KR101897416B1 - Microfluidic fuel cell and method for improving the performance of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a method for improving the performance of a microfluidic fuel cell and a microfluidic fuel cell.
최근 세계적으로 화석에너지의 고갈문제와 환경문제 등이 중국, 인도, 한국 등의 신흥소비대국의 등장과 중동지역, 남아메리카에서의 자원민족주의의 대두로 더욱 심화되고 있다. 그리고 2008년 3월에 원유가가 100달러를 넘어서면서 사상 초유의 고유가 시대가 도래하였다. 한정된 화석에너지 고갈에 대한 불안이 고조되고 있는 가운데, 2020년 세계 에너지 총 소비량은 15,064백만TOE로 2002년 대비 45% 가량 증가할 것으로 전망되기에, 친환경적이면서 충분한 부존자원이 확보된 신에너지 산업에 관심이 집중되고 있다.Recently, the problem of depletion of fossil energy and environmental problems have become more and more intensified with the emergence of emerging consumption countries such as China, India and Korea, and the rise of resource nationalism in the Middle East and South America. And as the crude oil price surpassed $ 100 in March 2008, the era of high oil prices has arrived. With anxiety about limited fossil energy depletion rising, global energy consumption in 2020 is projected to increase by 45% from 2002 to 15,064 million TOE. Therefore, it is interesting to see the new energy industry, which is eco- .
연료전지(Fuel Cell)란 연료의 산화에 의해서 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 전지를 말한다. 1839년에 영국의 물리학자 Grove, William Robert가 묽은 황산 속에 넣은 아연과 진한 질산 속에 넣은 백금을 양극으로 하는 전지인 Grove 전지를 개발하였는데 이것이 현재의 연료전지의 시초가 되었다. 신에너지로서 기대되는 연료전지는 1960년대에 우주선에 상용화된 이후 자동차, 가정 난방 및 전력공급, 전자기기 등에도 상용화가 진행되었다. 이후 1990년대 환경오염 문제가 나타나면서 환경오염에 대한 부담을 줄일 수 있는 연구와 가솔린 엔진의 2배에 가까운 에너지 효율을 얻을 수 있는 에너지, 자동차용 전원이나 고정동력 장비의 보조전력 등을 중심으로 연구개발이 이루어지고 있다. 미국과 일본을 필두로 유럽 뿐 만아니라 해외 자원에 대한 의존도가 높은 우리나라에서도 많은 연구가 진행되고 있다.Fuel cell is a cell that directly converts energy generated by oxidation of fuel into electric energy. In 1839, British physicists Grove and William Robert developed a Grove cell, an anode made of zinc in dilute sulfuric acid and a platinum anode in dense nitric acid, which became the beginning of the current fuel cell. Fuel cells, which are expected to be a new energy source, were commercialized in spacecraft in the 1960s and commercialized in automobiles, home heating and power supplies, and electronic devices. In the 1990s, research on reducing environmental burden due to environmental pollution problems, energy that can achieve energy efficiency nearly twice that of gasoline engines, and auxiliary power for automotive power supplies and fixed power equipment Development is underway. Much research is underway in Korea, which is dependent not only on Europe but also on overseas resources, beginning with the United States and Japan.
연료전지는 교환막을 필수요소로 한다. 반응 온도가 높을수록 화학반응 효율이 증대되지만 교환막이 건조되면서 양성자 교환성이 낮아지게 되고 효율 또한 낮아지게 된다. 따라서 교환막을 수화상태로 유지해야 하는 구조적인 단점이 있다. 또한 교환막을 통해 연료가 역류하는 연료 역류현상(fuel crossover)도 큰 단점으로 지적되고 있다. 양성자 교환막은 매우 고가이며 연료전지 제작 시 공정이 복잡해진다.Fuel cells require exchange membranes. The higher the reaction temperature, the higher the chemical reaction efficiency but the lower the efficiency of the proton exchange as the exchange membrane is dried. Therefore, there is a structural disadvantage that the exchange membrane must be kept hydrated. In addition, fuel crossover, in which the fuel flows back through the exchange membrane, is also pointed out as a major disadvantage. The proton exchange membrane is very expensive and the process becomes complicated when manufacturing the fuel cell.
마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)는 미세유로에서 흐르는 유체들은 층류를 형성하여 잘 섞이지 않는다는 성질을 이용한다. 즉, 연료와 산화제 유체들을 각각 미세유로 내로 흐르게 하여 연료와 산화제의 액액계면(liquid-liquid interface)을 형성시키고, 이것이 양성자 교환막의 역할을 대신하게 한다. 따라서 교환막의 젖음유지(membrane humidification), 연료 역류현상(fuel crossover), 교환막의 파손 및 막힘 현상 등의 양성자 교환막 연료전지에서의 문제점들을 쉽게 해결할 수 있다. 또한 고가의 교환막을 사용하지 않기 때문에 공정을 단순화 시킬 수 있으며 제작비용을 낮출 수 있다. 따라서, 신 에너지형태의 휴대용 전자기기 전력공급 장치의 개발을 위해 마이크로유체 연료전지에 관한 연구가 필요하며 중요하다.Microfluidic fuel cells utilize the property that fluids flowing in microchannels form laminar flow and do not mix well. That is, fuel and oxidant fluids flow respectively into the microchannel to form a liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant, which replaces the role of the proton exchange membrane. Therefore, problems in proton exchange membrane fuel cells such as membrane humidification, fuel crossover, exchange membrane breakage, and clogging can be easily solved. In addition, since no expensive exchange membrane is used, the process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. Therefore, research on microfluidic fuel cells is necessary and important for the development of portable electronic devices power supplies of new energy type.
마이크로유체 연료전지에 관한 구체적인 연구 중 대한민국 공개특허 제10-2016-0007718호는 마이크로 유체 연료전지에 관한 발명으로, 구체적으로는 연료와 산화제가 흐르도록 마이크로 채널을 구비한 기판; 그리고 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판상에 형성되며, 상기 마이크로 채널로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구 및 연료 주입구가 형성된 커버부를 포함하며, 상기 마이크로 채널의 양측에는 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제1 전극이 형성되고, 상기 마이크로 채널의 중앙측에는 양측의 제1 전극 사이에 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제2 전극이 형성되며, 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 산화제 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되거나, 혹은 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 연료 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되는 구성을 갖는 마이크로 유체 연료전지를 개시하고 있다. 상기 기술은 이와 같은 구성을 통하여 연료전지의 전력 밀도를 높일 수 있다고 언급하고 있다. 그러나, 상기 기술은 마이크로 채널의 일 말단으로 Y-자 형으로 연료와 산화제를 주입하고 있어, 연료와 산화제가 채널 내를 유동하는 과정에서 연료 소모 영역(depletion zone)과 연료 확산 영역(diffusion zone)이 길게 발생하게 되고, 이에 따라 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2016-0007718 discloses a microfluidic fuel cell, which comprises a substrate having a microchannel through which a fuel and an oxidant flow; And a cover portion formed on the substrate so as to cover the microchannel and having a fuel inlet and an oxidant inlet for injecting oxidant and fuel into the microchannel, A second electrode is formed in the longitudinal direction of the microchannel between the first electrodes on both sides of the microchannel, and the oxidant inlet is formed in the center of the microchannel so that the oxidant is injected into the center of the microchannel. And the fuel injection port is formed on both sides of the cover portion around the oxidant inlet port so that the fuel is injected to both sides of the microchannel or the fuel is injected to the center side of the microchannel, The inlet And an oxidant inlet of the disclosed microfluidic fuel cell has a structure formed on both sides of the cover portion around the fuel injection port at the same time formed in the center region such that the oxidizer injected into both sides of the microchannel. The above-mentioned technique mentioned above can increase the power density of the fuel cell. However, since the fuel and the oxidant are injected into the Y-shape at one end of the microchannel, the depletion zone and the diffusion zone of the fuel and the oxidant flow through the channel, And thus the performance of the fuel cell deteriorates.
다음으로, 미국 공개특허 제2006-0210867호도 마이크로유체 연료전지에 관한 발명으로, 구체적으로는 연료와 산화제로 도입되는 제1유체와 제2유체의 pH를 다르게 하는 구성을 포함하고, 이에 따라 연료전지의 성능이 향상된다고 언급하고 있다. 그러나, 상기 연료전지 역시 연료와 산화제를 채널의 일 말단에서 주입하고, 타말단으로 배출되는 구조로, 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역이 길게 발생되어 성능이 저하되는 문제점이 있다.Next, U.S. Published Patent Application No. 2006-0210867 also relates to a microfluidic fuel cell, specifically, a configuration in which the pH of the first fluid and the second fluid introduced into the fuel and the oxidant are different from each other, The performance is improved. However, the fuel cell also has a problem that fuel and oxidant are injected at one end of the channel and discharged to the other end, resulting in a long fuel consumption area and a fuel diffusion area, thereby deteriorating performance.
대한민국 공개특허 제10-2007-0089941호는 이중 전해질 전기화학 전지로서, 제1 전극과 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극의 적어도 일부 사이에 형성된 전기화학 전지 채널을 포함하며, 여기서 상기 제1 전극은 제1 전해질과 접촉할 수 있고, 상기 제2 전극은 상기 제1 전해질과는 다른 제2 전해질과 접촉할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 전해질은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전지 채널을 통해 흐를 수 있는 것인 이중 전해질 전기화학 전지를 개시하고 있다. 상기 기술은 높은 전력의 디바이스를 얻을 수 있고, 쉬운 프로세스로 공정이 수행될 수 있는 장점이 있다고 언급되고 있다. 그러나, 상기 연료전지는 연료와 산화제가 마이크로 채널의 일 말단에서 주입되어 타 말단으로 배출되는 구조이기 때문에 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2007-0089941 is a double-electrolyte electrochemical cell comprising a first electrode and a second electrode, and an electrochemical cell channel formed between at least a portion of the first electrode and the second electrode, wherein The first electrode may be in contact with the first electrolyte and the second electrode may be in contact with a second electrolyte different from the first electrolyte and the first and second electrolytes may be in contact with the first electrode and the second electrolyte, And can flow through the cell channel between the two electrodes. ≪ Desc /
이에 본 발명의 발명자들은 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 유동하는 과정에서 발생하는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 억제하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 연구하여 본 발명을 도출하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention have made a study of a method for improving the performance of a fuel cell by suppressing a fuel consumption region and a fuel diffusion region generated in a process of flowing a fuel and an oxidant in a microchannel.
본 발명의 목적은 성능이 향상된 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a microfluidic fuel cell with improved performance and a method for improving performance of a microfluidic fuel cell.
이를 위하여 본 발명은 To this end,
연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서, 연료와 산화제가 주입되는 연료 주입부 및 산화제 주입부가 마이크로 채널의 양 측면에, 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 동일 거리에 서로 마주보며 위치하고, 상기 연료 주입부 및 산화제 주입부의 중심축은 상기 마이크로 채널의 중심축과 수직이 되도록 형성되고, 상기 마이크로 채널의 내부에는 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 상기 연료 주입부 및 산화제 주입부와 동일 거리에 십자형의 구조물이 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지를 제공하고,A microfluidic fuel cell comprising a microchannel through which a fuel and an oxidant flow, wherein a fuel injection unit and an oxidant injection unit, into which fuel and oxidant are injected, are provided on both sides of the microchannel at equal distances with respect to one end of the microchannel And the central axis of the fuel injecting part and the oxidizing agent injecting part are formed so as to be perpendicular to the central axis of the microchannel. Inside the microchannel, the fuel injecting part and the oxidizing agent injecting part Wherein a cross-shaped structure is positioned at the same distance as the micro fluid fuel cell,
또한 본 발명은 상기 마이크로 유체 연료전지의 연료 주입부 및 산화제 주입부로 각각 연료 및 산화제를 서로 마주보는 방향으로 주입하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공한다.The present invention also provides a method for improving the performance of a microfluidic fuel cell, wherein the fuel and the oxidant are injected into the fuel injector and the oxidizer injector of the microfluidic fuel cell, respectively.
본 발명에 따르면, 연료 전지의 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 유동하는 과정에서 발생하는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 억제하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the performance of the fuel cell can be improved by suppressing the fuel consumption region and the fuel diffusion region generated during the flow of the fuel and the oxidant in the microchannel of the fuel cell.
도 1은 기존의 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널을 보여주는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널을 보여주는 개략도이고,
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널에서 연료와 산화제의 주입부 위치가 변경되면서 형성되어 있는 예를 보여주는 개략도이고,
도 4는 주입부의 형태에 따른 혼합영역의 정도를 보여주는 그래프이고,
도 5는 주입부의 위치에 따른 연료전지의 성능을 보여주는 그래프이고,
도 6은 주입부의 형태에 따른 연료전지의 성능을 보여주는 그래프이고,
도 7은 주입부의 형태에 따른 혼합 영역의 형성을 보여주는 사진이다.1 is a schematic view showing a microchannel of a conventional microfluidic fuel cell,
2 is a schematic view showing a microchannel of a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a schematic view showing an example in which a microchannel of a microfluidic fuel cell according to the present invention is formed by changing a position of an injection part of a fuel and an oxidant,
4 is a graph showing the degree of the mixed region according to the shape of the injection portion,
5 is a graph showing the performance of the fuel cell according to the position of the injection part,
6 is a graph showing the performance of the fuel cell according to the shape of the injection part,
7 is a photograph showing the formation of a mixed region according to the shape of the injection portion.
본 특허 명세서 전체에서 '혼합 영역' 또는 'mixing region'과 '연료 확산 영역' 또는 'fuel diffusion region'은 동일한 의미로 사용된다.In the entire specification of the present patent application, 'mixed region' or 'mixing region' and 'fuel diffusion region' or 'fuel diffusion region' are used in the same sense.
본 발명은 성능이 향상된 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에 관한 발명이다. 이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.The present invention relates to a microfluidic fuel cell with improved performance and a method for improving the performance of a microfluidic fuel cell. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 The present invention
연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서,A microfluidic fuel cell comprising a microchannel through which a fuel and an oxidant flow,
연료와 산화제가 주입되는 연료 주입부 및 산화제 주입부가 마이크로 채널의 양 측면에, 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 동일 거리에 서로 마주보며 위치하고, The fuel injecting portion and the oxidant injecting portion into which the fuel and the oxidant are injected are positioned on opposite sides of the microchannel at the same distance with respect to one end of the microchannel,
상기 연료 주입부 및 산화제 주입부의 중심축은 상기 마이크로 채널의 중심축과 수직이 되도록 형성되고,Wherein the center axis of the fuel injection unit and the oxidant injection unit are formed to be perpendicular to the central axis of the microchannel,
상기 마이크로 채널의 내부에는 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 상기 연료 주입부 및 산화제 주입부와 동일 거리에 십자형의 구조물이 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지를 제공한다.And a cross-shaped structure is positioned within the microchannel at the same distance as the fuel injection unit and the oxidant injection unit with respect to one end of the microchannel.
이하 본 발명을 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with respect to each constitution.
본 발명은 연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 관한 발명으로, 이때 연료와 산화제가 주입되는 연료 주입부 및 산화제 주입부가 마이크로 채널의 양 측면에, 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 동일 거리에 서로 마주보며 위치하고 있다.The present invention relates to a microfluidic fuel cell including a microchannel through which a fuel and an oxidant flow, wherein a fuel injection unit and an oxidant injection unit, in which fuel and oxidant are injected, They are located facing each other at the same distance.
도 1은 기존 일반적인 마이크로 유체 연료전지의 개략도이다. 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 기존의 일반적인 마이크로 유체 연료전지는 연료와 산화제가 연료전지의 마이크로 채널 일 말단으로 Y-형태로 주입되는 구조를 이루고 있다. 본 발명은 이와 달리, 연료와 산화제가 주입되는 연료 주입부 및 산화제 주입부가 마이크로 채널의 양 측면에, 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 동일 거리에 서로 마주보며 위치하고 있다. 구체적인 일 예는 도 2에 도시되어 있는 바와 같다. 본 발명에서 연료와 산화제가 주입되는 주입부는 연료전지를 구성하는 마이크로 채널의 일 말단이 아닌 마이크로 채널의 양 측면에 각각 위치하며, 이때 마이크로 채널의 양 측면에 위치하는 연료 주입부와 산화제 주입부는 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 동일 거리에 마주보며 위치하고 있다. 이와 같은 구조를 통하여, 각 주입부를 통하여 마이크로 채널에 주입되는 연료와 산화제는 마이크로 채널 내 동일 위치에서 접촉하게 되고, 그 후 마이크로 채널의 양 말단을 향하여 층류를 형성하며 유동하게 된다. 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 층류를 형성하며 유동하여 액액 경계면을 형성되어, 이것이 양성자 교환막의 역할을 대신하기 때문에 별도의 교환막이 불필요하게 된다.1 is a schematic view of a conventional microfluidic fuel cell. As can be seen from FIG. 1, the conventional general microfluidic fuel cell has a structure in which the fuel and the oxidant are injected into the Y-shaped end of the microchannel of the fuel cell. According to the present invention, on the other hand, the fuel injecting part and the oxidant injecting part injected with the fuel and the oxidant are located on both sides of the microchannel, facing each other at the same distance with respect to one end of the microchannel. A specific example is as shown in Fig. In the present invention, the injection portion into which the fuel and the oxidant are injected is located on both sides of the microchannel, not at one end of the microchannel constituting the fuel cell, wherein the fuel injection portion and the oxidant injection portion, And is located at the same distance from the one end of the channel. Through such a structure, the fuel and the oxidant injected into the microchannel through the respective injection portions are brought into contact with each other at the same position in the microchannel, and then the laminar flow is made to flow toward both ends of the microchannel. In the microfluidic fuel cell according to the present invention, the fuel and the oxidant flow laminarly in the microchannel to form the liquid interface, which replaces the proton exchange membrane, eliminating the need for a separate exchange membrane.
이때, 본 발명에 따른 연료 주입부 및 산화제 주입부의 중심축은 상기 마이크로 채널의 중심축과 수직이 되도록 형성된다. 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 주입부로 주입된 연료 및 산화제가 마이크로 채널 내에서 접촉한 후 마이크로 채널 양 말단으로 유동하는 구조이기 때문에, 이와 같은 유동을 유도하기 위하여 연료 주입부 및 산화제 주입부의 중심축은 마이크로 채널의 중심축과 수직이 되도록 형성된다.At this time, the center axis of the fuel injection unit and the oxidant injection unit according to the present invention are formed to be perpendicular to the center axis of the microchannel. Since the microfluidic fuel cell according to the present invention has a structure in which the fuel injected into the injecting unit and the oxidant flow into both ends of the microchannel after being contacted in the microchannel, The axis is formed to be perpendicular to the central axis of the microchannel.
본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내부에는 십자형 구조물이 포함되며, 상기 십자형 구조물은 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 상기 연료 주입부 및 산화제 주입부와 동일 거리에 위치한다. 이에 따라, 주입부로 주입되는 연료와 산화제는 상기 십자형 구조물에서 서로 접촉하게 된다.The micro-channel of the microfluidic fuel cell according to the present invention includes a cross-shaped structure, and the cross-shaped structure is positioned at the same distance as the fuel injection unit and the oxidant injection unit with respect to one end of the microchannel. As a result, the fuel and the oxidant injected into the injection portion come into contact with each other in the cross-shaped structure.
마이크로 유체 연료전지는 유체가 낮은 유속으로 유동할 때에는 층류를 형성한다는 점을 이용하고 있으며, 연료 흐름과 산화제 흐름이 층류를 형성하는 것을 전제하여 교환막을 사용하지 않는다. 따라서, 마이크로 유체 연료전지에서는 연료 흐름과 산화제 흐름이 층류를 형성하면서 유동할 수 있도록 환경을 구성해야 한다. 그러나, 본 발명과 같이 연료와 산화제가 동일 위치에서 서로 마주보며 마이크로 체널 내로 주입되는 경우에는 마이크로 채널 내 서로 접촉하는 지점에서 난류가 형성될 가능성이 높기 때문에 마이크로 유체 연료전지의 성능이 떨어질 가능성이 높다. 이에 본 발명은 이와 같이 난류가 발생하는 것을 방지하고, 주입되는 연료와 산화제가 층류 흐름을 형성할 수 있도록 하기 위하여 연료와 산화제가 주입되는 주입부와 동일한 위치에 십자형 구조물을 위치시킨다. 마이크로 채널 내로 주입되는 연료와 산화제는 상기 십자형 구조물에서 서로 접촉한 후, 층류를 형성하면서 마이크로 채널의 양 말단을 향하여 유동하게 된다.Microfluidic fuel cells utilize the fact that fluids form laminar flow when they flow at low flow rates and do not use exchange membranes because fuel and oxidant streams form laminar flow. Therefore, in a microfluidic fuel cell, the environment must be configured so that fuel flow and oxidant flow can flow while forming laminar flow. However, when the fuel and the oxidant are injected into the microchannel at the same position as in the present invention, there is a high possibility that the microfluidic fuel cell will be deteriorated in performance because turbulence is likely to form at a point of contact with each other in the microchannel . Thus, the present invention prevents the turbulence from occurring and positions the cruciform structure at the same position as the injection unit into which the fuel and the oxidant are injected so that the injected fuel and the oxidant can form a laminar flow. The fuel and the oxidant injected into the microchannel are in contact with each other in the cross-shaped structure and then flow toward both ends of the microchannel while forming a laminar flow.
이때, 상기 연료 주입부 및 산화제 주입부는 상기 마이크로 채널의 양 말단으로부터 동일 거리로 이격되어 위치하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 연료와 산화제의 주입부를 마이크로 채널의 일 말단에 위치시키지 않고, 마이크로 채널의 양 측면부에 위치시키는 이유는 주입된 연료 및 산화제가 마이크로 채널 내를 유동하면서 형성되는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 줄이기 위해서이다. 즉, 연료와 산화제를 마이크로 채널의 일 말단에서 주입하는 경우에는 마이크로 채널 길이 전체에 해당하는 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역이 발생할 수 있으나, 마이크로 채널의 측면에서 연료와 산화제를 주입하게 되면, 연료와 산화제가 마이크로 채널의 양 말단으로 유동하는 과정에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역이 크게 형성되기 전에 채널 밖으로 방출되기 때문에 그만큼 연료전지의 성능이 향상될 수 있다. 이와 같은 점을 고려하면, 마이크로 채널 내에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 가장 효과적으로 억제하기 위하여 상기 연료 주입부 및 산화제 주입부는 상기 마이크로 채널의 양 말단으로부터 동일 거리로 이격되어 위치하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the fuel injection unit and the oxidant injection unit are located at the same distance from both ends of the microchannel. In the present invention, the injection portion of the fuel and the oxidant is not located at one end of the microchannel but is located at both side portions of the microchannel. This is because the injected fuel and the oxidant flow through the fuel- . That is, when the fuel and the oxidant are injected at one end of the microchannel, the fuel consumption region and the fuel diffusion region corresponding to the whole microchannel length may occur. However, when the fuel and the oxidant are injected from the side of the microchannel, The performance of the fuel cell can be improved because the oxidizing agent flows out to the both ends of the microchannel before the fuel consumption area and the fuel diffusion area are formed. Considering this point, in order to most effectively suppress the development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region in the microchannel, it is preferable that the fuel injection portion and the oxidant injection portion are located at the same distance from both ends of the microchannel Do.
본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지에 있어서, 상기 십자형 구조물은 상기 마이크로 채널의 내부 양 측면으로부터 동일 거리로 이격되어 위치하는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이 본 발명에서 십자형 구조물은 마이크로 채널 내로 주입되는 연료와 산화제가 층류를 형성하며 유동할 수 있도록 하는 구성으로, 상기 십자형 구조물이 마이크로 채널 내에서 일 내측면 쪽으로 치우쳐 위치하는 경우, 주입되는 연료와 산화제가 층류를 형성하는 것을 방해할 수 있고, 이에 따라 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.In the microfluidic fuel cell according to the present invention, it is preferable that the cross-shaped structures are located at the same distance from the inner and both sides of the microchannel. As described above, in the present invention, the cross-shaped structure allows the fuel injected into the microchannel and the oxidant to flow while forming laminar flow. When the cross-shaped structure is biased toward the inner side in the microchannel, The fuel and the oxidant may interfere with the formation of laminar flow, thereby deteriorating the performance of the fuel cell.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 주입부 및 산화제 주입부는 상기 마이크로 채널의 양 말단으로부터 동일 거리로 이격되어 위치하는 것이 가장 바람직하나, 또한 상기 마이크로 채널의 일 말단으로부터 마이크로 채널의 총 길이 대비 10 내지 50 %의 거리에 위치하는 것이 바람직하다. 상기 거리가 10 % 미만인 경우에는 마이크로 채널의 양 측면으로 연료와 산화제를 주입한다고 하여도, 주입된 연료와 산화제가 마이크로 채널에서 배출될 때까지 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 효과적으로 억제할 수 없는 문제점이 있다.As described above, it is most preferable that the fuel injecting part and the oxidizing agent injecting part according to the present invention are located at the same distance from both ends of the microchannel, but the distance from the one end of the microchannel to the total length of the microchannel To 50%. ≪ / RTI > If the distance is less than 10%, it is possible to effectively suppress the development of the fuel consumption area and the fuel diffusion area until the injected fuel and the oxidant are discharged from the microchannel, even if the fuel and the oxidant are injected into both sides of the microchannel There is no problem.
이상과 같은 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 상기한 바와 같은 구성을 갖고, 이에 따라 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 층류를 형성하며 유동하는 과정에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제하여 결과적으로 연료전지의 성능이 향상되는 효과가 있다.As described above, the microfluidic fuel cell according to the present invention has the above-described structure, and thus, in the process of forming the laminar flow of the fuel and the oxidant in the microchannel of the microfluidic fuel cell, And the performance of the fuel cell is improved as a result.
또한, 본 발명은 In addition,
상기 마이크로 유체 연료전지의 연료 주입부 및 산화제 주입부로 각각 연료 및 산화제를 서로 마주보는 방향으로 주입하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공한다.And injecting the fuel and the oxidant into the fuel injecting part and the oxidizing agent injecting part of the microfluidic fuel cell, respectively, in a direction facing each other.
이하 본 발명의 성능 향상방법을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the performance improving method of the present invention will be described in more detail.
마이크로 유체 연료전지는 유체가 저속으로 유동하는 경우 층류를 형성하며 유동하는 경향을 이용하여 교환막을 사용하지 않는 연료전지로, 교환막을 사용하지 않기 때문에 교환막의 젖음유지, 연료 역류현상, 교환막의 파손 및 막힘 현상 등의 문제점을 쉽게 해결할 수 있다. 또한, 고가의 교환막을 사용하지 않기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있으며, 제작비용을 낮출 수 있는 장점이 있다.A microfluidic fuel cell is a fuel cell that does not use a replacement membrane due to the tendency of the fluid to flow and form a laminar flow when the fluid flows at a low speed. Since the exchange membrane is not used, maintenance of wetting of the membrane, fuel backflow phenomenon, Problems such as clogging can be easily solved. In addition, since an expensive exchange membrane is not used, the process can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
그러나, 한편으로는 층류를 형성하면 유동하는 연료 흐름 및 산화제 흐름은 그 유동 거리가 길어짐에 따라 전극과의 사이에서는 연료 소모 영역이 발달하게 되고, 액액 경계면에서는 연료 확산 영역이 필수적으로 발달하게 된다. 이와 같이 구조적인 특성에 따라 발달하는 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역에 의하여 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 이와 같이 구조적 특성상 필연적으로 발생하게 되는 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역을 줄이기 위하여 다양한 연구가 수행되고 있으나, 기존의 기술들은 구조가 복잡하여 제조가 어렵거나, 채널 길이가 길어져야 하거나, 연료의 효율성이 떨어지는 등의 문제점이 있다.However, on the other hand, as the flow distance of the fuel flow and the oxidant flowing when the laminar flow is formed becomes longer, the fuel consumption region develops between the electrode and the fuel diffusion region necessarily develops at the liquid interface. As a result, the performance of the fuel cell deteriorates due to the fuel consumption region and the fuel diffusion region which are developed according to the structural characteristics. Various studies have been carried out to reduce the fuel consumption area and the fuel diffusion area which are inevitably generated due to the structural characteristics. However, the existing technologies are complicated in structure, so that it is difficult to manufacture, the channel length must be long, There is a problem such as falling.
본 발명은 기존과 동일한 양의 연료 및 산화제를 연료전지의 마이크로 채널 내로 주입하되, 상기 마이크로 유체 연료전지 내로, 즉, 연료전지의 마이크로 채널 양 측면으로 연료와 산화제를 서로 마주보는 방향으로 주입하여 마이크로 채널의 양 말단 방향으로 유동하게 유도함으로써, 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제하여, 결과적으로 마이크로 유체 연료전지의 성능을 향상시키는 방법을 제공한다.In the present invention, fuel and an oxidant are injected into the microchannel of the fuel cell in the same amount as before, and the fuel and the oxidant are injected into the microchannel fuel cell, Flow direction in both ends of the channel, thereby suppressing the development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region, thereby improving the performance of the microfluidic fuel cell.
상기 연료 소모 영역과 연료 확산 영역은 연료와 산화제가 마이크로 채널 내에서 유동하는 거리에 비례하여 발달하게 되며, 연료 소모 영역은 전극 표면에서 발생하며, 이온의 산화 환원 반응의 결과로 인한 부산물들이 각 전극에서의 연속적인 산화 환원 반응을 방해하고, 연료 확산 영역은 연료의 역류 현상의 원인이 되어 결과적으로 연료전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다.The fuel consumption area and the fuel diffusion area develop in proportion to the distance of the fuel and the oxidant flowing in the microchannel. The fuel consumption area occurs on the electrode surface, and the byproducts resulting from the oxidation- And the fuel diffusion region is a cause of the reverse flow of the fuel, resulting in deterioration of the performance of the fuel cell.
이에 본 발명은 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 층류를 형성하며 유동하는 거리를 줄이기 위하여, 연료와 산화제를 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 구조를 갖는 연료전지의 양 측면에 위치하는 연료 주입부 및 산화제 주입부로 서로 마주보는 방향으로 주입하며, 이를 통하여 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역 발달을 억제하여, 결과적으로 마이크로 유체 연료전지의 성능을 향상시킨다.Accordingly, in order to reduce the distance by which the fuel and the oxidant flow in the microchannel while flowing in the microchannel, the fuel injector and the oxidant are disposed on both sides of the fuel cell having the structure according to the present invention as described above. Injecting the oxidant in opposite directions, thereby suppressing the fuel consumption region and the fuel diffusion region development, thereby improving the performance of the microfluidic fuel cell.
이때. 상기 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내로 유입되는 연료 및 산화제는 서로 층류를 형성하며 유동한다. 유동하는 연료와 산화제가 층류를 형성하지 않는 경우에는 연료의 역류 현상에 의하여 연료전지의 성능이 크게 저하되는 문제점이 있다.At this time. The fuel and the oxidant flowing into the microchannels of the microfluidic fuel cell flow together forming a laminar flow. When the flowing fuel and the oxidant do not form laminar flow, the performance of the fuel cell greatly deteriorates due to the reverse flow of the fuel.
본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에서, 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널로 주입된 연료 및 산화제는 층류를 형성하며, 각각 마이크로 채널의 양 말단 방향으로 유동하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 마이크로 유체 연료전지의 성능을 향상시키는 방법은 마이크로 채널 내로 연료와 산화제가 유동하면서 발달하게 되는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 억제하는 것이고, 이때 연료 소멸 영역과 연료 확산 영역의 발달 정도는 연료와 산화제가 유동하는 거리에 비례하게 되므로, 본 발명에서는 연료와 산화제가 마이크로 채널 내에서 접촉하여 층류를 형성하며 유동하되, 마이크로 채널의 양 말단 방향으로 유동하도록 유도하여, 결과적으로 마이크로 채널 내에서 유동하는 거리를 줄여, 이에 따라 연료 소모 영역과 연료 확산 영역이 발달하는 것을 억제하는 것이 바람직하다.In the method for improving the performance of a microfluidic fuel cell according to the present invention, it is preferable that the fuel and the oxidant injected into the microchannel of the microfluidic fuel cell form a laminar flow and flow toward both ends of the microchannel. A method for improving the performance of a microfluidic fuel cell according to the present invention is to suppress a fuel consumption region and a fuel diffusion region which are developed while a fuel and an oxidant flow into a microchannel, In the present invention, the fuel and the oxidant are brought into contact with each other in the microchannel to form a laminar flow, which is induced to flow toward both ends of the microchannel. As a result, It is preferable to reduce the distance of flow, thereby suppressing the development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region.
본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에서 마이크로 채널로 주입되는 연료 및 산화제는 각각 0.0025 m/s 내지 0.025 m/s의 유속으로 상기 마이크로 채널 내로 주입되는 것이 바람직하다. 상기 유속 0.0025 m/s는 유량으로 75 μL/min에 해당하고, 유속 0.025 m/s는 유량으로 750 μL/min에 해당한다. 본 발명과 같은 마이크로 유체 연료전지는 연료와 산화제가 층류를 형성하며 유동하는 것을 전제로 교환막을 사용하지 않는 연료전지이고, 층류는 저속으로 유동하는 유체에서 형성이 되기 때문에, 마이크로 채널 내로 주입되는 연료와 산화제의 유속은 중요하다. 이때 상기 유속이 0.0025 m/s 미만인 경우에는 유동속도가 느려짐에 따른 확산 시간의 증가로 인하여 연료 확산 영역이 증가하는 문제점이 있고, 유속이 0.025 m/s를 초과하는 경우에는 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 층류를 형성하지 못하고, 난류를 형성하게 되어 연료전지의 성능이 크게 저하되는 문제점이 있다.In the method for improving the performance of a microfluidic fuel cell according to the present invention, the fuel and the oxidant injected into the microchannel are preferably injected into the microchannel at a flow rate of 0.0025 m / s to 0.025 m / s, respectively. The flow rate of 0.0025 m / s corresponds to a flow rate of 75 μL / min and the flow rate of 0.025 m / s corresponds to a flow rate of 750 μL / min. Since the microfluidic fuel cell according to the present invention is a fuel cell which does not use the exchange membrane on the premise that the fuel and the oxidant flow in a laminar flow and the laminar flow is formed in the fluid flowing at a low speed, And the flow rate of the oxidant are important. When the flow velocity is less than 0.0025 m / s, the fuel diffusion region increases due to the increase of the diffusion time due to the slow flow velocity. When the flow velocity exceeds 0.025 m / s, The oxidant does not form a laminar flow, and turbulence is formed, thereby deteriorating the performance of the fuel cell.
본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에 있어서, 상기 연료 및 산화제는 상기 마이크로 채널의 일 말단으로부터 마이크로 채널의 총 길이 대비 10 내지 50 %의 거리에 위치하는 주입부에 의하여 마이크로 채널 내로 주입되는 것이 바람직하다. 상기 거리가 10 % 미만인 경우에는 마이크로 채널의 양 측면으로 연료와 산화제를 주입한다고 하여도, 주입된 연료와 산화제가 마이크로 채널에서 배출될 때까지 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 효과적으로 억제할 수 없기 때문에 마이크로 유체 연료전지의 성능을 유효한 정도로 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.In the method for improving the performance of a microfluidic fuel cell according to the present invention, the fuel and the oxidant are injected into the microchannel by an injection unit located at a distance of 10 to 50% of the total length of the microchannels from one end of the microchannel. . If the distance is less than 10%, it is possible to effectively suppress the development of the fuel consumption area and the fuel diffusion area until the injected fuel and the oxidant are discharged from the microchannel, even if the fuel and the oxidant are injected into both sides of the microchannel There is a problem that the performance of the microfluidic fuel cell can not be improved to an effective extent.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에 있어서, 상기 연료 및 산화제는 상기 마이크로 채널의 양 말단으로부터 동일 거리로 이격된 위치에서 마이크로 채널 내로 주입되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 연료와 산화제의 주입부를 마이크로 채널의 일 말단에 위치시키지 않고, 마이크로 채널의 양 측면부에 위치시키는 이유는 주입된 연료 및 산화제가 마이크로 채널 내를 유동하면서 형성되는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 줄이기 위해서이다. 즉, 연료와 산화제를 마이크로 채널의 일 말단에서 주입하는 경우에는 마이크로 채널 길이 전체에 해당하는 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역이 발생할 수 있으나, 마이크로 채널의 측면에서 연료와 산화제를 주입하게 되면, 연료와 산화제가 마이크로 채널의 양 말단으로 유동하는 과정에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역이 크게 형성되기 전에 채널 밖으로 방출되기 때문에 그만큼 연료전지의 성능이 향상될 수 있다. 이와 같은 점을 고려하면, 마이크로 채널 내에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 가장 효과적으로 억제하기 위하여 상기 연료 및 산화제는 상기 마이크로 채널의 양 말단으로부터 동일 거리로 이격된 위치에서 마이크로 채널 내로 주입되는 것이 바람직하다.In addition, in the method for improving the performance of a microfluidic fuel cell according to the present invention, it is preferable that the fuel and the oxidant are injected into the microchannel at the same distance from both ends of the microchannel. In the present invention, the injection portion of the fuel and the oxidant is not located at one end of the microchannel but is located at both side portions of the microchannel. This is because the injected fuel and the oxidant flow through the fuel- . That is, when the fuel and the oxidant are injected at one end of the microchannel, the fuel consumption region and the fuel diffusion region corresponding to the whole microchannel length may occur. However, when the fuel and the oxidant are injected from the side of the microchannel, The performance of the fuel cell can be improved because the oxidizing agent flows out to the both ends of the microchannel before the fuel consumption area and the fuel diffusion area are formed. Considering this point, in order to most effectively suppress the development of the fuel consumption area and the fuel diffusion area in the microchannel, the fuel and the oxidant are injected into the microchannel at the same distance from both ends of the microchannel .
이상과 같이, 본 발명은 상기한 바와 같은 구성을 갖는 마이크로 유체 연료 전지 내로 연료 및 산화제를 서로 마주보는 방향으로 주입하여 마이크로 채널 내에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역이 발달하는 것을 억제하여 결과적으로 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, fuel and oxidant are injected into the micro fluid fuel cell having the above-described structure in opposite directions so as to suppress the development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region in the microchannel, There is an advantage that it can be improved.
이하 본 발명을 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예, 비교예 및 실험예는 본 발명의 구체적 설명을 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이하의 실시예, 비교예 또는 실험예에 기재되어 있는 사항에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. The following Examples, Comparative Examples and Experimental Examples are merely examples for the explanation of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the matters described in the following Examples, Comparative Examples and Experimental Examples.
<실시예 1>≪ Example 1 >
마이크로 유체 연료전지의 제작 1Fabrication of
총 길이 30 mm의 마이크로 채널에 채널 일 말단으로부터 14.5 mm 위치에 폭 1 mm의 연료 주입부와 산화제 주입부를 마이크로 채널 양 측면에 형성하고, 마이크로 채널 내부에 연료 주입부와 산화제 주입부와 동일 위치에 십자형 구조물을 설치하여 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다. 각 주입부의 주입 방향 길이는 2.5 mm이고, 설치된 십자형 구조물의 주입 방향 길이는 1 mm, 주입 후 유동방향 길이는 0.75 mm이다. 각 주입부 및 십자형 구조물의 두께(지면에 대한 수직방향 깊이)는 모두 0.5 mm이다. 제작에 사용된 전극의 두께는 25 μm였다.A fuel injecting portion and an oxidizing agent injecting portion having a width of 1 mm at a position 14.5 mm from the distal end of the channel are formed on both sides of the microchannel in a microchannel having a total length of 30 mm and the fuel injecting portion and the oxidizing agent injecting portion are co- A microfluidic fuel cell was fabricated by installing a cruciform structure. The injection direction length of each injection part is 2.5 mm, the injection direction length of the installed cross-shaped structure is 1 mm, and the flow direction length after injection is 0.75 mm. The thickness of each injection part and cruciform structure (vertical depth to the ground) is 0.5 mm. The thickness of the electrode used for fabrication was 25 μm.
<실시예 2>≪ Example 2 >
마이크로 유체 연료전지의 제작 2Fabrication of
연료 주입부와 산화제 주입부의 위치가 마이크로 채널의 일 말단으로부터 11.5 mm 위치인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다.A microfluidic fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the positions of the fuel injecting portion and the oxidant injecting portion were located at 11.5 mm from one end of the microchannel.
<실시예 3>≪ Example 3 >
마이크로 유체 연료전지의 제작 3Fabrication of
연료 주입부와 산화제 주입부의 위치가 마이크로 채널의 일 말단으로부터 8.5 mm 위치인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다.A microfluidic fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the positions of the fuel injection portion and the oxidant injection portion were located at 8.5 mm from one end of the microchannel.
<실시예 4><Example 4>
마이크로 유체 연료전지의 제작 4Fabrication of
연료 주입부와 산화제 주입부의 위치가 마이크로 채널의 일 말단으로부터 5.5 mm 위치인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다.A microfluidic fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the positions of the fuel injecting portion and the oxidant injecting portion were located 5.5 mm from one end of the microchannel.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
기존의 Y-형태의 마이크로 유체 연료전지(총 마이크로 채널의 길이 30 mm)를 사용하였다. 연료 주입부 및 산화제 주입부의 주입 방향 길이는 모두 10 mm이고, 각 주입부와 마이크로 채널 사이의 각도는 45 °로, 이에 따라 연료 주입부와 산화제 주입부는 90 °의 각도를 형성한다. 그 외 나머지 규격은 실시예 1의 마이크로 유체 연료 전지와 동일하다.A conventional Y-shaped microfluidic fuel cell (total microchannel length 30 mm) was used. The injection direction lengths of the fuel injection portion and the oxidant injection portion are all 10 mm, and the angle between each injection portion and the microchannel is 45 °, so that the fuel injection portion and the oxidant injection portion form an angle of 90 °. The rest of the standard is the same as that of the microfluidic fuel cell of Example 1.
<실험예 1><Experimental Example 1>
혼합 영역의 비율에 대한 계산 1Calculation of ratio of
다음의 방법으로 분산을 이용하여 혼합 영역의 비율을 계산하였다.The ratio of the mixed region was calculated by using the following method.
혼합 영역의 비율을 계산하기 위하여 우선 주 유동 평면(즉, x-z 평면)에 수직인 면 상에 정의되는 종들(연료 및 산화제)의 분산을 다음의 방법으로 계산하였다:In order to calculate the ratio of the mixed region, the variance of the species (fuel and oxidant) defined on the plane perpendicular to the main flow plane (ie, x-z plane) was first calculated by the following method:
(상기 식에서 N은 셀(x-z 평면에서의 단위 면적)의 수, Ci는 셀 i에서의 농도, Ci max는 셀 i에서 이상적으로 혼합된 용액의 농도임).(Where N is the number of cells (unit area in the xz plane), C i is the concentration in cell i, and C i max is the concentration of the solution ideally mixed in cell i).
다음으로, 다음의 식을 이용하여 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지에 대하여 혼합 영역의 비율이 정량화되었고, 그 결과를 도 4에 도시하였다:Next, the ratio of the mixed region to the fuel cell of Example 1 and Comparative Example 1 was quantified by using the following formula, and the result is shown in FIG. 4:
도 4에 따르면 비교예 1의 혼합영역 비율은 약 10.5 %이다. 그러나, 실시예 1의 경우 활성 채널 길이가 14.5 mm이고, 도 4에 따르면 이때 혼합영역의 비율은 7.9 %이다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 혼합영역의 두께를 효율적으로 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다.4, the mixed region ratio of Comparative Example 1 is about 10.5%. However, in Example 1, the active channel length is 14.5 mm, and according to Fig. 4, the ratio of the mixed region is 7.9%. Thus, it can be seen that the microfluidic fuel cell according to the present invention can effectively reduce the thickness of the mixed region.
<실험예 2><Experimental Example 2>
주입부 위치에 따른 연료전지 성능 평가Performance Evaluation of Fuel Cell According to Injection Location
실시예 1 내지 실시예 4의 연료전지에 대하여 다음의 방법으로 성능을 평가하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.The performance of the fuel cells of Examples 1 to 4 was evaluated by the following method, and the results are shown in FIG.
실시예 1 내지 실시예4의 연료전지에 대하여 다분야 연성해석 상용 프로그램인 COMSOL을 사용하여, 실제 미세 연료전지 채널 내부 유동영역을 대상으로 하여 전기화학적 유동을 모사하였다. 상온(298 K) 및 대기압(1 atm) 조건에서 동일한 유량(250 μL/min)의 연료 및 산화제를 주입하여 음극의 전압 변화(0~0.8 V)에 따른 전류밀도와 전력밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.For the fuel cells of Examples 1 to 4, the electrochemical flow was simulated using the COMSOL multifunctional analysis commercial program for the flow region inside the actual micro fuel cell channel. The current density and the power density were measured according to the voltage change (0 ~ 0.8 V) of the cathode by injecting fuel and oxidant at the same flow rate (250 μL / min) at room temperature (298 K) and atmospheric pressure (1 atm) The results are shown in Fig.
도 5에 따르면, 연료 및 산화제 주입부가 마이크로 채널의 중심부에 위치하는 실시예 1의 성능이 가장 우수하다는 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 5, it can be seen that the performance of
<실험예 3><Experimental Example 3>
주입부 형태에 따른 연료전지 성능 평가Performance Evaluation of Fuel Cell According to Injection Part Type
주입부의 형태에 따른 연료전지의 성능을 평가하기 위하여 실시예 1과 비교예 1의 연료전지에 대하여 다음의 방법으로 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.In order to evaluate the performance of the fuel cell according to the shape of the injection part, the following experiments were performed on the fuel cell of Example 1 and Comparative Example 1, and the results are shown in FIG.
다분야 연성해석 상용 프로그램인 COMSOL을 사용하여 실시예 1과 비교예 1의 미세 연료전지 채널 내부 유동영역을 대상으로 하여 전기화학적 유동을 모사하였다. 상온(298 K) 및 대기압(1 atm) 조건에서 동일한 유량(250 μL/min)의 연료 및 산화제를 주입하여 음극의 전압변화(0~0.8 V)에 따른 전류밀도와 전력밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.The electrochemical flow was simulated using the COMSOL multifunctional analysis commercial program for the flow regions inside the micro fuel cell channels of Example 1 and Comparative Example 1. The current density and the power density were measured according to the voltage change (0 ~ 0.8 V) of the cathode by injecting fuel and oxidant at the same flow rate (250 μL / min) at room temperature (298 K) and atmospheric pressure (1 atm) The results are shown in Fig.
도 6에 따르면, 본 발명에 따른 실시예 1의 연료전지가 기존의 Y-형태의 비교예 1의 연료전지보다 성능이 크게 향상된다는 점을 확인할 수 있다.6, the performance of the fuel cell of Example 1 according to the present invention is significantly improved compared with that of the fuel cell of Comparative Example 1 of the conventional Y-type.
<실험예 4><Experimental Example 4>
주입부 형태에 따른 혼합영역 형성 확인Confirmation of formation of mixed region according to injection part type
주입부의 형태에 따라 연료전지의 마이크로 채널 내 혼합영역 형성 거동을 확인하기 위하여 실시예 1과 비교예 1의 연료전지에 대하여 다음의 방법으로 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.In order to confirm the mixing region formation behavior of the fuel cell in the microchannel according to the shape of the injection portion, the following experiments were performed on the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1, and the results are shown in FIG.
다분야 연성해석 사용 프로그램인 COMSOL을 사용하여 실시예 1과 비교예 1의 실제 미세 연료전지 채널 내부 유동영역을 대상으로 전기화학적 유동을 모사하였다. 도 7은 상온(298 K) 및 대기압(1 atm) 조건에서 해당 유량(250 μL/min)의 연료 및 산화제를 주입한 것으로, x-y 단면(유동방향과 평행인 유로 중간에서의 단면)에서의 음극의 전압이 0.4 V일 때의 연료 농도의 분포를 나타낸 것이다.The electrochemical flow was simulated using the multisectoral ductility analysis program, COMSOL, in the flow region of the actual FEA cell channel of Example 1 and Comparative Example 1. 7 is a graph showing the results obtained by injecting fuel and oxidant at a flow rate of 250 L / min under the conditions of room temperature (298 K) and atmospheric pressure (1 atm) Of the fuel is 0.4 V. FIG.
도 7에 따르면, 실제로 비교예 1의 경우 채널 내에서 혼합영역이 크게 발달하고 있는 반면, 실시예 1의 경우, 혼합영역이 상대적으로 적게 형성되고 있음을 확인할 수 있다.According to FIG. 7, in the case of Comparative Example 1, the mixed region is largely developed in the channel, whereas in the case of
Claims (10)
연료와 산화제가 주입되는 연료 주입부 및 산화제 주입부가 마이크로 채널의 양 측면에, 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 동일 거리에 서로 마주보며 위치하고,
상기 연료 주입부 및 산화제 주입부의 중심축은 상기 마이크로 채널의 중심축과 수직이 되도록 형성되고,
상기 마이크로 채널의 내부에는 상기 마이크로 채널의 일 말단을 기준으로 상기 연료 주입부 및 산화제 주입부와 동일 거리에 십자형의 구조물이 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
A microfluidic fuel cell comprising a microchannel through which a fuel and an oxidant flow,
The fuel injecting portion and the oxidant injecting portion into which the fuel and the oxidant are injected are positioned on opposite sides of the microchannel at the same distance with respect to one end of the microchannel,
Wherein the center axis of the fuel injection unit and the oxidant injection unit are formed to be perpendicular to the central axis of the microchannel,
Wherein a cruciform structure is positioned within the microchannel at the same distance as the fuel injector and the oxidant injector with respect to one end of the microchannel.
The microfluidic fuel cell according to claim 1, wherein the fuel injection unit and the oxidant injection unit are spaced apart from each other by the same distance from both ends of the microchannel.
The microfluidic fuel cell according to claim 1, wherein the cross-shaped structures are spaced apart from the inner side surfaces of the microchannels by the same distance.
The microfluidic fuel cell according to claim 1, wherein the fuel injection unit and the oxidant injection unit are located at a distance of 10 to 50% of the total length of the microchannels from one end of the microchannel.
The method for improving the performance of a microfluidic fuel cell according to claim 1, wherein the fuel and the oxidant are injected into the fuel injector and the oxidant injector, respectively.
6. The method of claim 5, wherein the injected fuel and the oxidant form a laminar flow and flow in a microchannel of the fuel cell.
6. The method of claim 5, wherein the injected fuel and the oxidant flow in both ends of the microchannel.
6. The method of claim 5, wherein the fuel and the oxidant are injected into the microchannel at a flow rate of 0.0025 m / s to 0.025 m / s, respectively.
6. The microfluidic device according to claim 5, wherein the fuel and the oxidant are injected into the microchannel by an injection unit located at a distance of 10 to 50% of the total length of the microchannels from one end of the microchannel. How to improve performance of.
6. The method of claim 5, wherein the fuel and the oxidant are injected into the microchannel at the same distance from both ends of the microchannel.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102114911B1 (en) * | 2019-01-28 | 2020-05-25 | 인하대학교 산학협력단 | Microfluidic fuel cell having multiple channels and method for improving the performance of the same |
| CN113451603A (en) * | 2021-06-25 | 2021-09-28 | 天津大学 | Round tube type microfluid fuel cell |
| KR20220121322A (en) | 2021-02-25 | 2022-09-01 | 인하대학교 산학협력단 | Microfluidic fuel cell and its performance improvement method |
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| KR20160007718A (en) * | 2014-06-25 | 2016-01-21 | 한양대학교 에리카산학협력단 | Microfluidic fuel cell |
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2017
- 2017-09-15 KR KR1020170118813A patent/KR101897416B1/en active IP Right Grant
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