning, USA)와 경화제를 10:1 비율로 혼합하고, 진공 챔버에 넣어 기포를 제거할 수 있다. 예를 들어, 도 10의 (a) 과정에서 실리콘 웨이퍼(161) 위에 감광제(162), 예를 들어 SU-8와 같은 음성 감광제를 코팅한 후, 패턴(163) 상에 노광하여 몰드(mold)(162)를 제작한다. 감광제(162)는 예를 들어 마이크로머시닝(micromachining)을 위해 화학적으로 증폭된 에폭시를 기본으로 한 감광제일 수 있다. 노광 후 열판(hot plate)에서 65℃와 95℃의 두 단계로 가열 건조(PEB; Post Exposure Bake)를 수행할 수 있다.10 is a view for explaining a process of manufacturing a cover part constituting a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention. In order to manufacture the cover part 150, PDMS (SYGARD 184 silicone elastomer, DOW Corning, USA) and a curing agent are mixed at a ratio of 10: 1, and the air bubbles can be removed by putting them in a vacuum chamber. 10 (a), a photosensitizer 162, for example, a negative photosensitizer such as SU-8 is coated on the silicon wafer 161, and then exposed on the pattern 163 to mold the silicon wafer 161. [ (162). The photosensitizer 162 may be a chemically amplified epoxy-based photosensitizer, for example, for micromachining. Post-exposure baking (PEB) can be performed in two steps of 65 ° C and 95 ° C on a hot plate after exposure.

다음으로, 도 10의 (b) 과정에서, 몰드(162)에 기포가 제거된 PDMS(150a)를 붓는다. 이어서, 오븐에서 65℃의 온도로 4시간 동안 가열하여 PDMS(150a)를 경화시킨 후, 실리콘 웨이퍼(161)와 몰드(162)에서 분리하여, 도 10의 (c)에 도시된 바와 같은 커버부(150)를 얻을 수 있다. 최종적으로, 펀치(punch) 등을 이용하여 설계된 치수대로 돌출부(150b)에 주입구(151~154) 및 배출구(155)를 형성함으로써, 평판 형상의 커버부(150)가 완성된다.Next, in the process of FIG. 10 (b), the PDMS 150a from which the air bubbles have been removed is poured into the mold 162. Then, the PDMS 150a is cured by heating in an oven at a temperature of 65 DEG C for 4 hours, and then separated from the silicon wafer 161 and the mold 162 to form a cover portion (150) can be obtained. Finally, the injection ports 151 to 154 and the discharge ports 155 are formed in the protruding portion 150b according to the dimensions designed by using a punch or the like, thereby completing the cover portion 150 in a flat plate shape.

다시, 도 9를 참조하면, (h) 과정에서 측벽부(140)에 커버부(150)를 본딩 결합하여 마이크로유체 연료전지를 제작할 수 있다. 이때, 일 실시 예로, 3-APS(AminoPropyltrimethoxySilane)를 사용하여 측벽부(140)와 커버부(150)의 본딩을 수행할 수 있다. 도 11을 참조하면, 우선, 커버부(150)의 접착할 면에 3-APS를 슬라이드 글라스(slide glass) 등을 이용하여 얇게 펴 바른 다음, 접착할 면을 서로 맞대어 놓고 측벽부(140)와 커버부(150)를 접착함으로써, 마이크로유체 연료전지를 제조할 수 있다.Referring again to FIG. 9, the microfluidic fuel cell may be manufactured by bonding the cover portion 150 to the side wall portion 140 in the process (h). At this time, bonding of the side wall part 140 and the cover part 150 may be performed using 3-APS (AminoPropyltrimethoxySilane). 11, 3-APS is spread thinly on a surface to be adhered of the cover part 150 using a slide glass or the like, and then the side to be adhered is brought into contact with each other, By bonding the cover portion 150, a microfluidic fuel cell can be manufactured.

다른 실시 예로, 질소 또는 산소 플라즈마를 이용하여 커버부(150)와 측벽부(140)를 본딩하는 것도 가능하다. 즉, 측벽부(140)가 형성된 기판(110)과, 3-APS가 얇게 코팅된 커버부(150)를 예를 들어 O₂ 플라즈마로 40초 동안 처리한 다음, 접착할 면을 서로 맞대어 놓고 오븐에서 70℃로 10분간 가열함으로써, 측벽부(140)와 커버부(150)를 접착할 수 있다. 측벽부(140)를 이루는 감광제, 예를 들어 SU-8는 에폭시기(epoxy group), 즉 탄소사슬 중 두 원자가 존재한다. 에폭시 기는 추후 커버부(150)를 이루는 PDMS에 N₂ 플라즈마를 처리해 생긴 아미노기(amino group)와 결합하여 측벽부(140)와 커버부(150)가 접착시키는 역할을 한다.In another embodiment, it is also possible to bond the cover portion 150 and the side wall portion 140 using a nitrogen or oxygen plasma. That is, the substrate 110 on which the side wall 140 is formed and the cover 150 on which the 3-APS is thinly coated are treated with, for example, O ₂ plasma for 40 seconds, The side wall portion 140 and the cover portion 150 can be adhered to each other by heating at 70 占 폚 for 10 minutes. In the photosensitizer constituting the side wall part 140, for example SU-8, there are two atoms of an epoxy group, that is, a carbon chain. The epoxy group is bonded to the amino group formed by the N ₂ plasma treatment of the PDMS forming the cover unit 150 to adhere the side wall 140 and the cover unit 150.

도 13에 도시된 바와 같이, 에폭시 기는, 95℃까지는 처음 상태를 유지하지만, 95℃ 이상의 온도에서는 급격하게 줄어들게 된다. 따라서, 95℃ 이상에서 PEB을 진행할 경우, 커버부(150)와의 본딩 시 PDMS의 아미노기와의 결합을 위한 에폭시 기가 부족하기 때문에, 본딩에 실패할 가능성이 있다. 따라서, 95℃ 이하의 온도로 PEB(post-exposure baking)을 수행할 수 있다.As shown in Fig. 13, the epoxy group maintains its initial state up to 95 캜, but shrinks sharply at a temperature of 95 캜 or higher. Therefore, when PEB is conducted at 95 ° C or higher, there is a possibility that the bonding may fail due to insufficient epoxy groups for bonding with the amino group of PDMS at the time of bonding with the cover part 150. Thus, post-exposure baking (PEB) can be performed at temperatures below 95 ° C.

PEB은 측벽부(140)에 남아있는 용제를 완전히 증발시키고 코팅된 측벽부(140)에 남아있는 잔류 응력, 웨이퍼의 휘어짐(wafer bowing)과 크랙(crack)이 발생되는 것을 최소화하기 위해서 수행할 수 있다. 이후, SU-8 현상액(SU-8 developer, MicroChem, USA)을 이용하여 현상 공정을 한다. 현상이 끝나면 웨이퍼에 남아있는 현상액과 반응물을 제거하기 위하여 IPA(isopropyl alcohol)로 세척을 한다.The PEB can be performed to completely evaporate the solvent remaining in the sidewall 140 and to minimize the residual stresses remaining in the coated sidewall 140 and wafer bowing and cracking of the wafer. have. Thereafter, development is carried out using SU-8 developer (SU-8 developer, MicroChem, USA). After development, wash with IPA (isopropyl alcohol) to remove developer and reactants remaining on the wafer.

한편, PDMS에 O₂ 플라즈마 처리를 하면 OH기(OH group)가 생성되는데, 이것이 측벽부(140), 예를 들어 SU-8에 있는 에폭시 기와 결합하여 본딩이 가능한 것이라고 추측된다. O₂ 플라즈마를 이용하면, 접착제 없이 간단하게 측벽부(140)와 커버부(150)를 본딩할 수 있다. 산소 플라즈마를 이용할 경우, 우선 커버부(150)의 접착할 면을 3분간 O₂ 플라즈마 처리한 다음, 측벽부(140)와 커버부(150)의 접착면을 서로 맞대어 놓고 오븐에서 1시간 동안 가열함으로써, 측벽부(140)와 커버부(150)를 본딩할 수 있다.On the other hand, when the O ₂ plasma treatment is performed on the PDMS, an OH group (OH group) is generated, which can be bonded to the epoxy group in the side wall part 140, for example, SU-8. O ₂ plasma, it is possible to bond the side wall portion 140 and the cover portion 150 without an adhesive. When oxygen plasma is used, the surface to be bonded of the cover portion 150 is subjected to O ₂ plasma treatment for 3 minutes, and then the side surfaces of the side wall portion 140 and the cover portion 150 are brought into contact with each other and heated in the oven for 1 hour The side wall 140 and the cover 150 can be bonded to each other.

연료전지의 전극에서는 산화와 환원 반응이 연속적으로 일어나는데, 양극 전극과 과산화수소 사이에서 전기화학 반응으로 인해 전자가 방출되며, 이때의 기준전극 전위(SHE)는 0.0649(V)이다. 양극 전극에서 일어나는 산화 반응의 화학반응식은 아래의 식 7과 같다.Oxidation and reduction reactions occur continuously in the electrode of the fuel cell. Electrochemical reaction occurs between the anode electrode and the hydrogen peroxide, and the reference electrode potential (SHE) at this time is 0.0649 (V). The chemical reaction formula of the oxidation reaction occurring at the anode electrode is shown in Equation 7 below.

[식 7][Equation 7]

H₂O₂ + OH^- → HO₂ ^- + H₂OH ₂ O ₂ + OH ^- ^- > HO ₂ ^- + H ₂ O

HO₂ ^- + OH^- → O₂ + H₂ + 2e^- HO ₂ ^- + OH ^- > O ₂ + H ₂ + 2e ^-

음극 전극에서는 이온 상태로 존재하는 수소와 양극 전극에서 방출된 전자가 반응하며 이 반응의 결과로서 물이 발생된다. 음극 전극에서 일어나는 환원 반응의 화학반응식은 아래의 식 8과 같다. 이때의 기준전극 전위(SHE)는 1.763(V)이다.In the cathode electrode, hydrogen existing in an ion state reacts with electrons emitted from the anode electrode, and water is generated as a result of the reaction. The chemical reaction formula of the reduction reaction occurring at the cathode electrode is shown in the following Equation 8. The reference electrode potential (SHE) at this time is 1.763 (V).

[식 8][Equation 8]

H₂O₂ + 2H⁺ + 2e^- → 2H₂OH ₂ O ₂ + 2H ⁺ + 2e ^- ? 2H ₂ O

양극 전극과 음극 전극에서 일어나는 전체 반응식을 표현하면, 아래의 식 9와 같다.The entire reaction formula occurring in the anode electrode and the cathode electrode can be expressed by the following equation (9).

[식 9][Equation 9]

2H₂O₂ + 2H⁺ + 2OH^-→ 4H₂O + O₂ 2H ₂ O ₂ + 2H ⁺ + 2OH ^- ? 4H ₂ O + O ₂

반응의 결과로 물과 산소만이 발생하는 것을 알 수 있다. 전체 반응이 일어날 때의 기준 전극 전위는 1.828(V)이다. 양극 전극 및 음극 전극에 과산화수소와 함께 주입되는 수산화나트륨과 황산은 이온 상태로 존재하며 각각 OH^- 이온과 H⁺ 이온을 공급하는 역할을 수행한다. 이때, Na⁺와 SO₄ ² ^-는 전자 방출에 직접적인 역할을 수행하지 않는다. 마이크로유체 연료전지는 이러한 산화 환원 반응에 의하여 전원을 제공한다. 한편, 도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지(100)들을 소켓(180)에 병렬로 복수 개 연결하여, 복수 개의 마이크로유체 연료전지(100)들로부터 동시에 전원을 얻는 것도 가능하다.As a result of the reaction, it can be seen that only water and oxygen are generated. The reference electrode potential at the time of the total reaction is 1.828 (V). Sodium hydroxide and sulfuric acid, which are injected together with hydrogen peroxide in the anode and the cathode, exist in ionic state and serve to supply OH ^- and H ⁺ ions, respectively. At this time, Na ⁺ and SO ₄ ² ^- do not play a direct role in electron emission. Microfluidic fuel cells provide power by this redox reaction. 12, a plurality of microfluidic fuel cells 100 according to an embodiment of the present invention may be connected in parallel to a socket 180 to simultaneously supply power from a plurality of microfluidic fuel cells 100, Can be obtained.

본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지에 대해 전류밀도와 전력밀도를 기준으로 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 측벽부(140)와 기판(110)은 각각 19mm×33.5mm, 19mm×44mm의 크기로 제작되었으며, 커버부(150)는 측벽부(140)와 동일한 크기로 제작되었다. 마이크로 채널(130)은 2.3mm 너비, 50㎛ 높이로 설계되었다. 전극들(120)의 길이는 20mm로 설계되었다. 커버부(150)에는 지름이 각각 2mm와 3mm인 주입구(151~154)와 배출구(155)가 형성되었다.Experiments were performed to evaluate the performance of the microfluidic fuel cell according to the present invention based on current density and power density. The side wall 140 and the substrate 110 are 19 mm × 33.5 mm and 19 mm × 44 mm respectively and the cover 150 has the same size as the side wall 140. The microchannel 130 was designed with a width of 2.3 mm and a height of 50 탆. The length of the electrodes 120 was designed to be 20 mm. The cover 150 has injection ports 151 to 154 and an outlet 155 having diameters of 2 mm and 3 mm, respectively.

전류밀도와 전력밀도의 측정을 위해 퍼텐쇼스탯(potentiostat)(WEIS500, WonA Tech, Korea)을 사용하였다. 연료전지의 양극 전극에 퍼텐쇼스탯의 워킹(working) 단자를 연결하고, 소켓에 퍼텐쇼스탯의 회로를 연결한 뒤, 연료전지를 소켓에 끼워 고정하였다. 주사기에 연료와 산화제를 채워 넣고 펌프에 장착하고, 튜브로 연결된 팁을 연료전지 주입구에 끼워 넣은 후, 퍼텐쇼스탯 회로에 연결한 마이크로 유체 연료전지에 실리지 펌프(KD Scientific, Boston, USA)를 이용하여 연료와 산화제를 주입하였다.Potentiostat (WEIS500, WonA Tech, Korea) was used to measure current density and power density. The working terminal of the potentiostat was connected to the anode electrode of the fuel cell, the circuit of the potentiostat was connected to the socket, and the fuel cell was fixed to the socket. The tip of the tube was inserted into the fuel cell inlet, and the microfluidic fuel cell connected to the potentiostat circuit was charged with a cylinder pump (KD Scientific, Boston, USA). And injected with fuel and oxidant.

양극 전극(121,123)으로 흘려주기 위해, 연료 주입구(151,153)을 통해 0.75M의 과산화수소와 0.75M의 수산화나트륨을 1:1로 혼합한 연료를 주입하고, 음극 전극(122,124)으로 흘려주기 위해, 산화제 주입구(152,154)를 통해 0.75M의 과산화수소와 0.375M의 황산을 1:1로 혼합한 산화제를 주입하여, 연료전지의 성능을 평가하였다. 이때, 연료와 산화제는 10000 N/m² 압력으로 주입하였다.A fuel mixture of 0.75 M hydrogen peroxide and 0.75 M sodium hydroxide in a ratio of 1: 1 is injected through the fuel injection ports 151 and 153 to flow into the anode electrodes 121 and 123, The performance of the fuel cell was evaluated by injecting an oxidizer in which 0.75 M hydrogen peroxide and 0.375 M sulfuric acid were mixed 1: 1 through the injection ports 152 and 154. At this time, the fuel and the oxidant were injected at a pressure of 10000 N / m ² .

전류밀도를 측정하는 방법으로 전류 스윕(current sweep) 방법을 사용하였다. 이는 전류를 변화시키면서 그때의 전압값을 측정하는 방식이다. 그리고 측정된 전류값을 전극의 면적으로 나누어 전류밀도 값을 구하고 전압값과 정리하여 전류밀도 그래프로 나타내었다. 전력밀도는 정리된 전류밀도 그래프에서 전류밀도와 그 값에 대응하는 전압을 곱하여 계산할 수 있다.A current sweep method was used to measure the current density. This is a method of measuring the voltage value while changing the current. The current density value is obtained by dividing the measured current value by the area of the electrode, and is represented by a current density graph together with the voltage value. The power density can be calculated by multiplying the current density by the voltage corresponding to the current density in the ordered current density graph.

먼저, 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지(유체계면 연료전지)에 대하여, 주입구에 50㎕/min 에서 500 ㎕/min까지 변화를 주어 산화제와 연료를 주입하여, 유량에 따른 최대전력과 최대전력밀도를 측정하였다. 도 14는 도 1에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유량에 따른 최대 전력, 최대 전력밀도의 변화를 보여주는 그래프이다.First, with respect to the microfluidic fuel cell (fluid interface fuel cell) according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, oxidant and fuel were injected into the injection port at a rate of 50 μl / min to 500 μl / min , And maximum power and maximum power density according to flow rate. 14 is a graph showing changes in maximum power and maximum power density according to the flow rate of the microfluidic fuel cell shown in FIG.

도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 경우, 연료와 산화제의 유량이 150~250㎕/min, 특히 200㎕/min일 때 가장 큰 최대전력과, 최대전력밀도를 나타낸다. 연료와 산화제의 유량이 150㎕/min 미만일 경우, 유체계면의 형성이 잘 이루어지지 않아 연료전지 성능이 저하되고, 연료와 산화제의 유량이 250㎕/min를 초과하면, 전극과 유체가 산화 환원 반응할 수 있는 시간이 줄어들어 연료 전지의 성능이 저하된다고 추측할 수 있다. 유량이 200㎕/min일 때, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체계면 연료전지의 최대전력량과 최대전력밀도는 각각 0.329W와, 2.746mW/cm²이다. 도 15는 도 1에 도시된 마이크로유체 연료전지의 전류밀도에 따른 전압, 전력밀도의 변화를 보여주는 그래프이다. 연료와 산화제의 유량이 200㎕/min일 때, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체계면 연료전지의 최대전류밀도는 약 8.9 mA/cm²이고, 최대전력밀도는 2.746mW/cm²이다.As shown in FIG. 14, in the case of the microfluidic fuel cell according to the first embodiment of the present invention, when the flow rate of the fuel and the oxidant is 150 to 250 μl / min, especially 200 μl / min, Represents the maximum power density. When the flow rate of the fuel and the oxidant is less than 150 μl / min, the formation of the fluid interface is not performed well and the performance of the fuel cell deteriorates. If the flow rate of the fuel and the oxidant exceeds 250 μl / min, It can be deduced that the performance time of the fuel cell is deteriorated because the time that can be consumed is reduced. When the flow rate is 200 μL / min, the maximum power density and the maximum power density of the fluid interface fuel cell according to the first embodiment of the present invention are 0.329 W and 2.746 mW / cm ^2, respectively. 15 is a graph showing changes in voltage and power density according to the current density of the microfluidic fuel cell shown in FIG. When the flow rate of the fuel and the oxidant is 200 μL / min, the maximum current density and the maximum power density of the fluid interface fuel cell according to the first embodiment of the present invention are about 8.9 mA / cm ² and 2.746 mW / cm ^2, respectively.

도 3에 도시한 마이크로유체 연료전지에 대하여도, 50㎕/min에서 450㎕/min까지 변화를 주면서 산화제와 연료를 주입하여, 각 유량에 해당하는 전력과 전력밀도를 구하였다. 도 16은 도 3에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유량에 따른 최대 전력, 최대 전력밀도의 변화를 보여주는 그래프이다. 본 발명의 제2 실시 예의 경우에도, 본 발명의 제1 실시 예와 마찬가지로, 연료와 산화제의 유량이 150~250㎕/min, 특히 200㎕/min일 때 가장 큰 최대전력량과 최대 전력밀도를 나타낸다.For the microfluidic fuel cell shown in FIG. 3, the oxidant and fuel were injected while changing the flow rate from 50 μl / min to 450 μl / min, and power and power density corresponding to each flow rate were determined. 16 is a graph showing changes in maximum power and maximum power density according to the flow rate of the microfluidic fuel cell shown in FIG. Also in the case of the second embodiment of the present invention, as in the first embodiment of the present invention, the maximum power amount and the maximum power density are shown when the flow rate of the fuel and the oxidizer is 150 to 250 μl / min, especially 200 μl / min .

이는 본 발명의 제2 실시 예에서, 연료와 산화제의 유량이 150~250㎕/min일 때 최적의 유체계면이 형성되어 산화·환원 반응이 효율적으로 일어나기 때문으로 추측된다. 연료와 산화제의 유량이 150㎕/min 미만일 경우 유체 계면 형성이 잘 이루어지지 않아 생성되는 전력의 감소가 초래되고, 250㎕/min 초과 시에는 전극과 유체가 산화·환원 반응하는 시간이 줄어 전력이 감소되는 것으로 추정할 수 있다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대전력과 최대전력밀도는 각각 0.303W와 2.54mW/cm²이다.This is presumably because, in the second embodiment of the present invention, when the flow rate of the fuel and the oxidant is 150 to 250 ㎕ / min, the optimum fluid interface is formed and the oxidation / reduction reaction occurs efficiently. When the flow rate of the fuel and the oxidant is less than 150 μl / min, the formation of the fluid interface is not performed well, resulting in a reduction in generated power. When the flow rate exceeds 250 μl / min, It can be estimated that it decreases. The maximum power and maximum power densities of the microfluidic fuel cell according to the second embodiment of the present invention are 0.303 W and 2.54 mW / cm ^2, respectively.

도 17은 도 3에 도시된 마이크로유체 연료전지의 전류밀도에 따른 전압, 전력밀도의 변화를 보여주는 그래프이다. 연료와 산화제의 유량이 200㎕/min일 때, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대전류밀도는 약 5.4 mA/cm²이고, 최대전력밀도는 2.54mW/cm²이다.17 is a graph showing changes in voltage and power density according to the current density of the microfluidic fuel cell shown in FIG. When the flow rate of the fuel and the oxidant is 200 μL / min, the maximum current density and the maximum power density of the microfluidic fuel cell according to the second embodiment of the present invention are about 5.4 mA / cm ² and 2.54 mW / cm ^2, respectively.

도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대전력 개선 효과를 보여주는 그래프이다. 도 18은 단일 연료전지에서 구할 수 있는 최대전력량, 즉 연료와 산화제의 유량이 3000㎕/min일 때 측정된 전력량인 166mW와 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체계면 연료전지, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대전력량을 비교한 그래프를 보여준다. 비교 예로 사용된 단일 연료전지는 하나의 양극 전극과, 하나의 음극 전극만을 구비하고, 하나의 연료 주입구, 하나의 산화제 주입구를 통해 연료와 산화제를 공급하는 형태이다.18 is a graph showing the maximum power improvement effect of the microfluidic fuel cell according to the embodiment of the present invention. 18 is a graph showing the relationship between the maximum amount of power available in a single fuel cell, i.e., 166 mW, which is measured when the flow rate of fuel and oxidizer is 3000 l / min, and the liquid interface fuel cell according to the first embodiment of the present invention, 2 is a graph comparing a maximum power amount of a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention. The single fuel cell used as a comparative example has only one anode electrode and only one cathode electrode, and supplies fuel and oxidant through one fuel inlet and one oxidant inlet.

도 18로부터, 본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로유체 연료전지는 단일 연료전지에 비해 최대전력량이 높은 것을 알 수 있다. 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체계면 연료전지는, 단일 연료전지에 비해, 최대전력량이 약 1.98배 향상된다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는, 단일 연료전지에 비해 최대전력량이 약 1.8배 향상된다. 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지가, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지보다 높은 최대전력량을 나타낸다.18, it can be seen that the microfluidic fuel cell according to the embodiments of the present invention has a higher maximum electric power than the single fuel cell. In the fluid interface fuel cell according to the first embodiment of the present invention, the maximum amount of power is improved by about 1.98 times as compared with the single fuel cell. The microfluidic fuel cell according to the second embodiment of the present invention improves the maximum power amount by about 1.8 times as compared with the single fuel cell. The microfluidic fuel cell according to the first embodiment of the present invention exhibits a higher maximum power amount than the microfluidic fuel cell according to the second embodiment of the present invention.

도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대전력밀도 개선 효과를 보여주는 그래프이다. 도 19는 단일 연료전지에서 구할 수 있는 최대전력밀도, 즉 연료와 산화제의 유량이 3000㎕/min일 때 측정된 전력밀도인 2.78 mW/cm²와, 유체계면 연료전지, SU-8 line 연료전지의 최대전력밀도를 비교한 그래프를 보여준다. 도 19로부터, 최대전력밀도 역시 단일 연료전지보다 스택 구조를 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지가 더 높은 것을 알 수 있다. 단일연료전지와 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체계면 연료전지를 비교했을 경우 유체계면 연료전지의 최대전력밀도는 약 1.2% 감소되고, 단일 연료전지와 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지를 비교했을 경우, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지의 최대전력밀도는 약 9.4% 감소된다. 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체계면 연료전지와 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지를 비교하면 유체계면 연료전지가 더 높은 최대전력밀도를 나타내는 것을 알 수 있다.19 is a graph showing the effect of improving the maximum power density of a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention. 19 is a graph showing the relationship between the maximum power density obtained in a single fuel cell, i.e., 2.78 mW / cm ² , which is the power density measured when the fuel and the oxidant flow rate is 3000 μL / min, Of the maximum power density of the first embodiment. It can be seen from FIG. 19 that the maximum power density is also higher for a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention having a stack structure than a single fuel cell. When the single fuel cell and the fluid interface fuel cell according to the first embodiment of the present invention are compared, the maximum power density of the fluid interface fuel cell is reduced by about 1.2%, and the single fuel cell and the fuel according to the second embodiment of the present invention When the batteries are compared, the maximum power density of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention is reduced by about 9.4%. A comparison of the fluid interface fuel cell according to the first embodiment of the present invention and the fuel cell according to the second embodiment of the present invention shows that the fluid interface fuel cell exhibits a higher maximum power density.

본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로유체 연료전지는 단일 연료전지에 비하여 전력 향상 효과를 제공한다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지가 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체계면 연료전지보다 최대전력량과 최대전력밀도 모두 낮게 나오는 것을 알 수 있었다. 그 이유는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지에서 가운데 전극을 분리하기 위해 설치한 차단벽이 저항으로 작용하기 때문으로 추측된다. 이를 검증하기 위해 두 연료전지의 가운데 전극의 표면저항을 측정한 결과, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체계면 연료전지는 약 56Ω으로 측정되며, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지는 약 60Ω으로 측정된다. 따라서, 본 발명의 제2 실시 예에서, 차단벽(125)이 전극에 있어 저항으로 작용하여 연료전지의 성능을 저하시켰을 것이라 추측할 수 있다.The microfluidic fuel cell according to embodiments of the present invention provides a power enhancement effect compared to a single fuel cell. It can be seen that the fuel cell according to the second embodiment of the present invention has lower maximum power amount and maximum power density than the fluid interface fuel cell according to the first embodiment of the present invention. The reason for this is presumably because the blocking wall provided for separating the middle electrode in the fuel cell according to the second embodiment of the present invention acts as a resistor. As a result of measuring the surface resistance of the middle electrode of the two fuel cells, the fluid interface fuel cell according to the first embodiment of the present invention is measured at about 56 OMEGA. In the fuel cell according to the second embodiment of the present invention, It is measured at about 60 OMEGA. Therefore, in the second embodiment of the present invention, it can be inferred that the blocking wall 125 acts as a resistance in the electrode, thereby deteriorating the performance of the fuel cell.

본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 최대전력이 단일 연료전지보다 약 2배 정도 향상이 되었으며 최대전력밀도는 거의 동일하다. 비교 예에 해당하는 단일 연료전지의 총 면적은 4.95cm²이며, 본 발명의 실시 예에 따른 스택 구조를 적용한 연료전지의 총면적은 6.365cm²이다. 면적은 약 28% 증가되지만, 이에 비해 최대전력은 약 98% 정도 대폭 증가된다. 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 직렬스택구조가 적용되어, 연료전지의 면적을 기준으로 한 마이크로유체 연료전지의 전력밀도는 향상된다. 본 발명의 실시 예는 랩온어칩 및 바이오칩의 전력원, 현장현시검사(point of care)의 전력원, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전기기기의 전력원으로서 사용될 수 있으며, 또한 가정용, 산업용 및 타 부문 연료전지 기술 등에 응용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로유체 연료전지에서 전극의 재료, 연료, 산화제, 전해질의 종류와 상관없이 형상구조의 변화만으로 성능을 향상시킬 수 있다.The maximum power of the microfluidic fuel cell according to the embodiment of the present invention is improved about twice as much as that of a single fuel cell and the maximum power density is almost the same. The total area of the single fuel cell according to the comparative example is 4.95 cm ^2, and the total area of the fuel cell using the stack structure according to the embodiment of the present invention is 6.365 cm ² . The area is increased by about 28%, but the maximum power is increased by about 98%. The microfluidic fuel cell according to the embodiment of the present invention has a series stack structure, and the power density of the microfluidic fuel cell based on the area of the fuel cell is improved. The embodiment of the present invention can be used as a power source of a portable electric device such as a power source of a lab-on-a-chip and a biochip, a point-of-care power source, a mobile phone, a notebook computer, Sector fuel cell technology. According to the embodiment of the present invention, the performance of the microfluidic fuel cell can be improved only by changing the shape of the electrode regardless of the material of the electrode, the fuel, the oxidant, and the electrolyte.

이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.It is to be understood that the above-described embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention, and it is to be understood that various modifications are possible within the scope of the present invention. It is to be understood that the technical scope of the present invention should be determined by the technical idea of the claims and that the technical scope of the present invention is not limited to the literary description of the claims, To the invention of the invention.

100: 마이크로유체 연료전지 110: 기판
120: 전극들 121: 제1 양극 전극
122: 제2 음극 전극 123: 제2 양극 전극
124: 제1 음극 전극 125: 차단벽
126,127: 배선 128,129: 금속 패드
130: 마이크로 채널 131: 제1 연료 주입 채널
132: 제1 산화제 주입 채널 133: 제2 연료 주입 채널
134: 제2 산화제 주입 채널 135: 메인 채널
140: 측벽부 150: 커버부
151: 제1 연료 주입구 152: 제1 산화제 주입구
153: 제2 연료 주입구 154: 제2 산화제 주입구
155: 배출구 180: 소켓100: Microfluidic fuel cell 110: Substrate
120: electrodes 121: first anode electrode
122: second negative electrode 123: second positive electrode
124: first negative electrode 125: blocking wall
126, 127: wiring 128, 129: metal pad
130: Microchannel 131: First fuel injection channel
132: first oxidant injection channel 133: second fuel injection channel
134: Second oxidant injection channel 135: Main channel
140: side wall part 150: cover part
151: first fuel inlet 152: first oxidant inlet
153: second fuel inlet 154: second oxidant inlet
155: Outlet 180: Socket

Claims

A substrate having a first anode electrode and a microchannel in which a first cathode electrode is formed; And
And a cover portion formed on the substrate so as to cover the microchannel and including an oxidant inlet for injecting oxidant and fuel into the microchannel and a fuel inlet,
Wherein at least one electrode is further formed between the first anode electrode and the first cathode electrode in the microchannel,
Wherein a plurality of the oxidant injection ports and the fuel injection ports are alternately formed in the cover portion.

The method according to claim 1,
Wherein the at least one electrode comprises:
A second cathode electrode formed between the first anode electrode and the first cathode electrode in the microchannel; And
And a second anode electrode formed between the second cathode electrode and the first cathode electrode in the microchannel.

3. The method of claim 2,
The cover portion is provided with a first fuel injection port through which the first fuel is injected into the first anode electrode, a first oxidant inlet through which the first oxidant is injected into the second cathode electrode, And a second oxidant inlet port through which the second oxidant is injected into the first cathode electrode are formed.

The method of claim 3,
Wherein the first anode electrode and the second cathode electrode are formed so as to have a distance corresponding to a diffusion region between the first fuel and the first oxidant calculated by performing a flow analysis on the microchannel using a fluid analysis program Formed,
Wherein the second anode electrode and the first cathode electrode are spaced apart from each other by a distance corresponding to a diffusion region between the second fuel and the second oxidant calculated by performing a flow analysis on the microchannel using the fluid analysis program Wherein the microfluidic fuel cell is configured to have a plurality of cells.

The method of claim 3,
Wherein the microchannel is located on a side where the second cathode electrode and the second anode electrode are in contact with each other, and a blocking wall separating the first oxidant and the second fuel is formed.

The method of claim 3,
The cover portion is further provided with a discharge port for discharging a substance generated by a redox reaction between the first fuel and the first oxidant and a substance generated by a redox reaction between the second fuel and the second oxidant Microfluidic fuel cell.

The method according to claim 6,
The micro-
A main channel formed above the first anode electrode, the first cathode electrode, the second cathode electrode, and the second anode electrode, the main channel being formed to communicate with the discharge port;
A first fuel injection channel formed to communicate between the first fuel injection port and the main channel;
A first oxidant injection channel formed to communicate between the first oxidant inlet and the main channel;
A second fuel injection channel formed to communicate between the second fuel injection port and the main channel; And
And a second oxidant injection channel formed to communicate between the second oxidant inlet and the main channel.

8. The method of claim 7,
Wherein the microchannel has an angle between the first fuel injection channel and the first oxidant injection channel, an angle between the first oxidant injection channel and the second fuel injection channel, and an angle between the second fuel injection channel and the second oxidant injection channel Is formed in a range of more than 0 DEG and less than 30 DEG.

8. The method of claim 7,
Wherein the first fuel injection channel and the first oxidant injection channel are joined to the main channel at an intermediate point between the first anode electrode and the second cathode electrode,
Wherein the first oxidant injection channel and the second fuel injection channel are joined to the main channel at an intermediate point between the second cathode electrode and the second anode electrode,
Wherein the second fuel injection channel and the second oxidant injection channel are joined to the main channel at an intermediate point between the second anode electrode and the first cathode electrode.

A substrate on which a first anode electrode and a first cathode electrode are formed;
A side wall part formed on the substrate and forming a microchannel;
And a cover portion formed on the sidewall portion to cover the microchannel and including an oxidant inlet for injecting oxidant and fuel into the microchannel and a fuel inlet,
Wherein at least one electrode is further formed between the first anode electrode and the first cathode electrode,
Wherein a plurality of the oxidant injection ports and the fuel injection ports are alternately formed in the cover portion.

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