KR102211978B1

KR102211978B1 - 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법

Info

Publication number: KR102211978B1
Application number: KR1020190143559A
Authority: KR
Inventors: 김광용; 탄비르아마드
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-02-03

Abstract

본 발명의 목적은 성능이 향상된 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 발명은 연료와 산화제가 동일 방향으로 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서, 일측에는 연료와 산화제가 각각 도입되는 연료 도입부 및 산화제 도입부를 포함하고, 타측에는 연료와 산화제가 각각 배출되는 연료 배출부 및 산화제 배출부를 포함하고, 상기 도입부와 배출부 사이에 배치되며, 각 도입부 및 배출부와 연결되고, 연료와 산화제가 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하고, 상기 마이크로 채널은 연료와 산화제가 접하는 계면을 중심으로 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 연료 전지의 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 유동하는 과정에서 발생하는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 억제하고, 양성자 전달을 촉진할 수 있고, 나아가 반응 계면을 증가시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법{MICROFLUIDIC FUEL CELL AND METHOD FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF THE SAME}

본 발명은 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에 관한 발명이다.

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.

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 유럽뿐만 아니라 해외 자원에 대한 의존도가 높은 우리나라에서도 많은 연구가 진행되고 있다.

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.

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.

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.

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, 타 말단으로 배출되는 구조로, 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역이 길게 발생되어 성능이 저하되는 문제점이 있다.

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.

이에 본 발명의 발명자들은 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 유동하는 과정에서 발생하는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 억제하고, 양성자 전달을 가속화하며, 반응 계면을 증가시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 연구하여 본 발명을 도출하게 되었다.

본 발명의 목적은 성능이 향상된 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공하는데 있다.

이를 위하여 본 발명은

연료와 산화제가 동일 방향으로 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서,

일측에는 연료와 산화제가 각각 도입되는 연료 도입부 및 산화제 도입부를 포함하고, 타측에는 연료와 산화제가 각각 배출되는 연료 배출부 및 산화제 배출부를 포함하고, 상기 도입부와 배출부 사이에 배치되며, 각 도입부 및 배출부와 연결되고, 연료와 산화제가 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하고, 상기 마이크로 채널은 연료와 산화제가 접하는 계면을 중심으로 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지를 제공하고,

또한 본 발명은 상기에 따른 마이크로 유체 연료전지의 주입부로 연료와 산화제가 층류를 형성하도록 각각 도입하고, 배출부를 통하여 연료와 산화제가 층류를 유지하면서 각각 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료 전지의 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 유동하는 과정에서 발생하는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 억제하고, 양성자 전달을 촉진할 수 있고, 나아가 반응 계면을 증가시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 기존의 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널을 보여주는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예들에 따른 연료전지의 채널에 대한 길이방향 단면도들이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 연료전지의 채널에 대한 길이방향 단면도들이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예 및 비교예들에 따른 연료전지의 채널에 대한 길이방향 단면도들이고,
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예들에 따른 연료전지의 전력밀도를 보여주는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예들 및 비교예에 따른 연료전지의 전력밀도를 보여주는 그래프이고, 및
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예 및 비교예들에 따른 연료전지의 전력밀도를 보여주는 그래프이다.

본 특허 명세서 전체에서 '혼합 영역' 또는 'mixing region'과 '연료 확산 영역' 또는 'fuel diffusion region'은 동일한 의미로 사용된다.

또한, 본 특허 명세서 전체에서, '주입부'는 '주입부 마이크로 채널'과, '배출부'는 '배출부 마이크로 채널'과 동일한 의미로 사용된다.

또한, 본 특허 명세서 전체에서, '채널'이란 마이크로 유체 연료전지의 일 구성으로, 주입부를 통하여 각각 들어온 연료와 산화제가 계면을 유지하면서 층류로 흐르는 영역을 의미한다.

또한, 본 특허 명세서 전체에서, '브릿지'는 연료와 산화제가 동일 방향으로 층류를 이루며 흐르는 채널의 바닥부 중 일부가 채널의 길이 방향으로 일정 높이로 융기된 부분을 의미한다.

또한, 본 특허 명세서 전체에서, '채널의 높이'는 채널의 바닥부(최하부)에서 채널의 최상부까지의 채널 단면의 길이이고, '브릿지의 높이'는 채널의 바닥부에서 융기된 부분의 최하부에서 채널의 최상부까지의 브릿지 단면의 길이이다.

또한, 본 특허 명세서 전체에서, '채널의 폭'은 연료와 산화제가 흐르는 채널의 길이 방향에 대한 수직 방향으로의 채널 단면의 길이를 의미하고, 채널의 형상에 따라 채널의 최하부 폭과 채널의 최상부 폭은 상이할 수 있다.

또한, 본 특허 명세서 전체에서, '브릿지의 폭'은 연료와 산화제가 흐르는 채널의 길이 방향에 대한 수직 방향으로의 브릿지 단면의 길이를 의미하고, 브릿지의 형상에 따라 브릿지의 최하부 폭과 브릿지의 최상부 폭은 상이할 수 있다.

본 발명은 성능이 향상된 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에 관한 발명이다. 이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은

일측에는 연료와 산화제가 각각 도입되는 연료 도입부 및 산화제 도입부를 포함하고, 타측에는 연료와 산화제가 각각 배출되는 연료 배출부 및 산화제 배출부를 포함하고, 상기 도입부와 배출부 사이에 배치되며, 각 도입부 및 배출부와 연결되고, 연료와 산화제가 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하고, 상기 마이크로 채널은 연료와 산화제가 접하는 계면을 중심으로 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지를 제공한다.

이하 본 발명의 마이크로 유체 연료전지를 각 구성별로 상세히 설명한다.

본 발명의 마이크로 유체 연료전지는 연료와 산화제가 동일 방향으로 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지로, 연료전지의 길이방향으로 일측에는 연료와 산화제가 각각 도입되는 연료 도입부 및 산화제 도입부를 포함하고, 타측에는 연료와 산화제가 각각 배출되는 연료 배출부 및 산화제 배출부를 포함하고, 상기 도입부와 배출부 사이에 배치되며, 각 도입부 및 배출부와 연결되고, 연료와 산화제가 층류를 이르며 흐르는 마이크로 채널을 포함하되, 상기 마이크로 채널은 연료와 산화제가 접하는 계면을 중심으로 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 브릿지는 상기 정의된 바와 같이, 채널의 바닥부에서 길이방향으로 융기된 부분을 의미한다.

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 주입되어, 직선 방향의 타 말단을 통하여 배출되는 구조를 이루고 있으며, 연료와 산화제의 계면 주변부로 부가적인 구성을 포함하지 않는다. 본 발명은 이와 달리, 연료와 산화제의 계면을 중심으로 브릿지를 포함하고 있는 특징이 있다. 본 발명에서 주입부로 도입되는 연료와 산화제는 층류를 형성하면서 유동하여, 마이크로 채널 내에서 연료가 유동하는 공간과 산화제가 유동하는 공간이 계면을 형성하며 서로 분리되고, 이처럼 형성된 액액 경계면이 양성자 교환막의 역할을 대신하기 때문에 별도의 교환막이 불필요하게 된다.

본 발명은 이상과 같은 브릿지 구조를 통하여 연료와 산화제의 계면 접촉을 줄이고, 이에 따라 연료 소모영역으로부터 연료 확산 혼합영역을 고립시키며, 상기 혼합영역 및 소모영역을 감소시켜 브릿지를 가로질러 양성자의 이동을 가속화시키고, 결과적으로 반응 속도를 증가시키는 장점이 있다.

본 발명의 일 구체예의 마이크로 채널 길이 방향의 수직 방향 단면 구조는 도 2와 같다. 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 연료전지에 포함되는 브릿지는 직사각경 단면을 갖고, 채널은 직사각형, 또는 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 사다리꼴 구조, 또는 상부 폭이 하부 폭보다 넓은 역사다리꼴 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 구체예의 마이크로 채널 길이 방향의 수직 방향 단면 구조는 도 3과 같다. 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 연료전지에 포함되는 브릿지의 길이방향에 대한 수직 단면은 상부 폭이 하부 폭보다 넓은 구조일 수 있다.

본 발명의 일 구체예의 마이크로 채널 길이 방향의 수직 방향 단면 구조는 도 4와 같다. 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 연료전지에 포함되는 브릿지의 길이방향에 대한 수직 단면은 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 구조이고, 채널의 길이방향에 대한 수직 단면은 직사각형, 또는 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 사다리꼴 구조, 또는 상부 폭이 하부 폭보다 넓은 역사다리꼴 구조를 가질 수 있다.

특히 상기 구조들 중, 브릿지의 길이방향에 대한 수직 단면은 직사각형 구조이고, 채널의 길이방향에 대한 수직 단면은 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 구조, 또는 브릿지의 길이방향에 대한 수직 단면은 상부 폭이 하부 폭보다 넓은 구조, 또는 브릿지의 길이방향에 대한 수직 단면은 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 구조이고, 채널의 길이방향에 대한 수직 단면도 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 구조는 브릿지와 채널의 수직 단면이 모두 직사각형인 구조보다 더 전력 밀도가 우수하다는 점에서 바람직하다.

한편, 상기 채널의 폭은 50 내지 150 μm인 것이 바람직하다. 채널의 폭이 150 μm을 초과하게 되면, 양극에서 음극으로의 전자의 이동을 더디게 하여 성능이 저하되는 문제점이 있고, 50 μm 미만이 되면 하류에서 연료와 산화제가 완전 혼합되어 MFFC의 전극에서의 반응이 형성되지 않는 문제점이 있다.

또한, 상기 채널의 높이는 40 내지 60 μm인 것이 바람직하고, 50 μm인 것이 더욱 바람직하다. 채널의 높이를 40 μm 미만으로 감소시키면 연료와 산화제의 혼합 영역이 증대되어 전극에서의 반응이 형성되지 않는 문제점이 있고, 60 μm를 초과하면 전력밀도가 감소하게 되는 문제점이 있다.

또한, 상기 브릿지의 폭은 75 내지 100 μm인 것이 바람직하다. 상기 폭이 75 μm 미만인 경우에는 브릿지 구조에 의한 연료 소모영역과 연료 확산 영역을 감소시키는 효과가 줄어드는 문제점이 있고, 그 폭이 125 μm를 초과하는 경우에는 양극에서 음극으로의 전자의 이동을 더디게 하여 연료전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

또한, 상기 브릿지의 높이는 15 내지 25 μm인 것이 바람직하고, 20 μm인 것이 더욱 바람직하다. 브릿지의 높이가 25 μm을 초과할 경우 소모영역과 확산영역을 감소시키는 효과가 줄어드는 문제점이 있고, 15 μm 미만이 될 경우 전자의 이동이 더뎌 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 상기 브릿지의 높이에 대한 폭의 비는 3.3 내지 10인 것이 바람직하다. 상기 비가 3.3 미만인 경우에는 브릿지 구조에 의한 연료 소모영역과 연료 확산영역을 감소시키는 효과가 줄어드는 문제점이 있고, 그 비가 10을 초과하는 경우에는 양극에서 음극으로의 전자의 이동을 더디게 하여 연료전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 채널 내부에 브릿지 구조를 포함함으로써, 마이크로 유체 연료전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

나아가, 본 발명은 상기한 마이크로 유체 연료전지의 주입부로 연료와 산화제가 층류를 형성하도록 각각 도입하고, 배출부를 통하여 연료와 산화제가 층류를 유지하면서 각각 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 단지 마이크로 유체 연료전지의 채널 내에 브릿지 구조를 도입하는 것 만으로 연료전지의 효율을 크게 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

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.

<실시예 1>

마이크로 유체 연료전지의 제작 1

도 2의 가운데 그림과 같은 길이방향 단면을 갖는 마이크로 채널 구조를 형성하여 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다. 채널의 길이는 10 mm였고, 브릿지의 높이와 채널의 높이는 각각 10 μm 및 50 μm였다. 브릿지의 폭은 상부 및 하부 모두 100 μm였고, 채널의 상부 폭은 250 μm, 채널의 하부 폭은 300 μm이었다. 연료와 산화제의 유속은 60 μL/min 이었다. 제작에 사용된 전극의 두께는 25 μm였다.

<실시예 2>

마이크로 유체 연료전지의 제작 2

브릿지의 상부 폭을 150 μm, 하부 폭을 100 μm로 하고, 채널의 상부 폭을 350 μm, 하부 폭을 300 μm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

<실시예 3>

마이크로 유체 연료전지의 제작 3

브릿지의 상부 폭을 150 μm, 하부 폭을 100 μm로 하고, 채널의 상부 및 하부 폭을 모두 300 μm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

<실시예 4>

마이크로 유체 연료전지의 제작 4

브릿지의 상부 폭을 150 μm, 하부 폭을 100 μm로 하고, 채널의 상부 폭을 250 μm, 하부 폭을 300 μm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

<실시예 5>

마이크로 유체 연료전지의 제작 5

브릿지 상부 폭을 50 μm, 하부 폭을 100 μm로 하고, 채널의 상부 폭을 250 μm, 하부 폭을 300 μm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

<비교예 1>

브릿지 상부 및 하부 폭을 100 μm로 하고, 채널의 상부 및 하부 폭을 300 μm로 한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

<비교예 2>

브릿지 상부 및 하부 폭을 100 μm로 하고, 채널의 상부 폭을 350 μm로 하고, 하부 폭을 300 μm로 한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

<비교예 3>

브릿지 상부 폭을 50 μm로 하고, 하부 폭을 100 μm로 하고, 채널의 상부 및 하부 폭을 300 μm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

<비교예 4>

브릿지 상부 폭을 50 μm로 하고, 하부 폭을 100 μm로 하고, 채널의 상부 폭을 350 μm로 하고, 하부 폭을 300 μm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

<실험예 1>

직사각형 브릿지를 갖는 연료전지의 채널 구조에 따른 전력밀도

본 발명의 실시예 1과 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 마이크로 유체 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(60 μL/min)의 연료 및 산화제를 주입하여 음극의 전압 변화(0.5~1.2 V)에 따른 전류밀도와 전력밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 따르면, 실시예 1의 연료전지는 비교예 1과 비교예 2의 연료전지와 비교하여, 동일 전류밀도에 대한 전력밀도가 우수하다는 것을 알 수 있고, 따라서, 본 발명에 따르면, 연료전지의 성능이 향상된다는 것을 알 수 있다.

<실험예 2>

역사다리꼴형 브릿지를 갖는 연료전지의 채널 구조에 따른 전력밀도

본 발명의 비교예 1과 실시예2 내지 실시예 4에 따라 제조된 마이크로 유체 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(60 μL/min)의 연료 및 산화제를 주입하여 음극의 전압 변화(0.5~1.2 V)에 따른 전류밀도와 전력밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 따르면, 실시예 2 내지 실시예 4의 연료전지는 비교예 1의 연료전지와 비교하여, 동일 전류밀도에 대한 전력밀도가 우수하다는 것을 알 수 있고, 따라서, 본 발명에 따르면, 연료전지의 성능이 향상된다는 것을 알 수 있다.

<실험예 3>

사다리꼴형 브릿지를 갖는 연료전지의 채널 구조에 따른 전력밀도

본 발명의 비교예 1, 비교예 3, 비교예 4와 실시예 5에 따라 제조된 마이크로 유체 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(60 μL/min)의 연료 및 산화제를 주입하여 음극의 전압 변화(0.5~1.2 V)에 따른 전류밀도와 전력밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 따르면, 실시예 5의 연료전지는 비교예 1, 비교예 3 및 비교예 4의 연료전지와 비교하여, 동일 전류밀도에 대한 전력밀도가 우수하다는 것을 알 수 있고, 따라서, 본 발명에 따르면, 연료전지의 성능이 향상된다는 것을 알 수 있다.

<부호의 설명>

100...............채널의 최상부 폭

200...............채널의 최하부 폭

300...............브릿지의 최상부 폭

400...............브릿지의 최하부 폭

Claims

연료와 산화제가 동일 방향으로 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서,
연료전지의 길이방향으로 일측에는 연료와 산화제가 각각 도입되는 연료 도입부 및 산화제 도입부를 포함하고, 타측에는 연료와 산화제가 각각 배출되는 연료 배출부 및 산화제 배출부를 포함하고, 상기 도입부와 배출부 사이에 배치되며, 각 도입부 및 배출부와 연결되고, 연료와 산화제가 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하고, 상기 마이크로 채널은 연료와 산화제가 접하는 계면을 중심으로 브릿지를 포함하되,
브릿지의 길이방향에 대한 수직 단면은 직사각형 구조이고, 채널의 길이방향에 대한 수직 단면은 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
연료와 산화제가 동일 방향으로 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서,
연료전지의 길이방향으로 일측에는 연료와 산화제가 각각 도입되는 연료 도입부 및 산화제 도입부를 포함하고, 타측에는 연료와 산화제가 각각 배출되는 연료 배출부 및 산화제 배출부를 포함하고, 상기 도입부와 배출부 사이에 배치되며, 각 도입부 및 배출부와 연결되고, 연료와 산화제가 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하고, 상기 마이크로 채널은 연료와 산화제가 접하는 계면을 중심으로 브릿지를 포함하되,
브릿지의 길이방향에 대한 수직 단면은 상부 폭이 하부 폭보다 넓은 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
연료와 산화제가 동일 방향으로 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서,
연료전지의 길이방향으로 일측에는 연료와 산화제가 각각 도입되는 연료 도입부 및 산화제 도입부를 포함하고, 타측에는 연료와 산화제가 각각 배출되는 연료 배출부 및 산화제 배출부를 포함하고, 상기 도입부와 배출부 사이에 배치되며, 각 도입부 및 배출부와 연결되고, 연료와 산화제가 층류를 이루며 흐르는 마이크로 채널을 포함하고, 상기 마이크로 채널은 연료와 산화제가 접하는 계면을 중심으로 브릿지를 포함하되,
브릿지의 길이방향에 대한 수직 단면은 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 구조이고, 채널의 길이방향에 대한 수직 단면도 상부 폭이 하부 폭보다 좁은 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 채널의 폭은 50 내지 150 μm인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 채널의 높이는 40 내지 60 μm인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 브릿지의 폭은 75 내지 125 μm인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 브릿지의 높이는 15 내지 25 μm인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 브릿지의 높이에 대한 폭의 비는 3.3 내지 10인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
제1항에 따른 마이크로 유체 연료전지의 주입부로 연료와 산화제가 층류를 형성하도록 각각 도입하고, 배출부를 통하여 연료와 산화제가 층류를 유지하면서 각각 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법.