KR20060104562A - 인쇄회로기판을 가용한 고온형 및 저온형 연료전지의 구성 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 연료전지를 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 소형화를 도모한 마이크로 연료전지에 관한 것으로, 동박이 입혀진 인쇄회로기판을 에칭 또는 포토리서그래피 공정을 통하여 원하는 여러 가지 패턴을 구현하여 바이폴라 형태의 단위전지와 그 단위전지를 평행하게 연결하여 이동용 및 휴대용 전원으로 응용되는 연료전지가 제공된다.

본 발명은 동박인 입혀진 인쇄회로기판위에 리소그래피공정을 통하여 마이크로 채널을 제작하고 채널의 반대편은 리소그래피공정을 통하여 배선을 형성하여 기존의 전류집전체(Current collector)를 제거하여 소형화를 이룰 수 있기 때문에 이동용 및 초소형의 연료전지를 저가로 구현할 수 있는 효과가 있다.

인쇄회로기판(PCB), 마이크로 연료전지, 에칭, 리소그래피공정, 전류집전체

Description

인쇄회로기판을 가용한 고온형 및 저온형 연료전지의 구성 {Construction of the fuel cell using PCB for variable temperature conditions }

도1,2,3는 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지의 평면도

도4은 마이크로 셀을 페러렐하게 연결한 멀티셀 평면도

도5는 도5의 도시된 멀티셀의 반대편으로서 도4의 전류집전을 위한 배선도

도6는 도4와 도5의 전기적 연결을 보이는 앞뒷면 투시도

도7는 도4의 연료 저장소를 보이는 평면도

본 발명인 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지의 구현은 기존의 에칭 또는 리소그래피공정을 이용한 것이다. 이러한 공정은 패턴의 깊이나, 폭을 정확히 제어할 수 있을뿐더러 적은 시간에 원하는 마이크로 셀을 제작하는 특징을 갖는다.

이러한 마이크로 연료전지의 소재인 인쇄회로기판에 이용되는 식각 공정의 기본적인 도식은 아래와 같이 설명할 수 있다. (a) 마이크로 연료전지에 이용될 패턴을 마스크에 형성 (b) 동박이 입혀진 인쇄회로기판위에 감광제를 올림 (c) 마스크 를 올리고 인쇄회로기판에 UV 조사 (d) 식각공정 (e) 기계가공으로 유로 형성

전해질 막과 바이폴라 판사이의 저항을 감소시키기 위해서 동박이 입혀진 인쇄회로기판에 형성된 채널에 니켈을 도금 후, 다시 금을 도금하여 저항을 최소화한다.

상기와 같은 리소그래피공정에 의해 연료전지를 구성하여 이동용 및 휴대용 전원으로 응용하기 위한 연구가 주류를 이루고 있다.

상기와 같은 구조의 연료전지에서는 이온교환막으로서의 전해질층을 중심으로 그 양측에 양극과 음극이 위치하고, 이들 양극과 음극의 바깥쪽으로 전류집전체가 적층되어 음극으로서 액체연료인 메탄올이 공급되고, 다른한쪽인 양극은 산소가 공급되어 통과하는 과정에서 양극과 음극의 반응이 일어나서 전기가 얻어지게 되는 단위전지로 구성되어 있다.

그러나, 상기 종래의 바이폴라형 연료전지의 구조에서는 연료전지의 전류집전체가 전체적인 부피증가를 피할 수 없기 때문에 초소형의 휴대용 연료전지를 구성하는 데 문제점이 있다.

본 발명은 종래 바이폴라형 셀구조에서 지적되는 상기의 문제점을 해결하기 위해서는 셀의 역할을 하는 인쇄회로기판을 세로가 전류집전체 두 가지 역할을 하도록 함으로써 휴대용 및 이동용 초소형 연료전지를 구현할 수 있도록 하고, 연료 저장소를 셀 밑에 위치시켜 부가적으로 필요한 부대장비들을 단순화한 마이크로 연료전지를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

본 발명의 상기 목적은, 우선 동이 입혀진 인쇄회로기판을 리소그래피공정을 통하여 마이크로 연료전지의 패턴을 구현한 셀을 +극과 -극을 직렬로 연결하는 단위전지형태와 바이폴라 형태로 하여 여러 개의 단일 극을 배치시키고 그 반대편에 전류집전을 위한 배선을 한 구조에 의해서 달성된다.

상기 본 발명 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지의 목적과 기술적 구성 및 그에따른 작용 효과에 대한 자세한 사항은 본 발명의 구조를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

먼저 도1은 본 발명의 소재인 인쇄회로기판에 패턴이 형성된 단위전지이고, 도2는 도1의 바이폴라 형태의 단위전지를 패러렐하게 연결한 멀티셀이고, 도3은 도2의 뒷면 배선이 형성된 평면도이고, 도4는 도2와 도3의 전기적 연결을 보이는 앞뒷면 투시도이고, 도5는 멀티셀에 공급될 메탄올 저장소의 평면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료지는 우선 원하는 다양한 유로를 설계해 마스크를 제작하고 필요에 따라 동박의 두께를 조절함에 의해 유로의 깊이를 조절하게 된다. 동박이 입혀진 인쇄회로기판위에 감광제를 바르고, 마스크를 위에 덮어 자외선(UV)을 조사함으로써 인쇄회로기판에 새겨진 패턴을 에칭액을 통하여 동박을 벗겨내어 유로를 구현한다. 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지의 표면 저항을 낮추고, 동의 부식을 막기 위하여 니 켈 무전해도금을 한 후, 금도금을 한다. 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지는 마스크를 이용함에 따라 기존의 이용되고 있는 여러 가지 다른 패턴을 구현함이 가능하다. 마이크로 셀의 부피를 줄이기 위하여 200μm 두께의 테프론 쉬트를 이용하여 실링을 하여 최대한의 부피를 줄여 단위셀이 이루어지게 된다. 셀의 연료주입구를 형성하기 위해 인쇄회로기판의 옆면을 기계가공을 하여 인렛과 아웃렛을 형성한다. 연료 저장소를 전지 밑에 장착하여 기존의 부대장비들을 제거하여 부피를 최소화하였으며, 고온운전을 위하여 단위전지의 뒷면에 탄탈륨인 저항체를 부착하여 기존의 고온운전을 위한 가열로를 제거하여 부피를 최소화한 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지가 구성된다.

도1은 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지의 구조를 보인 것이다. 동박(1)이 입혀진 인쇄회로기판을 리소그래피공정을 통하여 동박을 벗겨낸 부분(3)이 유로가 된다. 옆면에 형성된 구멍(6)과 연료가 흐르게 될 도입부분(4)은 기계가공으로 500um로 폭으로 형성되고, 전류집전은 무전해 도금된 전선을 집전부분(2)에 연결한다.

도2는 인쇄회로기판을 기초로 마이크로 연료전지를 패러렐한 형태로 연결한 멀티셀 구조를 보인 것이다. 동박이 입혀진 인쇄회로기판(7)을 상기와 같은 리소그래피공정을 통하여 멀티셀을 형성하고, 기계가공으로 연료공급포트(21)를 형성하고, 배선을 위한 비아홀(31)을 형성한다.

도3은 도2의 멀티셀을 위한 전류집전 결선도로서, 도시된 바와 같이 각 셀과 전류집전을 위해 형성된 패턴(23~30)을 위치시키고, 전기적 연결을 위하여 비아홀 (31)을 형성하고, 도금공정을 통해 비아홀에 전도성을 입혀 전류집전을 위한 배선을 구성한다.

도4는 도2의 멀티셀(8~15)과 도3의 전류집전 결선도(23~30)를 비아홀(31)을 구성하여 전기적 연결을 보이는 도면이다.

도5는 도2의 멀티셀(8~15)에 주입될 연료 저장소의 구조를 보인 것이다. 기계가공으로 연료공급포트를 형성하고, 멀티셀에 균형을 위하여 받침대(34~36)를 형성하여 구성한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지는 가공시간이 적고, 손쉽게 제작할 수 있는 인쇄회로기판을 이용하여 전지의 단위셀을 구성하고, 단위셀을 8개 혹은 그 이상을 에노드 캐서드를 바이폴라 형태로 평행하게 배치하여 고출력을 꾀하는 한편 전류집전을 유로가 형성된 셀의 반대편에 배선을 위한 패턴을 형성하여 별도의 집전체를 필요로 하지 않고, 연료 저장소의 장착으로 부대장비를 최소화하였기 때문에 연료전지 자체의 부피를 최소화 할 수 있는 이점이 있다.

즉, 본 발명에 의하면 인쇄회로기판을 이용하여 원하는 자유로운 패턴을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 패러렐 형태의 전지를 구성하고 그 반대편에 배선을 통한 집전을 통해 이동용 및 휴대용 초소형의 연료전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 연료가 흐르는 패턴을 동박이 입혀진 인쇄회로기판을 리소그래피공정을 통하여 패턴을 구현하고 동박 표면을 니켈도금과 금도금을 통하여 이루어진 마이크로 연료전지, 외부에서 전지에 연료주입을 위한 기계가공으로의 유로형성, 상기 단위전지를 8개에서 100개를 페러렐한 형태로 연결한 멀티셀 스택, 상기 멀티셀 스택에서 셀 마다의 전류집전을 위한 동박이 입혀진 인쇄회로기판의 식각을 이용한 배선으로 이루어진 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지 스택, 연료를 별도의 부대장비 없이 멀티셀 스택으로 연료가 공급되는 연료저장소
2. 제1항에 있어서, 상기의 동박이 입혀진 인쇄회로기판(PCB)을 마이크로 연료전지의 소재로 하여 다양한 패턴을 리소그래피공정을 통하여 패턴을 형성한 인쇄회로 기판을 기초로 한 마이크로 연료전지스택.
3. 제1항에 있어서,상기의 연료공급을 위한 유로형성은 측면과 패턴이 형성된 유로가 공급되는 부분을 기계가공으로 연결되는 연료공급포트를 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 기판을 기초로 한 마이크로 연료전지 스택.
4. 제1항에 있어서, 단위전지를 페러렐한 형태로 필요한 용량만큼 연결하는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판을 기초로 한 병렬 또는 직렬형 마이크로 연료전지 스택
5. 제1항에 있어서, 페러렐한 형태의 연결된 셀들의 반대편을 동박이 입혀진 인쇄회로기판의 리소그래피공정을 통하여 전류집전을 위한 배선을 특징으로 하는 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지 스택
6. 계면저항 저하 및 내구성향상을 위한 내식성 금속의 도금 또는 필름의 형성을 통한 셀 계면의 구성
7. 연료 저장소를 셀에 연결하여 부대장비없이 직접 연료가 공급되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지 스택
8. 분석계를 사용한 PEMFC 및 직접메탄올 연료전지

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