KR20020058385A - Fabrication of bipolar plate using semiconductor materials for mini-fuel cells - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a method for manufacturing a bipolar plate which is a component of small fuel cell, using semiconductor material instead of graphite which has been conventionally used. CONSTITUTION: The method comprises growing a thin film of silicon carbide with thickness of 10 nm to 100 micrometer(according to the purpose) on a silicon substrate, using silanes gas(SiH4, SiCl4, and so on), hydrocarbon gas(CH4, C2H4, C3H8, and so on), and organic silane compounds(CH3SiH3, CH3SiCl3, (CH3)6Si2, (CH3)4Si, and so on) as raw material by chemical vapor deposition, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and liquid phase methods. In method for etching Si or SiC/Si, dry etching uses gases such as SF6, CF4, NF3, and CCl4, and wet etching uses gases such as KOH, NaOH, and HF.

Description

반도체 재료를 이용한 소형 연료전지의 bipolar plate의 제작{Fabrication of bipolar plate using semiconductor materials for mini-fuel cells}Fabrication of bipolar plate of small fuel cell using semiconductor material {Fabrication of bipolar plate using semiconductor materials for mini-fuel cells}

본 발명은 소형 연료전지의 구성요소인 bipolar plate를 기존에 사용하던 흑연 (graphite) 대신 반도체재료를 이용하여 제작하는 기술을 개발하는데 목적이 있다. 반도체 재료들인 Si과 SiC/Si 위에 사진공정과 습식 (혹은 건식) 식각공정을 통하여 기체 (혹은 액체)연료가 흐를 수 있는 미세유로를 형성한다. 그 위에 절연체 (SiO2혹은 SiNx) 박막을 증착한 후 집전체 역할을 할 수 있도록 금속접합공정으로 금속 (Pt, Ru, Pd, Au)을 접합하여 연료전지 (PEMFC, DMFC 등)에 이용되는 bipolar plate를 제작한다.An object of the present invention is to develop a technology for manufacturing a bipolar plate, which is a component of a small fuel cell, using semiconductor materials instead of graphite. Photomicrographs and wet (or dry) etching processes are used to form microchannels through which gaseous (or liquid) fuel can flow over the semiconductor materials Si and SiC / Si. After depositing an insulator (SiO 2 or SiN x ) thin film on it, metal (Pt, Ru, Pd, Au) is bonded by metal bonding process to be used as a current collector, which is used in fuel cells (PEMFC, DMFC, etc.) Make a bipolar plate.

본 발명은 기존의 흑연으로 제작된 연료전지보다 부피와 중량이 작고, 기계적 강도가 우수하며, 이온전도성 막(membrane)과 bipolar 사이의 계면접합 특성이 우수한 bipolar plate를 제작할 수 있다는 장점이 있다.The present invention has the advantage that it is possible to manufacture a bipolar plate having a smaller volume and weight, excellent mechanical strength, and excellent interfacial bonding properties between an ion conductive membrane (membrane) and bipolar than a fuel cell made of conventional graphite.

최근 소형 휴대용 전자기기의 활발한 개발로 반영구적이고 1회 충전시 장시간 동작이 가능한 전원 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 밧데리는 일반적으로 무겁고 가격이 비싸며 수명이 길지 못하기 때문에 태양에너지, 수소에너지를 사용하는 밧데리 대체용 전원의 개발이 활발히 연구되어 왔다[J. Stephens, Fuel Cells Bulletinsw, No. 12, 6 (1999).]. 이들 대체용 전원들 중에서 수소연료를 전기공급원으로 하는 전기화학 장치는 주로 화력발전 대체, 수송용 및 현지설치형 전원으로 사용하기 위하여 약 30년 전부터 연구가 시작되었다. 최근에는 휴대폰, 노트북 같은 휴대용 전자 제품이 등장하면서 수명이 길고 에너지 밀도가 높은 연료전지 개발이 관심사로 등장하고 있다[J. H. Hirschenbofer, et al. Fuel cell Handbook Fourth Edition, FETL, (1999)].Recently, many studies have been conducted on the development of a semi-permanent power source capable of long-term operation on a single charge due to the active development of small portable electronic devices. Since batteries are generally heavy, expensive and have a long lifespan, development of battery replacement power sources using solar energy and hydrogen energy has been actively studied [J. Stephens, Fuel Cells Bulletinsw, No. 12, 6 (1999). Among these alternative power sources, electrochemical devices using hydrogen fuel as an electricity source have been studied for about 30 years, mainly for use as thermal power generation replacement, transportation and field installation power sources. Recently, with the advent of portable electronic products such as mobile phones and laptops, the development of fuel cells with a long lifespan and high energy density has emerged as a concern [J. H. Hirschenbofer, et al. Fuel cell Handbook Fourth Edition, FETL, (1999).

연료전지는 19세기 전반 영국의 글로브경(William R. Grove)이 발명한 것으로 알려지고 있으며, 그 원리는 연료의 화학에너지(연소에너지)를 직접 전기에너지로 변화시키는 장치이다. 일반적인 전지는 저장시스템을 통해 에너지원을 공급하지만 연료전지는 하나의 발전기 역할을 수행한다. 연료가 공급되는 동안 지속적으로 에너지를 이용할 수 있다. 각 전극에서 일어나는 반응식과 총괄 반응식은 다음과 같다.The fuel cell is said to have been invented by Sir William R. Grove of England in the first half of the 19th century, and its principle is to convert the chemical energy (combustion energy) of a fuel directly into electrical energy. Typical cells supply energy through storage systems, but fuel cells serve as a generator. Energy can be used continuously while fuel is being supplied. Reaction equation and general reaction which take place at each electrode are as follows.

연료전지는 전해질의 종류와 작동 온도에 따라 알칼리 연료전지 (alkalinefuel cell, AFC), 고분자 전해질 연료전지 (polymer electrolyte membrane, PEMFC), 인산형 연료전지 (phosphoric acid fuel cell, PAFC), 용융탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체산화물 연료전지 (solid oxide fuel cell, SOFC), 그리고 직접메탄올 연료전지 (direct methanol fuel cell, DMFC)로 분류할 수 있다[Karl Kordesch,Simader, Fuel cell and Their Applications, VCH Publishers, Inc.. New York, NY, USA, 52 (1996)]. 이 중 운전온도가 낮고, 시스템의 소형화, 이동 및 휴대성이 편리한 연료전지는 고분자 전해질 연료전지와 직접메탄올 연료전지이다. 고분자 전해질 연료전지와 직접메탄올 연료전지는 촉매층을 포함하는 지지체와 양극과 음극 및 고분자전해질, bipolar plate로 구성되어있다. 구성 성분 중에서 연료의 통로역할과 집전체 역할을 하는 부분을 "bipolar plate"라 한다. bipolar plate는 연료전지의 용량을 확대하기 위해 단위전지를 적층시킬 때 단위전지 사이의 가스 혼합을 방지하고 전기적 회로를 연결하는 역할을 수행한다. bipolar plate는 크게 다공성이 있는 것과 기공이 없는 치밀한 것으로 분류된다. 바이폴라 판은 낮은 전기적 저항, 높은 기계적 강도, 전해질에 대한 안정성을 필요로 하며, 최근 휴대 및 이동의 편리성을 위하여 경량화와 부피의 축소도 또한 많은 연구가 진행되고 있다. 보통 bipolar plate는 열경화성 수지에 흑연분말을 적당량 혼합하여 제조한다. 이러한 흑연 재료는 bipolar plate와 각극 (양극 과 음극)과 계면저항이 높아 전압강하가 발생하고, 기계적 강도 낮을 뿐만 아니라, 전도성이 낮고, 고가인 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 최근에는 고전도성 탄소섬유 등을 바인더 (binder)로 첨가하여제조한다. Los Alamos National lab.에서는 흑연재료에 강화섬유나 "X" 또는 "Y" 강화제를 첨가하여 경량 고전도성 bipolar plate를 개발하고 있다[S. Chalk et al, Fuel Cell for Transportation Program National Laboratory Annual Progress Report, N.S DOE Report vol. 2 No. 2, (1999)]. 그들은 강화제를 기존의 흑연재료에 첨가함으로써 기계적·전기적 물성을 높이는 연구를 하였다. 일반적인 흑연재료의 경우 전자 전도도가104S/cm인 것에 비해 흑연섬유 강화 plate는50S/cm로 낮은 반면에 인장강도와 굴곡 강도 또한 기존의 흑연재료가 지니고 있는 3600 psi와 5300 psi보다 높은 4100 psi와 8200 psi를 나타낸다. 그러나 기존 흑연재료에서 나타나는 무게와 부피의 감소하는 부분에서는 효과적이지 못했다. 따라서 연료전지를 초소형으로 제작하는데 큰 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 발명에서는 소형 연료전지 (고분자 전해질 연료전지, 직접메탄올 연료전지 등)의 제작에 이용되는 bipolar plate를 반도체 재료(Si, SiC, SiC/Si)를 이용하여 기존의 문제점들을 해결하고자 한다.Fuel cells are alkaline fuel cells (AFCs), polymer electrolyte membranes (PEMFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), and molten carbonate fuel cells, depending on the type of electrolyte and operating temperature. (molten carbonate fuel cell, MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), and direct methanol fuel cell (DMFC) [Karl Kordesch, Simader, Fuel cell and Their Applications, VCH Publishers, Inc. New York, NY, USA, 52 (1996)]. Among them, fuel cells having a low operating temperature and convenient system miniaturization, movement and portability are polymer electrolyte fuel cells and direct methanol fuel cells. A polymer electrolyte fuel cell and a direct methanol fuel cell are composed of a support including a catalyst layer, a positive electrode, a negative electrode, a polymer electrolyte, and a bipolar plate. The part of the component that serves as a fuel passage and the current collector is called a "bipolar plate". The bipolar plate prevents gas mixing and connects electrical circuits between unit cells when stacking unit cells to increase the capacity of the fuel cell. Bipolar plates are classified as either porous or dense without pores. Bipolar plates require low electrical resistance, high mechanical strength and stability against electrolytes. Recently, many studies have been conducted to reduce weight and reduce volume for convenience of carrying and moving. Usually bipolar plate is prepared by mixing an appropriate amount of graphite powder on the thermosetting resin. Such graphite materials have high bipolar plate and angular poles (anode and cathode) and high interface resistance, resulting in voltage drop, low mechanical strength, low conductivity, and high cost. In order to overcome this problem, recently, high conductive carbon fibers and the like are added and manufactured as a binder. Los Alamos National lab. Is developing lightweight high-conductivity bipolar plates by adding reinforcing fibers or "X" or "Y" reinforcements to graphite materials [S. Chalk et al, Fuel Cell for Transportation Program National Laboratory Annual Progress Report, NS DOE Report vol. 2 No. 2, (1999). They studied to improve mechanical and electrical properties by adding reinforcing agents to existing graphite materials. Graphite fiber-reinforced plates are 50 S / cm lower than typical graphite materials with electron conductivity of 104 S / cm, while tensile strength and flexural strength are also 4100 psi higher than 3600 psi and 5300 psi of conventional graphite materials. And 8200 psi. However, it was not effective in reducing the weight and volume of the existing graphite material. Therefore, there is a big problem in manufacturing a fuel cell in a very small size. Therefore, the present invention is to solve the existing problems by using a semiconductor material (Si, SiC, SiC / Si) for the bipolar plate used in the production of small fuel cells (polymer electrolyte fuel cell, direct methanol fuel cell, etc.).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 방법으로서, Si, 혹은 SiC/Si 반도체 재료들을 이용하여 소형 연료전지 (PEMFC, DMFC)의 bipolar plate를 제작하는 기술이다. 반도체 재료인 Si 와 SiC/Si를 blpolar plate 재료로 이용하고, 이들 반도체 표면을 습식 혹은 건식 식각공정을 이용하여 패턴을 형성하는 방법으로 원료 (기체 및 액체)의 유로를 형성한다. 이러한 방법으로 형성된 유로 위에 절연체인 규소질화물(SiNx) 또는 규소산화물(SiOx) 박막을 형성하고, 그 위에 금속접합을 실시하여 bipolar plate를 완성한다. 제조된 bipolar plate를 사용하여 소형 연료전지를 제작한다. 기존 bipolar plate에 사용된 흑연 재료를 반도체 재료로 대치하는 경우, 흑연에 비하여 가볍고, 부피가 작아 에너지밀도를 높이며 소형 연료전지로의 응용이 가능하다. 뿐만 아니라 내식성과 기계적 강도가 강하며, 기존의 기계적 식각에 비해 습식 식각 및 건식 식각공정을 통하여 손쉽게 기체의 유로를 형성할 수 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and is a technique for manufacturing a bipolar plate of a small fuel cell (PEMFC, DMFC) using Si, or SiC / Si semiconductor materials. Si and SiC / Si, which are semiconductor materials, are used as blpolar plate materials, and the flow paths of raw materials (gas and liquid) are formed by forming a pattern using a wet or dry etching process on these semiconductor surfaces. A silicon nitride (SiN x ) or silicon oxide (SiO x ) thin film, which is an insulator, is formed on the flow path formed in this way, and a metal junction is performed thereon to complete a bipolar plate. A small fuel cell is manufactured using the prepared bipolar plate. When replacing graphite materials used in conventional bipolar plates with semiconductor materials, they are lighter and smaller in volume than graphite, increasing energy density and applying to small fuel cells. In addition, the corrosion resistance and mechanical strength is strong, it is possible to easily form a gas flow path through the wet etching and dry etching process compared to the conventional mechanical etching.

..

본 발명은 가) bipolar plate 재료로 Si과 SiC/Si 반도체를 사용하는 기술, 나) 실리콘 표면 위에 탄화규소 (SiC)박막을 형성하는 기술, 다) 이들 반도체 표면을 사진공정과 습식 (혹은 건식) 식각공정을 이용하여 기체 (혹은 액체) 원료의 유로를 형성하는 기술, 라) 이들 반도체 표면 위에 절연체인 SiNx또는 SiOx를 형성하는 기술, 마) 상기 유로가 형성된 기판위에 금속접합을 하는 기술, 바) 이들 반도체 재료로 제작한 bipolar plate를 이용하여 연료전지를 제작하는 기술로 이루어져 있다.The present invention provides a) bipolar plate material using Si and SiC / Si semiconductors, b) silicon carbide (SiC) thin film formation on the silicon surface, and c) photo process and wet (or dry) these semiconductor surfaces. (D) forming a flow path of a gas (or liquid) raw material using an etching process; d) forming a silicon insulator (SiN x or SiO x ) on the surface of the semiconductor; e) forming a metal junction on the substrate on which the flow path is formed; F) It consists of a technology for manufacturing fuel cells using bipolar plates made of these semiconductor materials.

이하 제시된 본 발명의 실시예를 통하여 각 기술을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, each technology will be described in detail with reference to examples of the present invention.

[실시예 1] 실리콘 기판위에 탄화규소박막을 형성하는 기술Example 1 Technique for Forming Silicon Carbide Thin Film on Silicon Substrate

[도 1]과 같이 실리콘 기판위에 SiC를 박막을 성장하기 위해 기판을 15×15 mm2의 크기로 절단하였다. Si의 표면에 존재할 수 있는 유기물과 자연 산화막 등의불순물을 제거하기 위하여 아세톤으로 3분 동안 초음파 세척을 후 후, 5 % 희석된 HF수용액에 3분간 처리하여 N2기체로 건조시킨다. 이러한 전처리 과정을 한 후 기판을 반응기내에 장착하고 30분 동안 감압한 후 반응기내의 잔류기체를 완전히 제거하기 위해 수소기체로 10분 동안 purging하였다. 장착중에 발생할 수 있는 산화막을 제거하기 위해 수소분위기에서 1100 ℃까지 승온하여 5분 동안 수소 식각을 유지한 후 상온까지 냉각하였다. 냉각된 Si 기판위에 SiC를 성장하기 위해 25 ℃/sec의 속도로 승온한 후 공급기체인 TMS(tetramethylsilane, (CH3)4Si)을 공급하여 100 ㎛의 두께를 갖는 SiC를 성장하였다.As shown in FIG. 1, the substrate was cut to a size of 15 × 15 mm 2 to grow a SiC thin film on a silicon substrate. In order to remove impurities such as organic matter and natural oxide film that may exist on the surface of Si, and then ultrasonically washed with acetone for 3 minutes, and then treated with 5% diluted HF aqueous solution for 3 minutes and dried with N 2 gas. After this pretreatment, the substrate was placed in a reactor, depressurized for 30 minutes, and purged with hydrogen gas for 10 minutes to completely remove residual gas in the reactor. In order to remove the oxide film which may occur during mounting, the temperature was raised to 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere to maintain hydrogen etching for 5 minutes, and then cooled to room temperature. In order to grow SiC on the cooled Si substrate, the temperature was raised at a rate of 25 ° C./sec, and then, TMS (tetramethylsilane, (CH 3 ) 4 Si), which was a feed gas, was supplied to grow SiC having a thickness of 100 μm.

[실시예 2] Si과 SiC/Si 반도체 표면에 습식 (혹은 건식) 식각공정을 이용하여 원료 (기체 및 액체)의 유로를 형성하는 기술[Example 2] A technique for forming a flow path of raw materials (gas and liquid) using a wet (or dry) etching process on the surface of Si and SiC / Si semiconductors

반도체 재료를 bipolar plate에 이용하기 위해 Si과 SiC 및 SiC/Si 반도체 표면에 원료의 유로를 형성하기 위해, 먼저 다음과 같이 사진·식각공정을 실시한다. [도 2]와 [도 3]에서 도시된 것과 같이 포토레지스트 (photoresist, P/R)를 반도체 표면 위에 균일하게 코팅시킨 후 표준 노광공정을 이용하여 P/R에 stripe line 식각한다 ([도 4]와 [도 5]). 이때 선폭길이는 500 ㎛, 선폭간격은 300 ㎛, 그리고 깊이는 200 ㎛를 유지하도록 만든다. P/R에 형성된 선폭을 반도체 표면에 동일 크기로 전송하여 유로를 만들기 위해 식각공정을 수행한다. 이때 식각의 방법에는 습식 식각과 건식 식각의 두 가지 방법을 사용할 수 있다. 건식식각은 SF6가스를 이용하여 식각하고, 습식 식각은 KOH의 화학 식각용액을 이용하여 식각한다.식각되어진 반도체 표면에 남아있는 포토레지스트를 유기용매 혹은 asher 등을 이용하여 완전히 제거시켜 [도 6] 과 [도 7] 과 같이 유로가 형성된 반도체 (Si, SiC/Si) 기판을 얻는다.In order to form the raw material flow path on the surface of Si, SiC, and SiC / Si semiconductors for the use of semiconductor materials in bipolar plates, photolithography process is performed as follows. As shown in FIGS. 2 and 3, the photoresist (P / R) is uniformly coated on the semiconductor surface, and the stripe line is etched on the P / R using a standard exposure process ([FIG. 4]. ] And [FIG. 5]). The line width is 500 μm, the line width is 300 μm, and the depth is 200 μm. The line width formed on the P / R is transferred to the surface of the semiconductor in the same size to perform an etching process to make a flow path. In this case, there are two methods of etching, wet etching and dry etching. Dry etching is etched using SF 6 gas, wet etching is etched using a chemical etching solution of KOH. The photoresist remaining on the surface of the etched semiconductor is completely removed using an organic solvent or asher [Fig. And a semiconductor (Si, SiC / Si) substrate having a flow path as shown in FIG. 7.

[실시예 3] 반도체 표면 위에 절연체인 실리콘질화물 또는 실리콘산화물을 형성하는 기술Example 3 Technology of Forming Insulator Silicon Nitride or Silicon Oxide on Semiconductor Surface

식각공정으로 유로가 형성된 반도체 표면 위에 절연체 (SiOx혹은 SiNx)박막을 [도 8]과 [도 9] 같이 1000 Å두께로 화학기상증착법을 이용하여 1050 ℃온도 범위에서 성장시킨다. Si 기판은 아세톤에 5분 동안 담가 초음파세척을 하였고, 희석된 HF 수용액에 5분간 담근 후 N2기체로 건조하였다. 반응기로 옮기는 도중에 발생하는 자연 산화막을 제거하기 위해 H2를 1000 sccm 흘려주면서 1000 ℃에서 5분 동안 H2식각을 한다. 그리고 질화처리를 할 경우에는 NH3과 H2가스를 사용하였고, 산화처리의 경우에는 O2가스를 사용하여 1050 ℃에서 각각의 절연체 박막을 성장하였다.An insulator (SiO x or SiN x ) thin film is grown on the semiconductor surface where the flow path is formed by etching using a chemical vapor deposition method at 1000 Å thickness as shown in FIGS. 8 and 9. The Si substrate was soaked in acetone for 5 minutes and ultrasonically immersed in dilute HF aqueous solution for 5 minutes and dried with N 2 gas. To remove the native oxide film generated during the transfer to the reactor while the H 2 flow to a 1000 sccm H 2 etching for 5 minutes at 1000 ℃. In the case of nitriding treatment, NH 3 and H 2 gas were used, and in the case of oxidation treatment, each insulator thin film was grown at 1050 ° C. using O 2 gas.

[실시예 4] 금속접합 기술Example 4 Metal Bonding Technology

SiO2(or SiNx)/Si, SiO2(or SiNx)/SiC, SiO2(or SiNx)/SiC/Si, SiC/SiO2(or SiNx)/Si 기판위에 [도 10]과 같이 화학기상증착법을 이용하여 집전체 역할을 할 수 있도록 금속을 접합한다. 이때 사용되는 금속은 Pt, Ru, Au, Pd 등이며, 열처리온도는 1050℃, 열처리시간은 1 시간이다.SiO 2 (or SiN x ) / Si, SiO 2 (or SiN x ) / SiC, SiO 2 (or SiN x ) / SiC / Si, SiC / SiO 2 (or SiN x ) / Si on the substrate [FIG. 10] As described above, the metals are bonded to form a current collector using chemical vapor deposition. The metal used at this time is Pt, Ru, Au, Pd, etc., the heat treatment temperature is 1050 ℃, the heat treatment time is 1 hour.

[실시예 5] 연료전지로 제작 기술Example 5 Fabrication Technology with Fuel Cell

금속이 접합된 반도체 재료를 양극과 음극의 bipolar plate로, Nafion 을 membrane으로 이용하여 연료전지를 제작한다. 이러한 연료전지는 기존의 흑연에 비해 부피와 무게를 줄일 수 있어 초소형으로 제작될 수 있고, 금속을 접합함으로 인하여 높은 전자 전도성을 갖기 때문에 기존의 연료전지에 이용된 bipolar의 문제점을 해결할 수 있다.A fuel cell is fabricated by using a semiconductor material bonded with metal as a bipolar plate of anode and cathode and using Nafion as a membrane. Such a fuel cell can be manufactured in a very small size because it can reduce the volume and weight compared to the conventional graphite, and because of the high electronic conductivity by bonding a metal can solve the problem of the bipolar used in the conventional fuel cell.

[실시예 6] 비교예Example 6 Comparative Example

상용화된 흑연재료를 bipolar plate로 사용하여 연료전지를 제작한 후 본 실험에서 제작한 반도체 재료를 이용한 연료전지의 특성을 비교하였다. 흑연 재료를 사용한 bipolar plate에 비해 반도체 재료를 bipolar plate로 사용할 경우 전자전도도는 104 S/cm에서 1000 S/cm로 증가하였고, 인장강도는 기존의 흑연재료가 지니고 있는 3.0×106lb/in2에 비하여 Si의 경우에는 조금 낮은 1.1×106lb/in2, SiC의 경우에는 흑연재료와 동일한 3.0×106lb/in2psi를 나타내었다. 특히, bipolar plate의 두께가 기존에 1.5 cm에서 < 1 mm로 감소하여 소형 연료전지의 제작을 가능하게 하였다.After fabricating a fuel cell using commercially available graphite material as a bipolar plate, the characteristics of the fuel cell using the semiconductor material fabricated in this experiment were compared. Compared to the bipolar plate using graphite material, the electron conductivity increased from 104 S / cm to 1000 S / cm when the semiconductor material was used as the bipolar plate, and the tensile strength was 3.0 × 10 6 lb / in 2 of the existing graphite material. compared to the case of Si in the case of a little low 1.1 × 10 6 lb / in 2 , SiC has shown the same 3.0 × 10 6 lb / in 2 psi and a graphite material. In particular, the thickness of the bipolar plate has been reduced from 1.5 cm to <1 mm, making it possible to manufacture small fuel cells.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 기존의 연료전지의 구성요소인 bipolar plate에 사용되는 흑연대신 반도체 재료를 이용하면 부피와 무게를 줄일 수 있어서 초소형의 연료전지를 제작할 수 있다. 또한 Si과 SiC/Si 반도체를 bipolar plate재료로 이용함으로써 내식성 및 기계적 강도가 우수하고, 반도체 식각공정, 사진공정, 금속접합공정을 이용함으로써 대량생산의 기회를 가짐으로써 제조원가가 절감된다는 이점을 지니고 있다.As described above, according to the present invention, if the semiconductor material used for the bipolar plate, which is a component of the conventional fuel cell, is used, the bulk and weight can be reduced, thereby making it possible to manufacture a micro fuel cell. In addition, by using Si and SiC / Si semiconductor as bipolar plate material, it has excellent corrosion resistance and mechanical strength, and has the advantage of reducing manufacturing cost by having opportunity of mass production by using semiconductor etching process, photo process, and metal bonding process. .

Claims (5)

Si과 SiC/Si 반도체를 이용하여 bipolar plate를 제작하고, 이를 연료전지의 제조에 이용하는 기술Technology to manufacture bipolar plate using Si and SiC / Si semiconductor and use it for manufacturing fuel cell 1항에 있어 실리콘 기판위에 실란(silanes) 기체(SiH4, SiCl4등)와 탄화수소기체(CH4, C2H4, C3H8등)를 원료와 유기실란화합물(CH3SiH3, CH3SiCl3, (CH3)6Si2, (CH3)4Si 등)을 이용하여 화학기상증착법, 분자선증착법, 플라즈마화학기상증착법, 스퍼터링법, 액상법 등을 이용하여 탄화규소 박막을 목적에 따라 10 nm ∼100 ㎛ 두께로 성장시키는 기술.According to claim 1, a silane gas (SiH 4 , SiCl 4, etc.) and a hydrocarbon gas (CH 4 , C 2 H 4 , C 3 H 8, etc.) are added to a silicon substrate as a raw material and an organosilane compound (CH 3 SiH 3 , CH 3 SiCl 3 , (CH 3 ) 6 Si 2 , (CH 3 ) 4 Si, etc.) to the silicon carbide thin film using According to the technology to grow to a thickness of 10 nm ~ 100 ㎛. 1항에 있어 Si 또는 SiC/Si를 식각하는 방법에 대하여 건식식각은 SF6, CF4, NF3, CCl4등의 가스를 이용하고, 습식 식각은 KOH, NaOH, HF 등의 화학 식각용액을 이용하는 기술.The method for etching Si or SiC / Si according to claim 1, wherein dry etching is performed using gases such as SF 6 , CF 4 , NF 3 , CCl 4 , and wet etching using chemical etching solutions such as KOH, NaOH, HF, etc. Technology to use. 1항에 있어 식각된 Si 또는 SiC/Si 박막위에 1 ∼ 10000 Å 두께로 화학기상증착법, 분자선증착법, 플라즈마화학기상증착법 혹은 스퍼터링법을 이용하여 100 ℃ ∼ 1300 ℃온도 범위에서 실리콘산화물과 실리콘질화물 박막을 성장하는 기술.Silicon oxide and silicon nitride thin films in the temperature range of 100 ℃ to 1300 ℃ by using chemical vapor deposition, molecular beam deposition, plasma chemical vapor deposition, or sputtering method on the etched Si or SiC / Si thin film in a thickness of 1 ~ 10000 00 Technology to grow. 1항에 있어 화학기상증착법, 분자선증착법, 플라즈마화학기상증착법 혹은 스퍼터링법을 이용하여 열처리온도는 20∼1300℃, 열처리시간은 0 ∼ 2 시간동안 Pt, Pd, Au, Ru를 접합하는 기술.The technique of joining Pt, Pd, Au, and Ru according to claim 1 using a chemical vapor deposition method, a molecular beam deposition method, a plasma chemical vapor deposition method, or a sputtering method for a heat treatment temperature of 20 to 1300 ° C. and a heat treatment time of 0 to 2 hours.
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