KR20060109691A

KR20060109691A - 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20060109691A
Application number: KR1020050031951A
Authority: KR
Inventors: 김상진; 황원재; 길재형; 김성한; 이로운; 장재혁
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2006-10-23
Also published as: KR100691158B1

Abstract

MEMS 기술을 이용하여 수소 발생 개질기 와 일체형으로 결합 되는 초소형의 구조를 갖는 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법이 제공된다.

본 발명은 다수의 관통 공이 형성된 상, 하부 기판; 상기 상, 하부 기판에 각각 마주하도록 형성되는 다공성 상, 하부 전극; 상기 상, 하부 기판의 관통 공에 형성되는 촉매수단; 상기 상, 하부 전극 사이에 배치된 전해질 절연수단; 및 상기 상, 하부 기판 중의 어느 하나에 일체로 밀착되어 수소 연료를 제공하는 개질기 수단;을 포함하여 전류를 발생시키는 마이크로 연료전지와 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, MEMS 기술을 이용하여 제작되기 때문에 쉽게 제작할 수 있고, 대량 생산으로 제작가능 하며, 휴대폰이나 소형 전지가 들어가는 모든 곳에 범용적으로 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

MEMS 기술, 수소 발생 개질기, 마이크로 연료전지, 촉매수단, 마이크로 연료전지 제조 방법

Description

마이크로 연료전지 및 그 제조 방법{A MICRO FUEL CELL AND ITS PRODUCTION METHOD}

도1은 종래의 기술에 따른 연료 전지를 도시한 단면도.

도2는 종래의 기술에 따른 MEMS 기술을 응용한 연료 전지를 도시한 단면도.

도3은 종래의 기술에 따른 또 다른 연료 전지를 도시한 일부 절개 사시도.

도4는 본 발명에 따른 마이크로 연료전지를 도시한 외관 사시도.

도5는 본 발명에 따른 마이크로 연료전지를 도시한 단면도.

도6은 본 발명에 따른 마이크로 연료전지의 변형 구조들을 도시한 단면도로서,

a)도는 절개 공간 부의 단면이 점차 외측으로 확대되는 구조도,

b)도는 절개 공간 부의 단면이 일정하게 유지되는 구조도,

c)도는 절개 공간 부가 상부 측에만 형성되는 구조도.

도7의 a) 내지 j)는 본 발명에 따른 마이크로 연료전지의 제조방법을 단계적으로 도시한 설명도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1.... 본 발명에 따른 마이크로 연료전지

10a,10b... 관통 공 12a,12b.... 상, 하부 기판

15a,15b... 다공 부 17a,17b.... 절개 공간 부

20a,20b.... 상, 하부 전극 22a,22b.... 촉매수단

30.... 절연수단 40.... 개질기 수단

42.... 내부 유로 45.... 연료 가스 유입구

100.... 종래의 단위 전지 110.... 전해질 층(Electrolyte layer)

112a... 양극 112b.... 음극

114a,114b.. Si 기판 116a... 수소 공급 구멍

116b... 공기 공급 구멍 150.... 연료 전지

152.... 전해질 층 156a,156b... 마이크로 플로우 채널

158a.... 수소 가스 유입구 158b... 산소 유입구

200.... 연료 전지 210a,210b.... 외부케이스

214.... 공기 극 216.... 연료 극

218a,218b... 전류 집전체 220.... 단위전지

본 발명은 휴대용 기기에 적용 가능한 초소형 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 MEMS 기술을 이용하여 수소 발생 개질기 와 일체형으로 결합 되는 초소형의 구조를 갖춤으로써 메탄올 또는 디메틸 에테르(dimethyl-ether : DME) 등의 다양한 연료의 사용이 가능하고, 쉽게 대량 생산으로 제작가능하며, 안전한 작동을 이룰 수 있는 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 고분자연료전지, 직접메탄올연료전지, 용융탄산염연료전지, 고체산화물연료전지, 인산형 연료전지, 알카리 연료전지 등 여러 종류가 있으며, 이 중에서 휴대용 소형 연료전지로서 가장 많이 사용되는 것으로는 직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)와 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)등이 있다. 상기 DMFC와 PEMFC등은 동일한 구성요소와 재료를 사용하지만, 연료로서 각각 메탄올과 수소를 사용하는 것이 다르며, 이에 따라 연료전지의 성능이나 연료공급 시스템이 서로 다르고, 또한 서로 비교되는 장단점이 있다.

최근 들어 DMFC 관련 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이는 출력 밀도면에서 PEMFC보다 낮지만 연료 공급체계가 간단하여 전체구조의 소형화가 가능하고, 그에 따라서 휴대용 기기 전원으로서 그 활용가치가 높아지고 있기 때문이다.

한편, 수소를 연료로 사용하는 기체 형 연료전지는 에너지 밀도가 크다는 장점을 지니고 있으나, 그러나 수소가스의 취급에 상당한 주의를 요하고 연료가스인 수소가스를 생산하기 위하여 메탄이나 알콜등을 처리하기 위한 연료개질 장치등의 부대설비를 필요로 하고, 그 부피가 커진다고 하는 문제점이 지적되고 있다.

이에 반해서 액체를 연료로 사용하는 액체 형 연료전지는 기체 형에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 상대적으로 용이하고, 운전 온도가 낮으며 특히 연료개질 장치를 필요로 하지 않는다는 특성에 기인하여 소형, 범용 이동용 전원으로 적합한 시스템으로 알려지고 있다.

따라서, 액체 형 연료전지가 지니고 있는 이와 같은 장점에 기인하여 액체 형 연료전지의 대표적인 형태인 직접 메탄올 연료전지(DMFC)에 대한 많은 연구가 수행되어 실용화 가능성을 높이고 있다.

상기 직접 메탄올 연료전지는 메탄올의 산화반응이 일어나는 연료 극 반응과 산소의 환원반응이 일어나는 공기 극 반응으로부터 얻어지는 기전력의 힘이 발전의 근간을 이루며, 이때 연료극과 공기극에서 일어나는 반응은 다음과 같다.

연료 극 : CH₃OH + H₂O → CO₂ + H⁺ + 6e^- Ea=0.04V

공기 극 : 3/2O₂ + 6H⁺ + 6e → 3H₂O E_c=1.23V

전체반응 : CH₃OH + 3/2O₂ → CO₂ + 3H₂O E_cell=1.19V

상기와 같은 반응식에 근거를 두고 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지를 구성하여 이동용 및 휴대용 전원으로 응용하기 위한 연구가 주류를 이루고 있다. 도 1은 종래의 단위 전지(100)를 도시한 것으로서, 이는 일반적인 고체 고분자 전해질 막의 전해질 층(Electrolyte layer)(110)을 중심으로 그 양 외측에 양극(112a)과 음극(112b)이 위치하고, 이들 양극(112a)과 음극(112b)의 바깥쪽으로 Si 기판(114a)(114b)을 통해 가스 유로를 형성하여 단위 전지(unit cell)를 구성하고 있다.

그리고, 상기 각각의 Si 기판(114a)(114b) 들에는 수소 공급 구멍(116a)과 공기 공급 구멍(116b)들이 형성되어 상기 양극(112a)과 음극(112b)에 수소와 산소 를 제공하도록 구성되어 있다.

그렇지만, 상기와 같은 종래의 마이크로 연료전지(100)는 외부로부터 공기를 공급하기 위한 송풍기 및 액체 알콜등의 연료를 공급하기 위한 펌프등의 부대장비를 필요로 하기 때문에 연료전지의 전체적인 부피가 커지게 된다. 또한, 수소가스를 직접 쓰기 때문에 안전성에 대해서도 불완전한 문제점이 있다.

이와는 다른 종래 기술로는 도 2에 도시된 바와 같은 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 기술을 이용한 연료 전지(150)가 있다.

이는 미국 특허 제6638654호에 기재된 것으로서, 기판(151a)(151b)의 내부에는 전해질 층(152), 전극(154a)(154b) 그리고 마이크로 플로우 채널(Micro Flow Channel)(156a)(156b)들을 집적화시켜 높은 출력 밀도를 갖도록 한 것이다.

이러한 종래 기술의 연료 전지(150)는 두 개의 전극(154a)(154b) 사이에 폴리머(Polymer) 전해질(152)이 있고, 기판(151a)(151b) 재료는 Si, 플라스틱, 유리 등이 사용되며, 상, 하부 기판(151a)(151b) 에는 각각 수소 가스 유입구(158a)와 산소 유입구(158b)가 형성되어 있다.

그렇지만, 이와 같은 종래의 기술은 각각의 전극(154a)(154b)이 위치하는 부분에 수소가스 채널(156a)과 산소가스 채널(156b)을 형성하는 구조이다. 또한, 이와 같은 종래의 기술은 상, 하부 기판(151a)(151b)과 두 개의 전극(154a)(154b)들은 각각 수소가스 채널(156a)과 산소가스 채널(156b)에 의해서 분리되어 있다.

따라서, 이와 같은 종래의 연료 전지(150)는 MEMS 기술을 이용하여 소형화를 이루기는 하지만, 그 제작 공정은 복잡하고 어려워서 현실적으로 구현되기 어려운 문제점이 있는 것이다.

그리고, 연료전지의 소형화를 이루고자 하는 또 다른 종래 기술의 연료 전지(200)가 도 3에 도시되어 있다.

이는 대한민국 특허 제0291539호에 기재된 것으로서, 액체연료를 사용하는 직접메탄올 연료전지의 스택을 단극 형으로 구성하여 연료전지의 소형화를 도모한 단극형 마이크로 연료전지(200)의 구조이다. 이러한 종래의 단극 형 마이크로 연료전지(200)는 탄소 폼(Carbon Foams) 등의 다공성 물질로 이루어지고, 상부 면에는 다수개의 관통 공들이 구비된 외부케이스(210a)(210b)를 갖는다.

그리고, 고체고분자 전해질 분리막(212)을 중심으로 그 외측에 공기 극(214)과 연료 극(216)이 적층 되고, 다시 그 외측으로 전류 집전체(218a)(218b)가 적층 된 단위전지(220)의 다수 개가 상기 외부케이스(210a)(210b)의 내부 동일평면상에 배열된 단위전지 집합체를 이루는 것이다.

또한, 상기 외부 케이스(210a)(210b) 내에는 상기 단위전지 집합체의 연료 극 전류 집전체(218b) 측에 각 단위전지로 연료를 공급하는 연료저장실(미도시) 및 각 단위전지(220) 사이를 전기적으로 분리시키는 비 전도성 분리판(미도시) 등을 구비하며, 상기 단위전지 집합체는 서로 대칭적으로 마주보는 전극에 인접하는 극들을 직렬로 연결하여 전체 단위전지(220)들이 직렬로 연결되는 구조로 되어 있다.

그렇지만, 상기와 같은 종래 기술은 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 전지 적층 구조가 하나의 전해질(212) 및 분리판 위에 여러 개의 단일 전극들을 배치하는 구성으로 이루어짐에 따라 연료전지(200)의 콤팩트 화를 이룰 수는 있다. 그렇지만, 이러한 종래 기술은 외부 케이스(210a)(210b)가 다공성 탄소 폼이나 발포성 플라스틱 재질로 이루어짐으로써 소형화를 이루기가 어렵고, 대량 생산에는 더욱 부적합한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, MEMS 기술을 이용하여 제작되고, 수소 발생 개질기 와 일체형으로 결합 되어 메탄올 또는 디메틸 에테르(dimethyl ether : DME) 등의 다양한 연료를 사용할 수 있고, 쉽게 대량 생산으로 제작 가능한 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법을 제공함에 제 1의 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 초소형의 적층 구조를 갖춤으로써 휴대폰이나 소형 전지가 들어가는 곳에 적합하게 사용 가능한 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법을 제공함에 제 2의 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

다수의 관통 공이 형성된 상, 하부 기판;

상기 상, 하부 기판에 각각 마주하도록 형성되는 다공성 상, 하부 전극;

상기 상, 하부 기판의 관통 공에 형성되는 촉매수단; 및

상기 상, 하부 전극 사이에 배치된 전해질 절연수단;을 포함하여 전류를 발생시키는 마이크로 연료전지를 제공한다.

또한, 본 발명은 바람직하게, 상기 상, 하부 기판 중의 어느 하나에 일체로 밀착되어 수소 연료를 제공하는 개질기 수단을 추가 포함하는 것임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지를 제공한다.

그리고, 본 발명은,

MEMS 공정을 통하여 다수의 관통 공이 형성된 상, 하부 기판을 제조하는 단계;

상기 상, 하부 기판상에 각각 마주하도록 상, 하부 전극을 형성하는 단계;

상기 상, 하부 기판의 관통 공에 촉매수단을 형성하는 단계;

상기 상, 하부 기판 중의 어느 하나의 전극 상에 전해질 절연수단을 형성하는 단계; 및

상기 절연수단을 매개로 상기 상, 하부 기판을 고온 접합하는 단계;를 포함하는 마이크로 연료전지의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 바람직하게, 상기 상, 하부 기판 중의 어느 하나에 수소 연료를 공급하는 개질기 수단을 접합하여 일체화하는 단계;를 추가 포함함을 특징으로 하는 마이크로 연료전지의 제조 방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 마이크로 연료전지(1)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 다수의 관통 공(10a)(10b)이 형성된 상, 하부 기판(12a)(12b)을 구비한다.

상기 상, 하부 기판(12a)(12b)은 각각 Si 재료로 이루어지는 것으로서, 다수의 관통 공(10a)(10b)들이 관통하여 형성되는 다공 부(15a)(15b)와 상기 다공 부 (15a)(15b)에 연이어서 형성되는 선택적인 절개 공간 부(17a)(17b) 및, 상기 다공 부(15a)(15b)에 형성되는 평면의 전극 부착 면을 형성한다.

상기 절개 공간 부(17a)(17b)는 상기 다공 부(15a)(15b)에 연이어 형성되어 상기 다공 부(15a)(15b)로 공기(산소) 또는 수소 가스 연료를 제공하기 위한 것으로, 반드시 상, 하부 기판(12a)(12b)상에 형성되어야 하는 것은 아니지만, 절개 공간 부(17a)(17b)로 인하여 공기(산소) 또는 수소 가스 연료가 고르게 상기 관통 공(10a)(10b)으로 제공된다.

그리고, 상기 절개 공간 부(17a)(17b)의 형태는 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 점차 외측으로 향하여 그 단면이 커지는 절개 공간을 형성하는 구조이거나, 도 6b)에 도시된 바와 같이, 동일한 크기의 단면으로 절개 공간이 형성되는 구조일 수 있다.

그리고, 상기 상, 하부 기판(12a)(12b)의 전극 부착 면에는 각각 상, 하부 전극(20a)(20b)들이 형성된다.

상기 상, 하부 전극(20a)(20b)들은 전기 전도성이 우수한 재료들로 이루어지며, 예를 들면 백금 또는 금 등을 스퍼터링 하여 형성시킨다.

또한, 상기 상, 하부 기판(12a)(12b)의 관통 공(10a)(10b)에는 촉매수단(22a)(22b)이 형성된다. 상기 촉매수단(22a)(22b)은 기판의 관통 공(10a)(10b)에 부착되는 백금 또는 백금/파라듐(Pt/Pd) 촉매로 이루어진다. 이와 같은 경우, 상기 촉매수단(22a)(22b)은 상, 하부 기판(12a)(12b)의 관통 공(10a)(10b)에 부착되어 수소의 이온화를 촉진함으로써 수소와 닿은 면적이 넓을수록 그 출력 밀도가 높게 된다.

그리고, 상부 기판의 관통 공(10a)(10b)에서는 공기와 닿는 면적이 넓을수록 수소와 산소의 환원반응이 좋기 때문에 관통 공(10a)(10b) 내에 촉매를 적절하게 고르게 도포하는 것이다.

또한, 상기 상, 하부 전극(20a)(20b) 사이에는 절연수단(30)이 형성된다. 상기 절연수단(30)은 고체 고분자 전해질 막으로 이루어지는 것으로, 예를 들면 나피온 막(Nafion Membrane)등으로 이루어지고, 상기 상, 하부 전극(20a)(20b) 중의 어느 하나에 스프레이 등으로 형성하고, 이들 상, 하부 기판(12a)(12b)들을 고온 프레싱(Hot Pressing) 으로 서로 일체로 부착된다.

이와 같이, 상, 하부 기판(12a)(12b)들이 서로 부착되면 상기 상부 기판(12a)과 하부 기판(12b)들은 서로 그 구조가 약간 변형된 형태, 즉 상, 하부 전극(20a)(20b)들이 서로 다르게 돌출하는 형태로 일체화된다. 이를 위하여 상기 상, 하부 기판(12a)(12b)들은 그 크기와 형태들이 서로 다르게 형성될 수 있다.

즉, 도 5 및 도 6에서 단면으로 도시된 바와 같이, 상부 기판(12a)은 상부 전극(20a)의 증착 후에 일부분을 제거하여 상부 전극(20)을 외부로 노출시키고, 하부 기판(12b)과 하부 전극(20b)은 상부 기판(12a)과 상부 전극(20a)에 비하여 크게 형성하여 하부 전극(20b)의 일부분을 외부로 노출시키도록 구성되는 것이다.

이는 도 6a),b)에 도시된 바와 같이, 하부 기판(12b)과 하부 전극(20b)을 상부 기판(12a)과 상부 전극(20a)에 비하여 크게 형성하여 상,하부 전극(20a)(20b)의 일측을 동일 방향에서 각각 다른 크기로 외부로 노출시키도록 구성될 수 있는 것이 다. 이와 같이 하여 이러한 노출 부분들을 외부 도선(미도시)이 연결되는 단자로 사용하는 것이다.

그리고, 도 5 및 6c)에 도시된 바와 같이, 하부 기판(12b)과 하부 전극(20b)을 상부 기판(12a)과 상부 전극(20a)에 비하여 크게 형성하여 상,하부 전극(20a)(20b)의 일측을 서로 다른 방향에서 각각 다른 크기로 외부로 노출시키도록 구성될 수 있는 것이다. 이와 같이 하여 이러한 노출 부분들을 외부 도선(미도시)이 연결되는 단자로 사용하는 것이다.

또한, 본 발명의 마이크로 연료전지(1)는 상기 상, 하부 기판(12a)(12b) 중의 어느 하나에 일체로 밀착되어 수소 연료를 제공하는 개질기 수단(40)을 포함한다.

상기 개질기 수단(40)은 그 연료로서 상온에서 액체인 메탄올 계 및 기체인 DME를 사용한다. 이때, 상기 액체 연료가 개질기 수단(40)의 안에 들어가면 내부 유로(42)에 구비된 발열체(미도시)로 인해 액체 연료는 수소로 바뀌고, 바뀐 수소는 바로 하부 기판(12b)의 관통 공(10b)으로 공급되어 이온화되고, 수소 이온은 산소와 반응하여 전류를 단시간 내에 출력시키고, 높은 출력의 전류 밀도를 얻을 수 있는 것이다.

뿐만 아니라, 이와 같이 소형 개질기 수단(40)을 구비한 본 발명의 마이크로 연료전지(1)는 종래의 DMFC Passive type 형태의 연료전지보다 그 출력 밀도가 높고, 전체 발전 가동(start-up) 시간이 짧아지게 된다. 이와 같이 본 발명은 소형의 구조를 갖추면서 이동성이 좋은 휴대기기의 전원으로 사용이 가능하며, 연료전지 시스템의 소형화를 도모할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 마이크로 연료전지(1)는 그 제조 방법이 아래와 같다.

먼저, 다수의 관통 공(10a)(10b)이 형성된 상, 하부 기판(12a)(12b)을 제조하는 단계가 이루어진다. 이는 도 7에 도시된 바와 같이, Si 재료로 이루어진 상, 하부 기판(12a)(12b)상에 MEMS 공정을 통하여 다수의 관통 공(10a)(10b)을 형성한다.

즉, 도 7a)에 도시된 바와 같이, Si 재료의 양면 가공된(polished) 상, 하부 기판상에 평판형의 전극 부착 면을 형성하고, 그 전극 부착 면에 포토 레지스터(Photo Register)(62)를 코팅한다. 그리고, 도 7b)에 도시된 바와 같이, 마스크 #1을 사용하여 포토리소그래프 처리(Photolithography)(64)를 하고, 도 7c)에 도시된 바와 같이, 관통 공(10a)(10b)의 형성을 위해 ICP-RIE를 이용한 식각 처리(66)를 한다.

그리고, 상기 상, 하부 기판(12a)(12b)의 배면에 절개 공간 부(17a)(17b)를 형성하기 위하여, 도 7d)에 도시된 바와 같이, 재차 포토 레지스터(Photo Register)(68)를 코팅하고, 포토리소그래프 처리(Photolithography)를 한 다음, KOH 또는 TMAH((Tetramethyl ammonium hydroxide) 등의 용액을 이용하여 습식 식각 처리를 하고, 도 7e)에 도시된 바와 같이, 절개 공간 부(17a)(17b)를 형성한다.

그 다음, 본 발명은 도 7f)에 도시된 바와 같이, 상기 상, 하부 기판(12a)(12b)상에 각각 마주하도록 상, 하부 전극(20a)(20b)을 형성하는 단계가 이루 어진다.

즉, 상기 각각의 전극 부착 면상에 전기 전도성이 우수한 백금 또는 금 등을 스퍼터링 하여 상, 하부 전극(20a)(20b)을 형성시킨다.

그리고, 도 7g)에 도시된 바와 같이, 상기 상, 하부 기판(12a)(12b)의 관통 공(10a)(10b)에 촉매수단(22a)(22b)을 형성하는 단계가 이루어진다.

상기 촉매수단(22a)(22b)은 백금 또는 백금/파라듐(Pt/Pd) 으로 이루어지는 것으로서, 상기 상, 하부 기판(12a)(12b)의 관통 공(10a)(10b)에 부착되어 수소 이온의 이온화를 촉진한다. 이와 같은 촉매수단(22a)(22b)의 형성단계에서는 상, 하부 기판(12a)(12b)상에 서브 마스크를 사용하여 촉매수단(22a)(22b)의 형성 영역을 한정하고, 스퍼터링 처리하여 형성한다.

그리고, 다음으로는 도 7h)에 도시된 바와 같이, 상기 상, 하부 기판(12a)(12b) 중의 어느 하나의 전극 상에 절연수단(30)을 형성하는 단계가 이루어진다.

상기 절연수단(30)은 고체 고분자 전해질 재료의 나피온 막(Nafion Membrane)등으로 이루어지고, 상기 상, 하부 전극(20a)(20b)들 모두 또는 어느 하나에 스프레이 등으로 부착 형성한다. 그리고, 다음으로는 도 7i)에 도시된 바와 같이, 상기 절연수단(30)을 매개로 상기 상, 하부 기판(12a)(12b)을 고온 접합(hot pressing)하는 단계가 이루어진다.

그리고, 마지막으로는 도 7j)에 도시된 바와 같이, 상기 상, 하부 기판(12a)(12b) 중의 어느 하나에 수소 연료를 공급하는 개질기 수단(40)을 접합하여 일체화하는 단계가 이루어진다.

상기 개질기 수단(40)은 내부에 마이크로 채널의 유로(42)를 형성한 Si 기판으로 이루어진 것으로서, 일측에는 연료 가스 유입구(45)가 형성되고, 수소가 나오는 배출구(47) 부분을 상, 하부 기판(12a)(12b) 중의 어느 하나의 관통 공(10a)(10b) 측으로 향하도록 배치한 후, 상기 기판과 개질기 수단(40)을 웨이퍼 본딩(Wafer Bonding) 이나 중간 매개체, 즉 파이렉스(Pyrex), 유리 기판을 넣어 서로 결합시킨다. 이때, 상기 기판과 개질기 수단(40)의 접합 면은 표면처리 후 결합 된다.

이와 같이 개질기 수단(40)을 연결하면, 상기 개질기 수단(40)에 연결된 기판의 전극은 연료 극을 형성하고, 다른 하나의 기판의 전극은 공기와 접촉하는 공기 극을 형성한다.

이와 같이 제조됨으로써 연료 극의 수소 이온은 촉매수단(22a)(22b) 상에서 수소 이온(H⁺)과 전자(e^_)로 분해되고, 그 중 수소 이온만이 선택적으로 고분자 전해질 막(30)을 통과하여, 환원 전극인 공기 극 측으로 전달되고, 동시에 전자(e^_)는 외부 도선(미도시)을 통해서 공기 극으로 이동하며, 이때에 일어난 전자(e^_)의 흐름으로 인해 전류가 생성되는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 전류 밀도가 큰 고출력의 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서 작동되고, 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지게 되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 의하면, MEMS 기술을 이용하여 제작되기 때문에 쉽게 제작할 수 있고, 대량 생산으로 제작 가능한 효과가 얻어진다.

그리고, 개질기 수단에 일체형으로 연결하여 메탄올 또는 DME 등의 연료를 사용함으로써 전류 밀도가 큰 고출력을 얻을 수 있고, 빠른 응답 특성을 가질 수 있는 것이다. 뿐만 아니라, 상온에서 안정적으로 유지되는 메탄올 또는 DME 등의 연료를 사용함으로써 안전한 작동을 이룰 수 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 개선 효과로 인해 휴대폰이나 소형 전지가 들어가는 모든 곳에 범용적으로 사용할 수 있는 효과가 얻어진다.

상기에서 본 발명은 특정한 실시 예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그렇지만 이러한 수정 및 변형 구조들은 모두 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것 임을 분명하게 밝혀두고자 한다.

Claims

다수의 관통 공이 형성된 상, 하부 기판;

상기 상, 하부 기판에 각각 마주하도록 형성되는 다공성 상, 하부 전극;

상기 상, 하부 기판의 관통 공에 형성되는 촉매수단; 및

상기 상, 하부 전극 사이에 배치된 전해질 절연수단; 을 포함하여 전류를 발생시키는 마이크로 연료전지.
제1항에 있어서,

상기 상, 하부 기판은 각각 다수의 관통 공들이 형성되는 다공 부와, 상기 다공 부에 연이어서 형성되는 절개 공간 부를 포함하여 공기(산소) 또는 수소 가스 연료가 고르게 상기 관통 공으로 제공되는 것임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
제1항에 있어서,

상기 상, 하부 전극들은 그 크기와 형태들이 서로 다르게 형성되어 상기 상, 하부 기판들의 외측에서 단자를 형성하는 것임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 상, 하부 기판 중의 어느 하나에 일체로 밀착되어 수소 연료를 제공하는 개질기 수단을 추가 포함하는 것임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
제4항에 있어서,

상기 개질기 수단은 그 연료로서 액체인 메탄올 계 및 기체인 디메틸 에테르(DME)를 사용하고, 내부 발열체를 통하여 수소를 생산하는 것임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
MEMS 공정을 통하여 다수의 관통 공이 형성된 상, 하부 기판을 제조하는 단계;

상기 상, 하부 기판상에 각각 마주하도록 상, 하부 전극을 형성하는 단계;

상기 상, 하부 기판의 관통 공에 촉매수단을 형성하는 단계;

상기 상, 하부 기판 중의 어느 하나의 전극 상에 전해질 절연수단을 형성하는 단계; 및

상기 절연수단을 매개로 상기 상, 하부 기판을 고온 접합하는 단계;를 포함하는 마이크로 연료전지의 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 다수의 관통 공을 형성하여 상, 하부 기판을 제조하는 단계는,

상기 상, 하부 기판상에 포토리소그래프 처리(Photolithography)를 하고, ICP-RIE를 이용한 식각 처리로써 관통 공을 형성하며, 상기 상, 하부 기판의 배면을 습식 식각 처리하여 절개 공간 부를 형성한 것임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지의 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 촉매수단의 형성단계는 상, 하부 기판상에 서브 마스크를 사용하여 촉매수단의 증착 영역을 한정하고, 스퍼터링 처리하여 형성된 것임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지의 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 기판과 개질기 수단을 접합시키는 단계는 웨이퍼 본딩(Wafer Bonding) 이나, 중간 매개체를 넣어 결합시키는 것임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 중간 매개체는 파이렉스(Pyrex) 또는 유리 기판임을 특징으로 하는 마이크로 연료전지의 제조 방법.
제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 상, 하부 기판 중의 어느 하나에 수소 연료를 공급하는 개질기 수단을 접합하여 일체화하는 단계;를 추가 포함함을 특징으로 하는 마이크로 연료전지의 제조 방법.