KR20040035761A - Ｍｅｍｓ에 기초한 연료 전지용 패키지의 제조 방법 - Google Patents

Ｍｅｍｓ에 기초한 연료 전지용 패키지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

MEMS에 기초한 연료 전지 패키지 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 연료 전지 패키지는 다음과 같은 7개의 층을 포함한다: (1) 서브패키지 연료 저장 인터페이스층; (2) 애노드 지지층, (3) 연료/애노드 매니폴드 및 저항식 히터층, (4) 연료 전지를 수용하는 후막 세공성 플로우 호스트 구조층, (5) 공기 매니폴드층, (6) 캐소드 매니폴드 지지 구조층, 및 (7) 캡. 하나 이상의 연료 전지를 구비하는 연료 전지 패키지는 이들 층의 스택을 직렬 및/또는 병렬로 적층함으로써 형성된다. 성형된 플라스틱 또는 세라믹 그린 테이프와 같은 재료 등의 연료 전지 패키지 재료는 패턴 형성되고 정렬되고 적층되어 3차원 마이크로유체형 채널을 형성하도록 적층될 수 있으며, 이들 채널은, 함께 접합되어 MEMS에 기초한 소형 연료 전지를 기계적으로 지지하는 다양한 층으로부터 전기 피드스루를 제공한다. 상기 패키지는 연료 전지 스택의 온도를 제어하기 위한 저항식 가열 소자를 내포한다. 상기 패키지는 층들의 접합을 위해 소결되며 연료 전지를 수용하는 하나 이상의 세공성 플로우 호스트 구조체는 패키지의 후막(thick film) 세공성 플로우 호스트 구조층 내에 삽입된다.

Description

ＭＥＭＳ에 기초한 연료 전지용 패키지의 제조 방법{METHOD OF FORMING A PACKAGE FOR MEMS-BASED FUEL CELL}
다양한 형태의 휴대형 동력원이 오래 전부터 개발되고 있다. 과거에 비해 훨씬 더 높은 파워 밀도와 긴 작동 수명을 가지며 비용이 낮은 휴대형 동력원이 절실히 요구되고 있다. 현재의 재충전형으로서 주된 휴대형 동력원은 작동 지속시간은 제한되어 있으면서 지나친 무게, 크기 및 비용을 가진다. 예를 들어, 1∼200 W의 파워 범위를 갖는 배터리는 50∼250 Whr/Kg 범위의 고유 에너지를 가지며, 이것은 여러 가지 용도에 대해 2시간 내지 3시간 동안 작동되는 것을 의미한다.
본 발명은 MEMS에 기초한 연료 전지 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
미국 정부는 로렌스 리버모어 국립 연구소의 운영에 대한 미국 에너지성과 유니버시티 오브 캘리포니아 사이에 체결된 계약 번호 제W-7405-ENG-48호에 따라 본 발명의 권리를 갖는다.
도 1(A)는 조립되기 전의 세라믹 그린 테이프(ceramic green tape) 연료 전지의 제1층을 나타낸다.
도 1(B)는 조립되기 전의 세라믹 그린 테이프 연료 전지의 제2층을 나타낸다.
도 1(C)는 조립되기 전의 세라믹 그린 테이프 연료 전지의 제3층을 나타낸다.
도 1(D)는 조립되기 전의 세라믹 그린 테이프 연료 전지의 제4층을 나타낸다.
도 1(E)는 조립되기 전의 세라믹 그린 테이프 연료 전지의 제5층을 나타낸다.
도 1(F)는 조립되기 전의 세라믹 그린 테이프 연료 전지의 제6층을 나타낸다.
도 1(G)는 조립되기 전의 세라믹 그린 테이프 연료 전지의 제7층을 나타낸다.
도 2는 조립되기 전의 세라믹 그린 테이프 연료 전지의 제3층, 연료 매니폴드 및 저항식 히터층을 예시하는 도면이다.
도 3은 TFMPFHS(Thick Film Microporous Flow Host Structure)층을 예시하는 도면이다.
도 4(A)는 공기 유동 경로를 나타내는 마이크로유체형(microfluidic) 연료 전지 패키지의 단면도이다.
4(B)는 연료 유동 경로를 나타내는 마이크로유체형 연료 전지 패키지의 단면도이다.
본 발명의 일면은 패키지 재료를 프리폼 레이아웃(preform layout)으로 패턴 형성하는 단계; 상기 패키지 재료로부터 적어도 연료 저장 인터페이스층, 복수 개의 저항식 가열 소자를 수용하는 층, 연료 전지를 수용하는 세공성(microporous)플로우 호스트(flow host) 구조층 및 캡층을 포함하는 복수 개의 층으로 된 패키지를 형성하는 단계; 및 상기 패키지 내에 마이크로채널을 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 면은 연료 전지 패키지를 제공하는 것으로, 상기 연료 전지 패키지는 전류 입력부, 연료 입구, 및 상기 전류 입력부에 접속되어 있는 복수 개의 전기 도선(lead)을 갖는 제1층; 애노드 매니폴드(anode manifold) 지지 구조체, 상기 연료 입구에 연결되는 연료 유동로(flow passage), 및 연료 출구를 갖는 제2층; 매니폴드 지지 빔(beam), 저항식 히터 지지 구조체, 연료 유동로, 공기 유동로에 연결되는 공기 유동 입구, 및 상기 복수 개의 전기 도선 각각에 접속되는 저항식 히터를 갖는 제3층; 연료 유동로, 공기 유동로, 및 애노드와 캐소드(cathode) 사이에 개재된 전해질로 형성되는 박막 연료 전지를 수용하는 세공성 플로우 호스트 구조체를 갖는 제4층; 상기 제4층의 상기 공기 유동로에 연결되는 공기 매니폴드, 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루(electric feedthrough), 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제5층; 상기 제5층의 상기 공기 매니폴드에 연결되는 공기 유동로, 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제6층; 및 공기 유동로, 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제7층을 포함하고, 접지에 접속되어 있는 전기 피드스루와 저항식 전기 피드스루가 상기 층들 각각을 통해 연통되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 면은 연료 전지 패키지를 제공하는 것으로, 상기 연료 전지 패키지는 전류 입력부, 연료 입구, 및 상기 전류 입력부에 접속되어 있는 복수 개의 전기 도선을 갖는 제1층; 애노드 매니폴드 지지 구조체, 상기 연료 입구에 연결되는 연료 유동로, 및 연료 출구를 갖는 제2층; 매니폴드 지지 빔, 저항식 히터 지지 구조체, 연료 유동로, 및 상기 복수 개의 전기 도선 각각에 접속되는 저항식 히터를 갖는 제3층; 연료 유동로, 및 애노드와 캐소드 사이에 개재된 전해질로 형성되는 박막 연료 전지를 수용하는 세공성 플로우 호스트 구조체를 갖는 제4층; 상기 연료 전지 패키지 내부로 통기될 수 있도록 하는 공기 수용 수단, 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제5층; 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제6층; 및 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제7층을 포함하고, 접지에 접속되어 있는 전기 피드스루와 저항식 전기 피드스루가 상기 층들 각각을 통해 연통되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 소형 연료 전지 소자용 패키지를 형성하는 방법을 설명한다. 도 1(A)∼1(G)에는 7개 층의 연료 전지 패키지의 프리폼층이 예시되어 있다. 상기 패키지는 저온 공동소결 세라믹(Low Temperature Co-Fired Ceramic; LTCC), 즉 듀폰 951 그린 테이프(Dupont 951 Green Tape)와 같은 세라믹 그린 테이프 프리폼,또는 듀폰 캡톤(Dupont Kapton)이나 실가드 실리콘(Sylgard Silicone)과 같은 플라스틱이나 폴리머 프리폼으로 제조될 수 있다. 프리폼층을 형성하는 방법에는 세라믹 또는 플라스틱의 레이저 절단, 사출성형 또는 압출성형이 포함된다.
패키지의 제1층인 도 1(A)를 참조하면, 연료 저장 인터페이스(2)는 세라믹 그린 테이프, 성형된 세라믹 또는 플라스틱 프리폼으로 제조된다. 연료 저장 인터페이스(2)는 3개의 전기 도선(6, 8, 10)을 가진 저항식 히터 전류 입력부(4), 연료 유동로(12), 좌측 정렬핀(14), 우측 정렬핀(16), 및 접지된 저항식 히터 피드스루(18)를 포함한다. 연료 저장 인터페이스(2)는, 강제 공급되는 공기가 사용될 경우, 공기 유동 비아(via)(20)를 또한 포함할 수 있다. 저항식 히터 전류 입력부(4)는 배터리 또는 초전도체와 같은 부하(load)에 연결되어 전류를 제공함으로써 저항기 내에 열을 발생시킬 수 있다. 연료 전지 패키지에 대한 초기의 가열은, 또한 소형 분리된 체적 내에서 탄화수소 연료와 공기의 혼합물을 촉매 존재 하에 연소시키는 공정과 같은 다른 기법을 통해 프리폼 패키지에 도입될 수 있다.
도 1(B)에 나타낸 연료 전지 패키지의 제2층은 세라믹 그린 테이프, 성형된 세라믹 또는 플라스틱 프리폼으로 제조된 애노드 매니폴드 지지체 및 연료/공기 유통층(21)이다. 애노드 매니폴드 지지체 및 연료/공기 유통층(21)은 전기 피드스루(5), 전기 도선(6, 8, 10), 연료 유동로(12), 좌측 정렬핀(14), 우측 정렬핀(16) 및 접지된 저항식 히터 피드스루(18)를 포함한다. 애노드 매니폴드 지지체 및 연료/공기 유통층(21)은, 강제 공급되는 공기가 사용될 경우, 공기 유동 비아(20)를 추가로 포함할 수 있다.
도 1(C)에서, 연료 전지 패키지의 제3층은 세라믹 그린 테이프, 성형된 세라믹 또는 플라스틱 프리폼으로 제조된 연료/애노드 매니폴드 및 저항식 히터층(22)이다. 연료/애노드 매니폴드 및 저항식 히터층(22)은 제2층인 애노드 매니폴드 지지체 및 연료/공기 유통층(21)의 바로 위에 놓이며, 이로써 전기 도선(6, 8, 10)이 제1층과 연속적인 전기 접속을 형성한다. 도 2를 참조하면, 연료 매니폴드 지지체 및 저항식 히터층(22)이 더 구체적으로 나타나 있다. 이 층은 전기 피드스루(5), 좌측 정렬핀(14), 우측 정렬핀(16), 연료 유동로(12), 저항식 히터(24), 전기 피드스루(5)를 통해 전기 입력부(4)에 접속된 전기 도선(6, 8, 10), 저항식 히터(24)가 형성되어 있는 매니폴드 지지 빔(27), 및 전기 피드스루(18)를 통해 접지에 접속되어 있는 3개의 전기 도선(26)를 포함한다. 연료/애노드 매니폴드 및 저항식 히터층(22)은 후막(厚膜) 세공성 지지 구조를 포함하는 다음 층에 대해 기계적으로 지지한다. 또한, 강제 공급되는 공기가 사용될 경우, 매니폴드 지지체 및 저항식 히터층은 선택적으로 공기 유동 비아를 포함할 수 있다. 저항식 히터는 매니폴드 지지 빔(27)의 상면을 따라 형성된다. 상기 히터는, 한쪽 끝이 접지되어 있고 다른쪽 끝이 공통 입력 전기 피드스루에 접속되어 있는 공통 피드스루 전기 도선에 접속된다. 입력 피드스루는 상기 히터에 파워를 공급할 수 있는 소형 배터리에 접속될 수 있다. 매니폴드 지지 빔(27) 및 저항식 히터층(22)은 세공성 플로우 호스트 구조를 지지하는 물리적 지지 빔을 제공한다.
도 1(D)를 참조하면, 후막 세공성 플로우 호스트 구조(TFMPFHS)층(28)이 연료 전지 패키지의 제4층을 형성한다. TFMPFHS층(28)은 전기 피드스루(5), 세공성플로우 호스트 구조체(도시되지 않음), 연료 유동로(12), 좌측 정렬핀(14), 우측 정렬핀(16), 및 접지된 저항식 히터 피드스루(18)를 포함한다. 강제 공급되는 공기가 사용될 경우, TFMPFHS층(28)은 공기 유동 비아(20)를 추가로 포함할 수 있다. TFMPFHS층(28)은 후막 세공성 플로우 호스트 구조체(도시되지 않음)가 위치하는 곳에 드롭-인 템플레이트(drop-in template)(30)를 형성한다. 그 밖의 접근 방법은 드롭-인 템플레이트를 형성하지 않고 연속형 세라믹 라미네이트 구조로 TFMPFHS를 형성할 수 있다. 이 실시예의 경우, 도 1에서의 TFMPFHS층(28) 전체는 복수 개의 기공을 가진 세라믹 또는 플라스틱 라미네이트층 상에 형성된 박막 연료 전지일 수 있다. 상기 라미네이트는 도 1에 나타낸 바와 같이 연료 및 공기 피드스루를 추가로 포함할 수 있고, 상기 박막 연료 전지는 기공의 중심 영역을 덮도록 다공성 라미네이트층 상에 적절한 템플레이트로 패턴 형성될 수 있지만, 연료 및 공기 플로우 채널이 위치되어 있는 영역까지 연장되지는 않는다.
TFMPFHS층(28)은 상면에 박막 연료 전지를 함유한다. 효과적 연료 전지는 그 밖에 미국 특허출원 제S-88,911호에 개시되어 있고, 이것은 본 명세서에 참고로서 결부된다. 도 3을 참조하면, 세공성 플로우 호스트 구조체(31)는 박막 연료 전지(32), 애노드 컨택트(contact)(34), 및 캐소드 컨택트(36)를 포함한다. 연료 전지(도시되지 않음)는 다공성 애노드/촉매층, 고밀도(dense) 전해질층, 및 다공성 캐소드층을 포함한다. 연료 전지는 양자 교환막(proton exchange membrane; PEM) 및 고체 산화물 연료 전지(solic oxide fuel cell; SOFC) 물질 구조 중 어느 하나일 수 있다. PEM 연료 전지에 있어서, 애노드는 다공성 호스트 구조체 상에 니켈또는 탄소의 박막에 이어 백금 또는 백금-루테늄 촉매로 이루어질 수 있다. 다음에 전해질 물질이 이어지는데, 이 전해질은 나피온(Nafion)일 수 있다. 캐소드는 백금 촉매에 이어서 또 다른 탄소 또는 Ni 다공성 전극을 가질 수 있다. PEM 연료 전지는 일반적으로 약 60℃ 내지 약 90℃의 온도에서 작동될 수 있다. 유사하게, SOFC 구조체는 다공성 호스트 구조체 상에 Ni 애노드를 적층하고, 이어서 산화세륨(CeO2)과 같은 애노드 촉매로 형성될 수 있고, 이후에 산화이트륨-안정화 지르코니아(yttria-stablized zirconia; YSZ)와 같은 고밀도 전해질층이 배치된다. 고밀도 전해질층에 이어서 산화세륨(CeO2)과 같은 애노드 촉매, 다시 이어서 은(銀) 또는 란탄 스트론튬 망간에이트와 같은 다공성 전극 물질이 형성된다. 본 발명에서, 연료는 지지 빔들 사이로 흘러갈 수 있어서, 후막 호스트 구조체에 있는 세공성 통로를 이용하여 애노드 표면 영역 대부분과 연료가 접촉할 수 있게 되어 있다.
도 1(E)는 연료 전지 패키지의 제5층을 형성하는 공기 매니폴드층(38)을 예시한다. 공기 매니폴드층(38)은 전기 피드스루(5), 공기 매니폴드(40), 좌측 정렬핀(14), 우측 정렬핀(16), 애노드 전기 피드스루(42), 캐소드 전기 피드스루(44), 연료 유동로(12), 및 강제 공급되는 공기가 사용될 경우 공기 유동 비아(20)를 포함한다.
도 1(F)는 연료 전지 패키지의 제6층을 형성하는 공기 매니폴드 지지층(54)을 예시한다. 공기 매니폴드 지지층(54)은 전기 피드스루(5), 공기 매니폴드(56)와 연통하는 공기 유동 비아(20), 좌측 정렬핀(14), 우측 정렬핀(16), 애노드 전기피드스루(42), 캐소드 전기 피드스루(44), 및 연료 유동로(12)를 포함한다.
도 1(G)는 연료 전지 패키지의 제7층을 형성하는 세라믹 그린 테이프 또는 플라스틱 프리폼 캡(46)을 예시한다. 캡(46)은 공기 매니폴드층(38) 바로 위에 정렬되어 전기 피드스루(5, 42, 44), 연료 유동로(12) 및 공기 유동 비아(20) 주위에 밀봉된 접합을 형성한다. 캡(46)은 연료 전지 패키지에서의 마지막 층으로서 역할을 한다. 연료 전지 패키지가 여러 개의 연료 전지를 포함할 경우에, 캡(46)은 공통층, 즉 제1 서브패키지를 덮는 이중 기능을 갖는 동시에 마이크로유체형 인터페이스 및 제2 서브패키지(도시되지 않음)용 지지 구조체로서의 기능을 갖는다. 캡(46)은 전기 피드스루(5), 좌측 정렬핀(14), 우측 정렬핀(16), 애노드 전기 피드스루(42), 및 캐소드 전기 피드스루(44)를 포함한다. 제2 서브패키지(도시되지 않음)에 연결될 경우, 캡(46)은 공기 유동 비아(20) 및 연료 유동로(12)를 구비한다.
도 4(A)는 크로스 플로우로 구성된 연료 유동 경로(52)를 나타내는 연료 전지 패키지(48)의 첫 번째 7개 층에 대한 단면도를 나타낸다. 도 4(B)는 크로스 플로우로 구성된 공기 유동 경로(50) 및 연료 유동 경로(52)를 나타내는 연료 전지 패키지(48)의 첫 번째 7개 층에 대한 단면도를 나타낸다. 연료용 입구 유동로(52) 및 산화제(공기) 공급원(50)이 제1층에 제공되어 직접적인 인터페이스를 가능하게 하고 통상 밸브, 마이크로밸브 또는 그 밖의 상호 연결 방식을 이용하여 마이크로유체형 연료 입구에 연결되는 연료 전지 패키지와 연료 저장 장치(도시되지 않음) 사이의 열전달 특성에 대한 설계를 가능하게 한다.
공기 유동 경로(50) 및 공기 유동 비아(20)에 의해 연료 전지 패키지를 통한공기의 강제 공급이 용이해진다. "통기(air breathing)" 시스템이 사용될 경우, 강제 공급되는 공기는 필요하지 않다. 통기 시스템은, 예를 들면, 패키지 구조의 외부까지 연장되며 공기를 연료 전지에 효과적으로 제공하는 일련의 도관으로서 작용하는 공기 매니폴드층(38) 내에 다수의 구멍을 가질 수 있다.
패키지 재료는 성형된 플라스틱 및 세라믹 그린 테이프 재료 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이들 재료는 약 25㎛ 내지 약 1mm 범위의 두께(일반적으로 약 50㎛ 내지 약 250㎛)로 사용할 수 있고, 여러 가지 에칭 또는 성형 기술을 이용하여 임의의 프리폼 레이아웃으로 형상화하고 패턴 형성할 수 있다. 에칭 기술은, 예를 들면, 레이저 가공, 습식 에칭 또는 플라즈마 에칭을 포함할 수 있다. 압출 성형 및 사출 성형이 효과적인 성형 기술의 예이다. 금속 상호 연결부는 스크린 인쇄 기술의 이용과 같은 임의의 종래 방법으로 이들 재료 상에 패턴 형성될 수 있다.
세라믹 그린 테이프를 연료 전지용으로 사용하는 것의 이점은 세라믹 재료가 높은 열 전도 또는 높은 열 분리를 제공하도록 조절될 수 있는 점이다. 이와 같은 조절에 의해, 예를 들면, 패키지의 중심부를 고온으로 집중시키는 한편 외곽 영역은 저온으로 유지할 수 있다. 즉, 연료 전지의 작동 온도는 약 300℃ 내지 약 650℃일 수 있는 반면 연료 전지 패키지는 맨손으로 취급할 수 있을 정도의 낮은 온도, 즉 약 55℃ 미만으로 유지된다. 대향류 열교환을 제공하기 위해 적층된 프리폼 설계에 특정한 마이크로유체형 냉각 설계를 포함시킬 수 있고, 그에 따라 유입되는 저온 가스를 배출되는 고온의 가스 흐름으로 가열할 수 있다. 세라믹 그린 테이프의 사용에 따른 또 다른 이점은, 예를 들면 은이나 백금으로 만들어질 수 있는 금속 도선 등의 전도성 도선 재료에 전기적 접촉을 가능하게 하는 금속 피드스루를 세라믹 프리폼이 가질 수 있다는 점이다. 상기 금속 피드스루는 세라믹 테이프층으로 이루어진 층들 사이에 수직 방향으로 연장될 수 있으므로 여러 개의 연료 전지를 3차원 레이아웃으로 적층시킬 수 있다. 세라믹 그린 테이프의 사용에 따른 또 다른 이점은 전극-전해질-전극으로 이루어진 층, 즉 연료 전지 스택의 온도를 제어하는 저항식 가열 소자를 패키지에 형성할 수 있다는 점이다. 이에 더하여, 세라믹 그린 테이프 재료가 사용될 경우, 액체 연료 및 산화제를 연료 전지 스택의 특정 측면에 전달할 수 있게 하는 마이크로채널을 패키지 내에 형성할 수 있다. 이 실시예에서, 유입 연료의 통로는 Pt, Pt-Ru, Ni 도는 Cu-ZnO와 같은 촉매 물질로 코팅될 수 있으며, 이러한 촉매 물질은 가열되면 액상 탄화수소 연료가 수소 및 그 밖의 부산물로 전환되는 것을 보조한다.
세공성 플로우 호스트 구조체는 고밀도 다공성 유동 채널이 관통하여 형성되어 있는 실리콘, 세라믹, 애노드형 알루미나, 플라스틱 또는 기타 유사한 재료일 수 있고, 이를 통해 연료가 연료 전지의 다공성 애노드 구조로 직접 흐를 수 있다. 애노드 전극 및 캐소드 전극의 패턴은 상호 접속 패드가 패키지의 외부 또는 패키지 내에 위치한 인접 연료 전지에 연결되는 피드스루에 전기적으로 접촉할 수 있는 곳에 위치하도록 형성된다.
공기 매니폴드층(38)은 애노드, 캐소드 및 저항기 파워 입력을 위한 전기 피드스루를 제공하는 동시에, 필요할 경우, 스택에서의 인접 레벨 연료 전지에 연결하기 위한 연료 및 산화제의 유동 채널을 제공한다. 공기 매니폴드층(38)은 또한캐소드 구조체에 공기를 분배하기 위한 매니폴드를 제공한다. 그 외에도 공기 매니폴드층(38)은 TFMPFHS층(28) 내에 삽입된 세공성 플로우 호스트 구조의 상부 테두리 주위의 오-링(o-ring) 밀봉재와 같은 밀봉 수단으로 작용한다. 캡톤(Kapton) 테이프 또는 이산화규소 테이프의 얇은 프리폼을 공기 매니폴드층(38) 밑에 밀봉 접합을 형성하는 데 이용할 수도 있고, 그렇지 않으면 플라스틱 또는 세라믹 그린 테이프층의 성형성(forming property)을 이용하여 패키지 내부로의 세공성 플로우 호스트 구조/박막 연료 전지를 접합하고 밀봉할 수도 있다. 바람직한 방법과 재료는 원하는 연료 전지 패키지의 작동 온도에 좌우된다.
세라믹 그린 테이프 또는 플라스틱 캡(46)은 패키지에 있는 연료 전지수 전체를 적층하고 스케일링(scaling)할 때 단순한 유연성을 가능하게 하는 전기 피드스루를 구비하는 것 외에는 본래의 서브패키지 마이크로유체형 인터페이스와 유사하다.
상기 패키지는 패키지 재료층을 정렬시키고 접촉시킴으로써 형성된다. 예를 들면, 그린 테이프 재료는 얇은 시트의 형태를 유지시키는 플라스틱 바인더 재료를 함유한다. 그린 테이프 구조체는 노(furnace)에서 공동소결되어 플라스틱 바인더가 제거되고 층과 층 사이에 접합을 형성함으로써 층들이 영구적으로 연결된다. 세공성 플로우 호스트 구조체(30)는 도 1에 나타낸 바와 같이 층들 내부에 삽입된다. 세공성 플로우 호스트 구조체의 어느 하나의 성분이 세라믹 테이프에 대한 소결 온도를 견디지 못할 경우, 프리폼층을 공동소결시킬 수 있다. 즉, 모든 층을 동시에 소결하고, 저온 접착제를 사용하여 연료 전지와 조합하여 최종 접합 및 밀봉을 형성할 수 있다.
이상과 같이 특정한 조작 절차, 재료, 온도, 파라미터 및 특정 실시예를 설명하고 예시하였지만, 이상은 본 발명을 한정하기 위함이 아니다. 여러 가지 변형 및 변화가 당업자에게 명백해질 것이며, 본 발명은 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정된다.

Claims (19)

  1. 패키지 재료를 프리폼 레이아웃(preform layout)으로 패턴 형성하는 단계;
    상기 패키지 재료로부터 적어도 연료 저장 인터페이스(fuel reservoir interface)층, 복수 개의 저항식 가열 소자를 수용하는 층, 연료 전지를 수용하는 세공성 플로우 호스트 구조체(microporous flow host structure), 및 캡층(cap layer)을 포함하는 복수 개의 층으로 된 패키지를 형성하는 단계; 및
    상기 패키지 내에 마이크로채널을 형성하는 단계
    를 포함하는 패키지 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 층이 애노드 매니폴드 지지층 및 캐소드 매니폴드 지지층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    스크린 인쇄 기술을 이용하여 각각의 상기 층들 사이에 금속 상호접속부(interconnect)를 패턴 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 재료가 성형된 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 성형된 플라스틱이 듀폰 캡톤(Dupont Kapton)인 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 성형된 플라스틱이 실가드 실리콘(Sylgard Silicone)인 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 성형된 플라스틱이 약 25㎛ 내지 약 1mm의 두께를 갖도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 성형된 플라스틱이 약 50㎛ 내지 약 250㎛의 두께를 갖도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 재료가 세라믹 그린 테이프 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 그린 테이프가 듀폰 951 그린 테이프(Dupont 951 Green Tape)인 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 그린 테이프가 약 25㎛ 내지 약 1mm의 두께를 갖도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 그린 테이프가 약 50㎛ 내지 약 250㎛의 두께를 갖도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 층들 중 임의의 2개 이상의 층들 사이에 수직 방향으로 연장되는 전기 피드스루를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 재료가 에칭 기술에 의해 패턴 형성되는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 재료가 몰딩 기술에 의해 패턴 형성되는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 내에 공기 유동 매니폴드를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 내에 연료 유동 매니폴드를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지 형성 방법.
  18. 전류 입력부, 연료 입구 및 상기 전류 입력부에 접속되어 있는 복수 개의 전기 도선(electrical lead)을 갖는 제1층;
    애노드 매니폴드 지지 구조체, 상기 연료 입구에 연결되는 연료 유동로, 및 연료 출구를 갖는 제2층;
    매니폴드 지지 빔, 저항식 히터 지지 구조체, 연료 유동로, 공기 유동로에 연결되는 공기 유동 입구, 및 상기 복수 개의 전기 도선 각각에 접속되는 저항식 히터를 갖는 제3층;
    연료 유동로, 공기 유동로, 및 애노드와 캐소드 사이에 개재된 전해질로 형성되는 박막 연료 전지를 수용하는 세공성 플로우 호스트 구조체를 갖는 제4층;
    상기 제4층의 상기 공기 유동로에 연결되는 공기 매니폴드, 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제5층;
    상기 제5층의 상기 공기 매니폴드에 연결되는 공기 유동로, 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제6층; 및
    공기 유동로, 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제7층
    을 포함하고,
    접지에 접속되어 있는 전기 피드스루와 저항식 전기 피드스루가 상기 층들 각각을 통해 연통되어 있는
    연료 전지 패키지.
  19. 전류 입력부, 연료 입구, 및 상기 전류 입력부에 접속되어 있는 복수 개의 전기 도선을 갖는 제1층;
    애노드 매니폴드 지지 구조체, 상기 연료 입구에 연결되는 연료 유동로, 및 연료 출구를 갖는 제2층;
    매니폴드 지지 빔, 저항식 히터 지지 구조체, 연료 유동로, 및 상기 복수 개의 전기 도선 각각에 접속되는 저항식 히터를 갖는 제3층;
    연료 유동로, 및 애노드와 캐소드 사이에 개재된 전해질로 형성되는 박막 연료 전지를 수용하는 세공성 플로우 호스트 구조체를 갖는 제4층;
    상기 연료 전지 패키지 내부로 통기될 수 있도록 하는 공기 수용 수단, 연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제5층;
    연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제6층; 및
    연료 유동로, 애노드 전기 피드스루, 및 캐소드 전기 피드스루를 갖는 제7층
    을 포함하고,
    접지에 접속되어 있는 전기 피드스루와 저항식 전기 피드스루가 상기 층들 각각을 통해 연통되어 있는
    연료 전지 패키지.
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