KR20080077605A - 집적 내장형 센서 어셈블리 - Google Patents

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더글라스 안소니 모리스
데이브 켈리
폴 에이. 콜
데이비드 하이네
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Abstract

내장형 센서 어셈블리는 하이브리드 전력 모듈, 트랜스시버 및 하나 이상의 센서들 또는 검출기들을 포함한다. 센서 어셈블리의 하이브리드 전력 모듈은 연료 전지 및 연료 전지에 의해 충전될 수 있는 전기 저장 장치를 포함한다.
내장형 센서 어셈블리, 연료 전지, 하이브리드, 멤브레인, 저장 장치

Description

집적 내장형 센서 어셈블리{INTEGRATED SELF CONTAINED SENSOR ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 연료 전지 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다공성 양자 교환 멤브레인을 갖는 메탄올 연료 전지에 관한 것이다.
도면은 본 발명의 대표적인 실시예들만을 도시하므로 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 이해해야하며, 본 발명은 이하 열거된 첨부 도면들을 이용하여 특히 상세히 설명한다.
도 1은 대표적인 연료 전지 멤브레인(25)의 단면도이다.
도 2는 다른 대표적인 연료 전지 멤브레인의 단면도이다.
도 3a 내지 3d는 마이크로 연료 전지의 4개의 실시예들을 도시한다.
도 4a 내지 4h는 도 3a에 도시된 마이크로 연료 전지를 제조하는 대표적인 방법을 나타내는 단면도이다.
도 5는 스퍼터링된 백금/루테늄(Pt/Ru)의 XPS 스캔을 도시한다.
도 6은 스퍼터링된 백금 막에 대해 측정 및 계산된 저항의 플롯을 도시한다.
도 7은 임피던스 분광법을 통해 측정된 SiO2 막의 이온 도전율의 플롯을 도시한다.
도 8은 가온 수소(humidified hydrogen)를 갖는 마이크로채널들의 반전지(half-cell) 성능의 플롯을 도시한다.
도 9는 메탄올 워터 및 산 메탄올 워터 용액을 갖는 마이크로채널들의 반전지 성능의 플롯을 도시한다.
도 10은 스퍼터링된 애노드 및 캐소드를 갖는 마이크로 연료 전지의 성능을 도시한다.
도 11은 다른 온도에서 샘플 B의 마이크로 연료 전지 성능의 플롯을 도시한다.
도 12는 다른 량의 스퍼터링된 애노드 촉매를 갖는 샘플 B, C 및 D의 대기 온도 연료 전지 셀 성능의 플롯을 도시한다.
도 13은 약 10분간의 일정 전위에서 유지된 임베디드 촉매 샘플의 전류 밀도의 플롯을 도시한다.
도 14는 실온에서 가온 수소를 갖는 샘플 D에서 정상 상태(10분에서)와 선형 볼타메트리(voltammetry) 분극 데이터 사이의 비교 플롯을 도시한다.
도 15는 1mL/hr에서 1.0 M 산성 메탄올을 갖는 마이크로채널 연료 전지 성능의 플롯을 도시한다.
도 16은 가스 비율의 함수로서 P-SiO2 막의 도전율의 플롯을 도시한다.
도 17은 성막 온도의 함수로서 P-SiO2 막의 도전율의 플롯을 도시한다.
도 18은 다공성 도핑 SiO2 및 비 도핑된 SiO2 샘플들에 대한 실온에서의 편 광 및 전력 곡선의 플롯을 도시한다.
도 19는 집적 내장형 센서 어셈블리의 블록도이다.
도 20은 하이브리드 전력 모듈의 단면도이다.
이 명세서의 도면들에 일반적으로 기술되고 도시된 실시예들의 부품들이 다양한 다른 구성으로 배치되고 설계될 수 있음을 용이하게 이해할 것이다. 따라서, 도면에 나타낸 여러 실시예들의 이하의 상세한 설명은 청구된 본 발명의 범위를 제한하는 게 아니라 단순히 여러 실시예들을 나타낸다. 실시예들의 여러 특징들이 도면에 도시되는 한편, 도면들은 특히 나타내지 않는 한 불필요하게 스케일로 되지 않는다.
본 기술분야의 당업자라면, 본 발명의 원리가 무기 또는 유기 연료 전지, 다이렉트 메탄올 연료 전지(DMFC: direct methanol fuel cell), 리폼드 메탄올(reformed methanol) 연료 전지, 다이렉트 에탄올 연료 전지, 양자 교환 막(PEM: proton exchange membrane) 연료 전지, 미생물 연료 전지, 가역적 연료 전지, 포름산 연료 전지 등을 포함하는 다양한 연료 전지 시스템에 적용될 수 있고, 이들과 더불어 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명은 다양한 응용에 사용될 수 있으며, 여러 가지 크기 및 형상의 연료 전지에 사용될 수 있다. 제한이 아닌 예로서 만의 목적을 위해 본 발명은 전자 배터리 대체, 미니 및 마이크로전자부품, 카 엔진, 발전소에 그리고 다른 장치 및 응용에서의 에너지원으로서 사용될 수 있다. 이제, 첨부 도면을 참조하여 특정 실시예들을 더욱 상세히 기술한다.
일반적으로, 연료 전지 멤브레인, 마이크로 연료 전지, 및 그 제조 방법을 기술한다. 또한, 여기에 기술된 연료 전지 멤브레인, 연료 전지 셀, 그 제조 방법을 포함할 수 있는 여러 장치, 유닛 및 어셈블리를 기술한다. 연료 전지 멤브레인의 실시예들은 실리콘 이산화물, 및/또는 도핑된 실리콘 이산화물, 및 비교적 얇게 만들어질 수 있고, 두꺼운 폴리머 멤브레인과 비교할만한 면적 저항률을 갖는다. 멤브레인을 얇게 하면 할수록 더욱더 양자가 멤브레인을 쉽게 통과할 수 있으므로, 생성될 수 있는 전기의 양을 증가시킬 수 있다. 한편, 멤브레인을 형성하는 데 사용된 물질들은 특히 다이렉트 메탄올형 연로 전지에서 공통적인 문제인 리액턴트가 멤브레인을 통과하는 것을 방지하는 데 있어서 현재 사용된 양자 교환 막(PEMs)보다 우수하다. 또한, 멤브레인들은 공지의 마이크로 전자 제조 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 이와 관련하여 멤브레인은 연료 전지가 사용되는 마이크로 전자 구조상에 제조될 수 있다.
한 실시예에서, 연료 전지 멤브레인 및 마이크로 연료 전지는 전자 장치상에 직접적으로 집적될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 멤브레인 및 마이크로 연료 전지는 칩 상에 연료 전지 멤브레인 또는 마이크로 연료 전지를 배치하고, 기판 또는 인쇄 회로 기판상에 연료 전지 멤브레인 또는 연료 전지를 집적하고, 칩에 접합된 개별 부품으로서 칩에 연료 전지 멤브레인 또는 마이크로 연료 전지를 개재 또는 부착함으로써 칩 스케일 연료 전지를 생성하도록 집적될 수 있다. 일반적으로, 연료 전지 멤브레인 및 마이크로 연료 전지는 한정은 아니지만 마이크로전자부품(예를 들어, 마이크로프로세서 칩, 통신 칩, 및 광전자 칩), 마이크로 전자기계 시스 템(MEMS), 미세유체공학부품, 센서 및 분석 장치(예를 들어, 마이크로크로마토그래피), 통신/위치결정 장치(예를 들어, 비콘(beacons) 및 GPS 시스템), 기록 장치 등의 기술 영역에 사용될 수 있다.
도 1은 대표적인 연료 전지 멤브레인(10a)의 단면도이다. 연료 전지 멤브레인(10a)은 멤브레인(12)(또는 멤브레인층) 및 멤브레인(12)의 각 면에 배치된 20 촉매층(14a 및 14b)을 포함한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연료(예를 들어, H2, 메탄올, 포름산, 에틸렌 글리콜, 에탄올, 및 이들의 조합)는 연료 셀 멤브레인(10a)(예를 들어, 멤브레인(도시 않음)의 애노드 쪽에)의 한쪽과 접촉하는 한편, 에어는 연료 셀 멤브레인(10a)(예를 들어, 멤브레인(도시 않음)의 캐소드 쪽에)의 반대쪽에서 접촉한다. 예를 들어, 다른 반응식은 메탄올을 이용할 때 연료 전지 멤브레인의 애노드 및 캐소드 쪽에서 발생한다.
Figure 112008033567499-PCT00001
멤브레인은 한정은 아니지만 유기 도전 물질 및 무기 도전 물질 등의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 멤브레인은 한정은 아니지만, 실리콘 이산화물, 도핑된 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 도핑된 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 도핑된 실리콘 산질화물, 금속 산화물(예를 들어, 티타늄 산화물, 텅스텐 산화물), 금속 질화물(예를 들어, 티타늄 질화물), 도핑된 금속 산화물, 금속 산질화물(예를 들어, 티타늄 산질화물), 도핑된 산질화물 및 이들의 조합 등의 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 멤브레인은 멤브레인 내에서 약 0.1 내지 20%의 도펀트로 그리 고 멤브레인 내에서 약 1.5 내지 5%의 도펀트로 도핑될 수 있다. 도핑된 실리콘 이산화물은 한정은 아니지만, 인 도핑된 실리콘 이산화물, 붕소 도핑된 실리콘 이산화물, 알루미늄 도핑된 실리콘 이산화물, 비소 도핑된 실리콘 이산화물, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 도핑은 M-OH(M은 금속) 등의 원자 스케일결함의 원인이 되고, 격자를 변형시켜서 양자가 격자를 통해 이송될 수 있다. 도핑 량은 멤브레인 내의 도펀트 중량의 0.1 내지 20%, 멤브레인 내의 도펀트 중량의 0.5 내지 10%, 멤브레인 내의 도펀트 중량의 10과 2 내지 5% 일수 있다.
멤브레인(12)은 약 10마이크로미터(gm), 약 0.01 내지 10gm, 약 0.1 내지 5gm, 약 0.1 내지 2gm, 약 0.5 내지 1.5gm 및 약 1gm 이하의 두께를 갖는다. 멤브레인(12)의 길이는 약 0.001 내지 100m일수 있고, 폭은 1gm 내지 1000㎛일 수 있다. 폭 및 길이는 응용에 따라 다르며, 따라서 조정될 수 있다. 멤브레인(12)은 약 0.1 내지 1000 옴 ㎠, 약 0.1 내지 100 옴 ㎠, 약 0.1 내지 10 옴 ㎠, 약 1 내지 100 옴 ㎠ 및 약 1 내지 10 옴 ㎠의 면적 저항률을 갖는다. 이 면적 저항률은 연료(예를 들어, 저항률×면적 또는 저항률×두께)에 노출된 멤브레인의 면적에 걸리는 저항률로서 정의된다. 멤브레인(12)은 한정은 아니지만, 스핀 코팅, 플라스마 화학 기상 성장법(PECVD), 스크린 프린팅, 닥터 블레이딩(doctor blading), 스프레이 코팅, 롤러 코팅, 매니스커스 코팅(meniscus coating) 및 이들의 조합 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
촉매층(14a 및 14b)은 한정은 아니지만, 백금/루테늄, 니켈, 팔라듐, 각각의 합금 및 이들의 조합 등의 촉매를 포함할 수 있다. 일반적으로, 한 실시예에서, 백금 촉매는 연료가 수소일 때 사용되고, 다른 실시예에서, 백금/루테늄 촉매는 연료가 메탄올일 때 사용된다. 촉매층(14a 및 14b)은 같은 촉매층 또는 다른 촉매를 포함할 수 있다. 촉매층(14a 및 14b)은 일반적으로 양자들이 다공성 촉매층을 통과할 수 있게 하는 다공성 촉매층이다. 또한, 촉매층과 애노드 전류 컬렉터 사이에는 전기 도전 경로가 있다. 촉매층(14a 및 14b)은 1g 이하, 약 0.01 내지 100gm, 약 0.1 내지 5gm 및 약 0.3 내지 1gm의 두께를 가질 수 있다.
촉매층(14a 및 14b)은 촉매와 멤브레인 물질의 다른 층 형상을 포함할 수 있어서, 두꺼운 촉매층(14a 및 14b)(예를 들어, 2 이상의 층들)을 형성한다. 예를 들어, 2개의 층들이 연료의 산화율을 개선한다. 이는 이러한 사실이 애노드 촉매 로딩을 증가시키고 촉매층을 다공성으로 유지하기 때문에 바람직하다. 큰 표면적은 연료의 산화율을 크게 할 수 있다. 높은 비율은 높은 전기 전류 및 전력에 대응한다. 멤브레인은 또한 포스트 도핑으로 처리될 수 있다. 도펀트는 멤브레인 내에 확산 또는 주입되어서 이온 도전율을 증가시킨다. 도펀트는 한정은 아니지만, 붕소 및 인을 포함할 수 있다. 각각의 도펀트는 액체 및 고체 소스로부터 멤브레인 내로 각각 확산될 수 있거나, 고전압 이온 액셀레이터를 이용하여 이온 주입될 수 있다. 멤브레인의 도전율은 산성 화합물(예를 들어, 카르복시 산(아세트산 및 트리플루오르 아세트산의 형태) 및 인산 및 황산 등의 무기산)의 확산에 의해 멤브레인 내로 증가될 수 있다.
도 2는 대표적인 연료 전지 멤브레인(10b)의 단면도이다. 연료 전지 멤브레인(10b)은 혼합 멤브레인(18) 및 촉매층(14a 및 14b)을 포함할 수 있다. 혼합 멤 브레인(18)은 두 개의 멤브레인층(12 및 18)(폴리머층(16))을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 연료 전지 멤브레인(10b)은 3개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 하나의 촉매층(14a)은 폴리머층(16) 상에 배치되는 한편, 제2 촉매층(14b)은 멤브레인층(12)에 배치될 수 있다. 멤브레인층(12) 및 촉매층(14a 및 14b)은 도 1을 참조하여 기술한 것들과 유사하다. 또한, 연료 전지 멤브레인(10b)은 이전에 기술한 것과 같거나 유사한 방식으로 동작할 수 있다.
멤브레인층(12) 및 폴리머층(16)은 개별 층들이지만, 이 층들은 모두 연료 전지 멤브레인으로서 동작한다. 이중 층 멤브레인의 특성(예를 들어, 이온 도전율, 연료 크로스오버 저항, 기계적 강도 등)의 조합은 어떤 경우에 어느 한 층만의 독립적인 경우보다 우수할 수 있다. 예를 들어, 폴리머층(16)은 추가의 기계적 지지와 안정성을 멤브레인층(12)에 제공한다. 또한, 멤브레인층(12)이 실리콘 이산화물 인 실시예들에서, 이 물질은 예를 들어, 멤브레인(12b)이 반도체 장치로서 사용되는 경우 장치를 제조하는 데 사용된 다른 절연체와 유사하다. 폴리머층(16)은 한정은 아니지만, Nafion(내피온)(퍼플루오르술폰 산/폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체) 폴리페릴렌 술폰 산, 변형 폴리이미드 및 이들의 조합 등의 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, Nafion이 폴리머층(16)으로 사용되는 경우, 개방 회로 전위는 전류 밀도에 대한 손실을 갖지 않고 증가하는 것으로 도시되어 전력 밀도 및 효율에서 증가를 가져온다.
폴리머층(16)은 약 1 내지 50gm, 5 내지 50gm, 및 10 내지 50gm의 두께를 갖는다. 폴리머층(16)의 길이는 약 0.01m에서 100m로 될 수 있으며, 폭은 약 1pm 에 서 500pm로 될 수 있다. 길이 및 폭은 응용에 따라 다르며, 따라서 조정될 수 있음을 지적한다. 폴리머는 한정은 아니지만, 스핀 코팅 등의 기술을 이용하여 최적될 수 있으므로, 폴리머는 완전하게 기판을 피복할 수 있으며 및/또는 소정의 영역 내에 선택적으로 퇴적될 수 있다. 폴리머층(16)은 약 0.001 내지 0.5 옴 ㎠의 면적 저항률을 갖는다.
도 3a 내지 3d는 마이크로 연료 셀(20a, 20b, 20c 및 20d)의 4개의 실시예를 도시한다. 도 3a는 멤브레인(28), 기판(22) 및 애노드 전류 컬렉터(24) 및 캐소드 전류 컬렉터(26), 제1 다공성 촉매층(14a), 제2 촉매층(14b) 및 3개의 채널(32a, 32b 및 32c)을 갖는 마이크로 연료 전지(20a)를 도시한다. 멤브레인(28)은 도 1에서 전술한 멤브레인(12)에서 기술한 바와 같은 화학적 조성, 치수 및 특징을 갖는다. 멤브레인(28)의 두께는 채널(32a, 32b 및 32c)의 상부에서 측정된다. 기판(22)은 한정은 아니지만, 마이크로프로세서 칩, 마이크로유체(microfluidic) 장치, 센서, 분석 장치 및 이들의 조합 등의 시스템에 사용될 수 있다. 따라서, 기판(222)은 고려(예를 들어, 인쇄 배선 기판, 에폭시 기판이 사용될 수 있음) 중인 시스템에 적당한 물질들로 만들어질 수 있다. 물질들의 예로는 한정은 아니지만, 유리, 실리콘, 실리콘 화합물, 게르마늄, 게르마늄 화합물, 갈륨, 갈륨 화합물, 인듐, 인듐 화합물, 다른 반도체 물질 및/또는 화합물 및 이들의 조합을 포함한다. 또한, 기판(12)은 비반도체 기판 물질을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 임의의 유전 물질, 금속(예를 들어, 구리 및 알루미늄) 또는 세라믹 또는 예를 들어, 인쇄 배선 기판에서 볼 수 있는 세라믹 또는 유기 물질을 포함한다. 또한, 기판(22)은 이미 전술한 임의의 시스템들에 사용된 특정 화합물 등의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
제1 다공성 촉매층(14a)은 기판(22)에 폐쇄된 멤브레인의 바닥 쪽에 퇴적된다. 제2 다공성 촉매층(14b)은 기판(22)의 반대쪽 상의 멤브레인의 상부 쪽에 퇴적된다. 마이크로 연료 전지(20a)는 제1 다공성 촉매층(14a) 및 제2 다공성 촉매층(14b)을 포함하는데, 이들은 전기적으로 애노드 전류 컬렉터(24)와 캐소드 전류 컬렉터 각각에 전류 도전 경로를 형성한다. 제1 다공성 촉매층(14a) 및 제2 다공성 촉매층(14b)은 전술한 바와 같은 촉매를 포함할 수 있으며, 또한 전술한 바와 같은 두께와 특성을 갖는다.
애노드 전류 컬렉터(24)는 제1 다공성 촉매층(14a)을 통해 전자들을 수집한다. 애노드 전류 컬렉터(24)는 한정은 아니지만, 백금, 금, 은, 팔라듐, 알루미늄, 니켈, 탄소, 각각의 합금 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 캐소드 전류 컬렉터(26)는 전자들을 방출한다. 캐소드 전류 컬렉터는 한정은 아니지만, 백금, 금, 은, 팔라듐, 20 알루미늄, 니켈, 탄소, 각각의 합금 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여러 애노드 전류 컬렉터(24) 및 캐소드 전류 컬렉터(26)(예를 들어, 배선이 애노드-캐소드(직렬) 또는 애노드-애노드(병렬)로 될 수 있음)는 소정의 구성에 따라 직렬 또는 병렬로 전자적으로 접속될 수 있다. 한 실시예에서, 각각의 마이크로 연료 전지는 직렬로 전자적으로 접속되어 연료 전지 스택을 형성하여 출력 전압을 증가시킨다. 다른 실시예에서, 접속은 병렬로 될 수 있어서, 정격 전압에서 출력 전류를 증가시킬 수 있다.
채널(32a, 32b, 및 32c)은 실질적으로 멤브레인(28), 제1 다공성 촉매층(14a) 및 기판(22)에 의해 실질적으로 정의된다(예를 들어, 단면도에서 모든 쪽에 구속됨). 연료(예를 들어, 수소 및 메탄올)는 채널 내로 흐르고 전술한 바와 같은 방식으로 제1 다공성 촉매층(14a)과 상호접촉한다. 채널(32a, 32b, 및 32c)은 직렬, 병렬 또는 이들의 조합으로 될 수 있다. 애노드 전류 컬렉터(24)는 채널(32, 32b, 및 32c)에 인접하게 배치되지만, 다공성 촉매층(14a)과 전기적으로 접속된다.
또 다른 실시예에서, 채널(32a, 32b, 및 32c)은 채널(32a, 32b, 및 32c)이 위치한 영역으로부터 희생 폴리머층의 제거(예를 들어, 분해)에 의해 형성된다. 구조(20a)의 제조 프로세스 동안, 희생 폴리머층은 기판(12) 위에 퇴적되어 패턴화된다. 이어서, 멤브레인(28)은 패턴화된 희생 폴리머층 주위에 퇴적된다. 그 후, 희생 폴리머층이 제거되어 채널(32a, 32b, 및 32c)을 형성한다. 희생층의 퇴적 및 제거 프로세스를 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
장방형 단면을 채널(32a, 32b, 및 32c)로 도시했지만, 채널들의 3차원 경계들은 한정은 아니지만, 장방형 단면, 비 장방형 단면, 다각형 단면, 비대칭 단면, 곡선 단면, 아치형 단면, 경사형 단면, 타원 또는 그 부분에 대응하는 단면, 포물선 단면 또는 그 부분에 대응하는 단면, 쌍곡선 또는 그 부분에 대응하는 단면, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 채널들의 3차원 구조는 한정은 아니지만, 장방형 구조, 다각형 구조, 비 장방형 구조, 비 정방형 구조, 곡선 구조, 경사형 구조, 타원 또는 그 부분에 대응하는 구조, 포물선 단면 또는 그 부분에 대응하 는 단면, 쌍곡선 또는 그 부분에 대응하는 단면, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 채널들은 공간적으로 변화하는 높이를 갖는 단면적을 가질 수 있다. 더욱이, 다수의 에어 영역(air-regions)이 상호접속되어 예를 들어, 마이크로채널 및 마이크로챔버들을 형성하도록 상호접속될 수 있다.
채널들(32a, 32b 및 32c) 높이는 약 0.1 내지 100p.m, 약 1 내지 100gm, 약 1 내지 50㎛ 및 10 내지 20㎛일 수 있다. 채널(32a, 32b 및 32c) 폭은 약 0,01 내지 약 1000㎛, 약 100 내지 약 1000gm, 약 100 내지 약 300gm일 수 있다. 채널(32a, 32b 및 32c) 높이는 이들이 사용된 응용 및 구성에 따라 넓게 변할 수 있다. 채널(32a, 32b 및 32c)은 직렬, 병렬, 구부러진 모양, 및 특정 응용에 적합한 다른 구성으로 될 수 있다.
다른 실시예에서, 희생 물질층을 생성하는 데 사용된 희생 폴리머는 과도한 압력 축적을 서서히 분해하고, 이 축적을 생성하지 않으면서도 주변 물질들 내에서 채널(32a, 32b 및 32c)을 형성하는 폴리머일 수 있다. 또한, 희생 폴리머의 분해는 멤브레인(28)을 투과하기에 충분히 작은 가스 분자들을 생성한다. 또한, 희생 폴리머는 멤브레인(28)의 분해 또는 열화 온도 이하인 분해 온도를 갖는다.
희생 폴리머는 한정은 아니지만, 폴리노르보넨, 폴리카르보네이트, 폴리에테르, 폴리에스터, 각각의 기능성 화합물 및 이들의 조합 등의 화합물을 포함할 수 있다. 폴리노르보넨은 한정은 아니지만, 알키닐-치환 노르보넨(예를 들어, 사이클로-아크릴레이트 노르보넨)을 포함할 수 있다. 폴리카르보네이트는 한정은 아니지만, 노르보넨 카르보네이트, 폴리프로필렌 카르보네이트, 폴리에틸렌 카르보네이 트, 폴리사이클로헥산 카르보네이트, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 희생 폴리머는 희생 폴리머(예를 들어, 희생 폴리머의 안정성을 열 및/또는 광 방사에 증가 또는 감소)의 가공성을 변경하는 추가 화합물을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 화합물은 한정은 아니지만, 광개시제(photoinitiators), 및 포토산 개시제(photoacid initiators)를 포함할 수 있다.
희생 폴리머는 예를 들어, 스핀 코팅, 닥터 블레이딩, 스퍼터링, 라미네이션 스크린 또는 스텐실(stencil) 프린팅, 멜트 디스펜싱(melt dispensing), 증발, CVD, MOCVD, 및/또는 플라스마 기반 증착 시스템 등의 기술을 이용하여 기판상에 퇴적될 수 있다. 희생 폴리머의 열적 분해는 희생 폴리머의 분해 온도를 가열하고, 임의의 시간 동안 그 온도에서 유지(예를 들어, 1-2 시간)함으로써 수행될 수 있다. 이후, 분해 프로덕트는 멤브레인(28)을 통해 확산하여 가상적으로 잔류물 없는(residue-free) 중공 구조(채널(32a, 32b 및 32c))를 남겨놓는다.
도 3b는 멤브레인(28), 기판(22), 애노드 전류 컬렉터(24), 캐소드 전류 컬렉터(26) 및 제1 다공성 촉매층(14a) 및 제2 가공성 촉매층(14b), 촉매층(34) 및 3개의 채널(32a, 32b 및 32c)을 갖는 마이크로 연료 전지(20b)를 도시한다. 멤브레인(28)은 도 1을 참조하여 전술한 멤브레인(12)에서 설명한 바와 같은 화학 조성, 치수 및 특성을 포함할 수 있다. 멤브레인(28)의 두께는 채널(32b 및 32c)의 상부로부터 측정된다. 기판(22), 애노드 전류 컬렉터(24), 캐소드 전류 컬렉터(26), 제1 다공성 촉매층(14a), 제2 촉매층(14b), 및 3개의 채널(32a, 32b, 및 32c)은 도 3a를 참조하여 전술한 것과 유사하다. 촉매층(34)은 각각의 채널(32a, 32b, 및 32c) 내에 기판(12) 상에 퇴적된다. 다른 실시예에서, 촉매층(42)은 바람직한 마이크로 연료 전지 구성에 의해 결정된 모든 채널들보다 작게 퇴적될 수 있다. 촉매층(34)은 다공성 층이고, 큰 표면적 층일 수 있다. 촉매층(34)은 채널(32a, 32b, 및 32c) 내의 연료에 다르게 노출되는 기판의 전 부분을 덮거나, 원하는 구성으로 결정된 바와 같이, 작은 면적을 덮을 수 있다. 촉매층(34)은 한정은 아니지만, 백금, 백금/루테늄, 니켈, 팔라듐, 각각의 합금 및 이들의 조합 등의 촉매를 포함할 수 있다.
도 3c는 멤브레인(28), 기판(22), 애노드 전류 컬렉터(24), 캐소드 전류 컬렉터(26) 및 제1 다공성 촉매층(14b) 및 촉매층(34) 및 3개의 채널(32a, 32b 및 32c)을 갖는 마이크로 연료 전지(20b)를 도시한다. 멤브레인(28)은 도 1을 참조하여 전술한 멤브레인(12)에서 설명한 바와 같은 화학 조성, 치수 및 특성을 포함할 수 있다. 멤브레인(28)의 두께는 채널(32a, 32b 및 32c)의 상부로부터 측정된다. 기판(22), 애노드 전류 컬렉터(24), 캐소드 전류 컬렉터(26), 제2 촉매층(14b), 촉매층(34) 및 3개의 채널(32a, 32b, 및 32c)은 도 3a 및 3b를 참조하여 전술한 것과 유사하다. 이 실시예에서, 마이크로 연료 전지(20c)는 제1 다공성 촉매층을 포함하지 않지만, 촉매 반응 및 활동은 촉매층(34)에 의해 생성될 수 있다.
도 3d는 멤브레인(28), 기판(22), 애노드 전류 컬렉터(24), 캐소드 전류 컬렉터(26) 및 제1 촉매층(14a) 및 제2 촉매층(14b), 및 3개의 채널((32a, 32b 및 32c)을 갖는 마이크로 연료 전지(20d)를 도시한다. 멤브레인(28)은 도 1을 참조하여 전술한 멤브레인(12)에서 설명한 바와 같은 화학 조성, 치수 및 특성을 포함할 수 있다. 멤브레인(28)의 두께는 채널(32b 및 32c)의 상부로부터 측정된다. 폴리머층(36)은 기판(22)에 대향하는 멤브레인의 위쪽에 퇴적된다. 제2 다공성 촉매층(14b) 및 캐소드 전류 컬렉터(26)는 멤브레인(28)의 대향 쪽 상의 폴리머층(36)의 위쪽에 퇴적될 수 있다. 기판(22), 애노드 전류 컬렉터, 캐소드 전류 컬렉터(26) 및 제2 촉매층(14b), 제1 촉매층(14a), 및 3개의 채널(32a. 32b 및 32c)은 도 3a 및 3b를 참조하여 전술한 것과 유사하다. 도 3b 및 3c에서 기술한 촉매층은 마이크로 연료 전지(20d)와 유사한 실시예에 포함될 수 있음을 지적한다.
폴리머층(36)은 도 2에 도시한 폴리머층(16)과 유사하다. 폴리머층(36)은 도 2에 도시한 것과 같은 폴리머를 포함할 수 있고 또한 같은 치수를 가질 수 있다. 또한, 치수들은 마이크로 연료 전지(20d) 및 멤브레인(28)의 전체 치수로 부분적으로 제한된다.
이제, 마이크로 연료 전지(20a, 20b, 20c 및 20d)의 일반적인 구조를 설명하는데, 이하 예시의 실시예는 마이크로 연료 전지(20a)를 제조를 설명하며, 이는 마이크로 연료 전지(20b, 20c 및 20d)를 제조하는데도 확장될 수 있다. 명확화를 기하기 위해, 제조 프로세스의 일부는 도 4a 내지 4h에서 생략될 수 있음을 지적한다. 따라서, 다음의 제조 프로세스는 마이크로 연료 전지(20a)를 제조하는 데 필요한 모든 단계들을 포함하는 리스트로 한정되지 않음을 밝혀둔다. 또한, 제조 프로세스는 프로세스 단계들이 도 4a 내지 4h에 도시된 순서와 다른 순서로 실행되거나 또는 동시에 일부 단계들이 실시될 수 있기 때문에 유연성을 가질 수 있다.
도 4a 내지 4h는 도 3a에 도시된 연료 전지 셀(20a)을 제조하는 대표적인 방 법을 나타내는 단면도이다. 명확화를 위해, 제조 프로세스의 일부는 도 4a 내지 4h에서 생략될 수 있음을 지적한다. 따라서, 다음의 제조 프로세스는 마이크로 연료 전지(20a)를 제조하는 데 필요한 모든 단계들을 포함하는 리스트로 한정되지 않음을 밝혀둔다. 또한, 제조 프로세스는 프로세스 단계들이 도 4a 내지 4h에 도시된 순서와 다른 순서로 실행되거나 및/또는 일부 단계들이 동시에 실시될 수 있기 때문에 유연성을 가질 수 있다.
도 4a는 기판(22) 위에 배치된 애노드 전류 컬렉터(24)를 갖는 기판(22)을 도시한다. 도 4b는 기판(22) 위의 희생 물질층(42), 및 애노드 전류 컬렉터(24)의 형성을 나타낸다. 희생 폴리머층(22)은 예를 들어, 스핀 코팅, 닥터 블레이딩, 스퍼터링, 라미네이션, 스크린 또는 스텐실 프린팅, 멜트 디스펜싱, CVD, MOCVD 및/또는 플라스마 기반 증착 시스템 등의 기술을 이용하여 기판(10) 상에 퇴적될 수 있다. 또한, 마스크(38)는 희생 물질층(42) 상에 퇴적되어 희생 물질층(42)의 부분들을 제거하여 애노드 전류 컬렉터(24)를 노출한다.
도 4c는 희생 물질층(42)의 부분들을 제거하여 희생 부분(44a, 44b 및 44c)을 형성하는 것을 도시한다. 도 4d는 희생 부분(44a, 44b, 및 44c) 위에 제1 다공성 촉매층(14a)의 형성을 도시한다. 제1 다공성 촉매층(14a)은 스퍼터링, 증발, 스프레잉, 페인팅, 화학 기상 성장법 및 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
도 4e는 다공성 촉매층(14a) 위의 멤브레인(28), 희생 부분(44a,44b 및 44c) 및 애노드 전류 컬렉터들(24)의 형성을 도시한다. 멤브레인은 한정은 아니지만, 스핀 코팅, 플라스마 화학 기상 성장법(PECVD), 화학 기상 성장법, 스퍼터링, 증 발, 레이저 절단 증착, 및 이들의 조합 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 멤브레인(28)이 형성되는 온도는 약 25 내지 400℃, 약 50 내지 200℃ 또는 100 내지 150℃로 되어야 한다. 온도는 다른 물질들이 안정한(예를 들어, 분해 온도) 범위로 한정되어야 함은 물론이다.
도 4f는 희생층(44a, 44b 및 44c)을 제거하여 채널(32a, 32b, 및 32c)을 형성하는 것을 도시한다. 희생 부분(44a, 44b 및 44c)은 열 분해, 마이크로웨이브 방사, uv/가시광 방사, 플라스마 노출 및 이들의 조합을 이용하여 제거될 수 있다. 희생 부분(44a, 44b 및 44c)은 도 4g 및/또는 도 4h에 도시된 단계 이후와 같은 제조 프로세스에서 다른 단계에서 제거될 수 있다.
도 4g는 희생 부분(44a, 44b 및 44c) 상에 제2 다공성 촉매층(14b)의 형성을 도시한다. 제2 다공성 촉매층(14b)은 스퍼터링, 증발, 스프레잉, 페인팅, 화학 기상 성장법 및 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 도 4h는 제2 다공성 촉매층(14b) 및 멤브레인(28) 상의 캐소드 전류 컬렉터(26) 형성을 도시한다.
전술한 바와 같이, 한 단계가 도 4f와 4g에 도시된 단계들 사이에 추가되어 도 2 및 도 3d에 도시된 폴리머층을 추가할 수 있고, 제2 다공성 촉매층 및 캐소드 전류 컬렉터는 폴리머층상에서 형성될 수 있다. 폴리머층은 한정은 아니지만, 스핀 코팅, 닥터 블레이딩, 스퍼터링, 라미네이션, 스크린 또는 스텐실 프린팅, 멜트 디스펜싱, CVD, MOCVD, 및 플라스마 기반 증착 시스템 등의 방법으로 형성될 수 있다. 유사하게, 제1 다공성 촉매층(14a)의 추가 단계는 생략되어 도 3c에 도시한 마이크로 연료 전지를 형성할 수 있다. 또한, 촉매층(34)(도 3b 및 3c에서)은 멤 브레인층의 형성 이전에 일부 단계에서 퇴적될 수 있다.
예 1
마이크로가공 연료 전지는 스퍼터링, 폴리머 스핀 코팅, 반응성 이온 코팅, 및 포토리소그래피를 포함하는 집적회로에서 일반적인 많은 프로세스를 이용하여 실리콘 집적회로 웨이퍼에 설계 및 구성된다. 양자 교환 막(PEM)은 실리콘 이산화물의 저온 플라스마 화학 기상 성장법(PECVD)에 의해 제조된다. 연료 전달 채널은 PEM 및 애노드 촉매 이하의 패턴화된 희생 폴리머의 사용을 통해 만들어진다. 백금-루테늄 촉매는 DC 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 산화 막의 저항률은 통상의 폴리머 전해질 막(예를 들어, Nation™)보다 높지만, 또한 훨씬 얇다.
실험 방법
마이크로 연료 전지의 설계 및 제조는 희생 폴리머 기술을 기반으로 하여 애노드용 연료 전달 채널을 형성한다. 이 희생 폴리머, Unity 2000P(Promerus LLC, Brecksville, OH)는 자외선 노출 및 노출된 영역의 열 분해에 의해 패턴화된다. 멤브레인 및 전극들은 연속 성장 프로세스에서 패턴화된 특징들을 코팅한다. 제조 시퀀스의 최종 단계의 하나는 패턴화된 Unity 특징의 열 분해로 캡슐화된 마이크로채널(예를 들어, 도 4a 내지 4h에 도시한 프로세스와 유사함)을 남겨두는 것이다. Unity 분해는 안정한 질소 흐름을 갖고 Lindberg(린드버그) 튜브 노에서 발생한다. 최종 분해 온도 및 시간은 약 1.5 시간 동안 170℃이다. 마이크로 연료 전지 제조는 PEM으로서 작용하는 캡슐화 물질의 퇴적 이전에 촉매 전극들 및 전류 전극들의 증착을 포함한다. 병렬 마이크로채널들의 배열에 조립된 장치의 개략 단면도를 도 3a에 도시한다.
실리콘 이산화물은 캡슐화 물질 및 PEM으로서 사용된다. SiO2의 퇴적은 60 내지 200℃의 온도에서 플라스마-섬(Plasma-Therm) PECVD 시스템(Plasma-Therm St, Petersburg, FL)에서 발생한다. 반응 가스는 2.25의 N2O:SiH4 비율과 600 mTorr의 동작 압력을 갖는 실란과 이산화 질소이다. 60 내지 75분의 퇴적 시간으로 2.4와 3.4㎛ 사이의 Alpa-Step(알파-스텝) 표면의 표면 형상 측정 장치(KLA-Tencor, San Jose, CA)로 측정된 막 두께를 생성한다.
촉매층은 CVD DC 스퍼터(CVC Products, Inc., Rochester, NY)를 이용하여 스퍼터 퇴적되었다. 50:50 원자 비율 백금/루테늄 타깃(Williams Thin-Film Products, Brewster, NY)이 소스 타깃으로서 사용되었다. 도 5는 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 스캔을 도시하는데, 스퍼터링된 막이 2개의 금속의 같은 량을 갖는 것을 확인한다. 약 50 내지 200Å의 평균 두께를 갖는 다공성 막들이 희생 폴리머상에 퇴적된 다음, 멤브레인으로 코팅되어 애노드 촉매로서 역할하게 된다. 또한, Pt/Ru의 약 600Å 두께 층이 멤브레인에 대향하는 애노드 마이크로채널들의 하부에 퇴적되어 추가 촉매로서 그리고 전류 수집을 위해 작용한다. 이 추가의 촉매는 특히, 산성 메탄올을 이용하는 경우 마이크로 연료 전지의 성능을 개선한다. 다공성 촉매 캐소드들은 또한 PEM의 상부에 또는 그 외부에 Pt 또는 Pt/Ru의 스퍼터링에 의해 제조된다. 그러나 일부 샘플들에서 캐소드들은 PEM (Dupont Chemical Co., Delaware로부터 등록 상표 Nafion으로 상업적으로 입수가능 한 퍼플루오리네이트 술폰 산) Nafion에서 탄소 지지 Pt를 포함하는 준비된 촉매 잉크를 페인팅하고, 이어서 다공성 골드 전류 컬렉터로 코팅함으로써 만들어진다. 이러한 후막 방식은 PEM의 캐소드 쪽의 촉매 로딩 및 성능을 증가시킨다. 이는 비율 제한 단계로부터 캐소드에서 산소 환원을 제거함으로써 애노드 성능을 연구하는 데 특히 유용하다.
임피던스 분광법(IS) 및 선형 볼타마그램(linear voltamagram)을 포함한 모든 전자화학 측정은 Perkin Elmer PARSTAT 2263(EG&G, Princeton, NJ)로 수행된다. 선형 스위프 볼타메트리(voltametry)의 스캔 비율은 1m/Vs이다. 이온 도전율은 알루미늄 코팅된 기판들에 퇴적되고, 수은 탐침뿐만 아니라 실제 전지들과 접촉하는 SiO2 막을 통해 임피던스 분광법으로 측정된다. 임피던스 측정의 주파수 범위는 10mV의 AC 신호 진폭으로 100mHz 내지 1MHz이다. 임피던스 측정의 주파수 범위는 10mV의 AC 신호 진폭에서 100mHZ 내지 1 MHz이다. 반전지 장치는 SiO2 PEM 하에서 스퍼터링된 촉매와 연료 전달 채널을 통해 제조되고, 캐소드 대신 에폭시가 장치의 상부에 우물을 형성하는 데 사용되고, 1M 술폰산 용액으로 충전된다. 측정은 술폰산 용액 내에 위치한 참조 및 카운터 전극들로서 포화 칼로멜 전극(SCE) 및 Pt 와이어로 만들어진다. PHD 2000 프로그램가능 시린지 펌프(Harvard Apparatus, Holliston, MA) 액체 연료를 제공하고, 유속을 제어한다. 수소는 피드를 가온하기 위해 버블러(bubbler)를 통과한 초 순수 등급 가스의 가압 탱크로 충전된다.
결과 및 논의
마이크로가공 연료 전지는 집적 회로 제조에 공통인 많은 물질 및 프로세스들을 이용하여 성공적으로 제조되었다. 다른 연료 및 온도를 갖는 마이크로 연료 전지의 제조는 반전지 및 완전 전지를 포함하는 다른 특징들을 갖는 전지를 위해 측정된다. 이 목적은 처리 조건의 함수로서 각 연료 전지 부품들(예를 들어, 애노드, 캐소드 및 PEM)을 조사하기 위한 것이다. 촉매 활동 이외에, 스퍼터링된 촉매층들에 설계된 주요한 특성은 다공성과 전기 도전율이다. 멤브레인과 접촉하는 촉매층은 산화 중 생성된 양자들이 PEM과 접촉할 수 있어서 캐소드를 통과하도록 다공성으로 되어야 한다. 애노드 촉매에서 생성된 전자들은 금속 전류 컬렉터들에 대한 경로를 필요로 한다. Pt의 다른 량은 절연체의 양쪽에 패턴화된 2개의 고체 전극들을 포함하는 기판들 상에 스퍼터링된다. 전극들 사이의 공간에 걸치는 Pt 층들의 시트 저항이 측정된다. 도 6은 두께의 함수로서 스퍼터링된 Pt 막들의 측정된 저항(Q/스퀘어)과 나타낸 두께의 평활한 연속막을 위한 계산된 값을 도시한다. 300Å 이상에서, 측정된 값은 예상된 값에 대응하는데, 막들이 인접하는 것을 나타낸다. 150Å에서, 저항은 두께의 감소와 더불어 더욱 현저하게 증가한다. 이는 바람직한 다공성, 연속막에 대응한다. RIB를 통한 Unity 희생 폴리머의 표면의 거침은 고체층을 만들기 전에 스퍼터링될 수 있는 금속의 량을 증가시킨다.
본 발명의 여러 실시예들에서, 약 50 내지 200Å의 평균 두께를 갖는 Pt/Ru 층들은 다공성으로 사용되어, 거칠게 된 Unity 희생 폴리머 상에서 층들을 전도한다. 티타늄 접착층이 Si02 퇴적 이전에 Pt/Ru의 상부에 퇴적된다. 접착에 필요한 Ti의 량은 최소화되었다. Ti의 약 45Å(평균 두께)이 스퍼터링된 전극들에서 Pt/Ru와 SiO2 사이에서 퇴적된다.
Unity 희생 폴리머의 퇴적 및 패터닝 이전에 Pt/Ru의 약 600Å의 스퍼터링 또는 대략 100㎍/㎠는 도전 분석대상물(analyte)(예를 들어, 산성 메탄올)에 의해 이용될 수 있는 전지 내의 애노드 촉매의 총량을 증가시킨다. 이는 수소에 의해 성능을 다소 개선하는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 마이크로채널들의 하부에서의 Pt/Ru의 고체층으로 제조된 전지들에 대해 모든 결과를 여기에서 논의했다.
양자 교환 멤브레인에 대한 요건은 마이크로가공된 연료 전지에서 필요한 기계적 특성 및 두께로 인해 통상의 PEM(예를 들어, Nafion)과 다르다. 여기서, SiO2는 독립 멤브레인으로서 동작하는 것으로 도시된다. SiO2 막은 PECVD로 퇴적되고, 이온 도전율은 실온에서 임피던스 분광법으로 측정된다. 도 7은 실리콘 이산화물 대 성막 온도의 이온 도전율을 도시한다. 성막 온도가 감소함에 따라, 도전율은 높은 실라놀(silanol) 농도 및 낮은 밀도로 인해 증가한다. 막의 도전율은 Nation 등의 다른 공통으로 사용된 PEM에서 훨씬 낮지만, 또한, 이 막은 다른 연료 전지 멤브레인들보다 훨씬 얇다. Nation을 배제하면 멤브레인(1100의 등가 중량)은 0.1 내지 0.35Ω-㎠의 면적 저항률을 갖는다. 100℃에서 퇴적된 3㎛ 두께의 SiO2 면적 저항률은 실온에서 1200 S2-㎠이다. 비교적 저항률이 높으면, 고 전류에서 셀 전압이 감소한다. 이들 장치에 사용된 이러한 SiO2 막은 애노드 및 캐소드 촉매 로딩 등의 다른 파라미터들을 조사하는 데 적합하다. 이 막들은 이 연구에서 사용된 저 전류 장치에서는 충분하지만, 개선된 SiO2 PEM이 조사되었고, 앞으로 보고될 것이다.
반전지 장치는 다른 연료로 애노드 성능을 평가하도록 제조 및 테스트되어 완전 전지 테스트와 비교를 제공한다. 도 8 및 9는 각기 수소와 희생 폴리머에 대한 반전지 결과를 도시한다. Pt/Ru의 고체층은 희생 폴리머가 패턴화되기 이전에 퇴적될 뿐만 아니라 패턴화된 특징들의 상부의 다공 층과 멤브레인이 접촉한다. 멤브레인 표면에서의 촉매의 중량은 17㎍/㎠이다. 수소는 피드(feed)를 가온하기 위해 버블러를 통과한 초 순수 등급 가스의 가압 탱크에 공급된다. 도 8은 1 내지 4psig(15.7 내지 18.7psia)의 입구 압력에 대한 결과를 도시한다. 반 전지 전류 밀도는 가온 수소의 부분 압과 비례한다. 이는 성능이 애노드에서의 촉매 반응 운동에 의해 주로 제한되는 즉, 수소 부분압에 비례하는 것을 말한다. 이러한 전류 밀도에서의 추가적인 개선은 애노드 촉매의 개선된 활동으로 가능하다. 워터 농도에서 메탄올은 1M이다. 산성 메탄올 혼합물은 1M 메탄올을 갖는 1M 술폰산을 함유한다. 도 9는 메탄올 및 산성 메탄올에 대한 반전지 분극 곡선을 도시한다. 연료에 술폰산을 첨가하면 양자에 도전성의 용액이 만들어진다. 산성 메탄올 용액의 도전율로 인해 높은 활성 표면적이 전류 밀도를 개선한다. 멤브레인과 접촉하지 않는 채널의 벽들에 퇴적된 Pt/Ru 촉매는 메탄올 산화 량을 증가시키는 데 이용되었다. 산성 메탄올 연료의 유속을 증가시키면 전류 밀도 및 개방 회로 전위를 개 선한다. 낮은 유속에서 성능에 있어서의 주요한 손해는 애노드에서 이산화 탄소 버블 형성이 보여진다는 것인데, 이는 마이크로채널들에서 나와야 한다. 0.25V 대 SCE(1과 5mL/hr에서 각기 2 및 7mA/㎠)에서 관찰된 전류 밀도로, 가스성 CO2 버블의 생성이 촉매 위치들을 덮고, 또한 마이크로채널의 하부로부터 PEM으로 연료를 통해 양자 콘덕턴스를 제한할 수 있다.
마이크로가공된 연료 전지들은 개방 회로 전위로부터 1mV/sec의 스캔 속도에서 선형 볼타메트리로 제조 및 테스트된다. 표 1은 이들 전원 장치들에 대한 전지 성능에 영향을 미치는 키 파라미터(애노드 및 캐소드 구성)를 나타내도록 여기서 제공된 5세트의 전지들 사이의 프로세스 내의 차이를 비교한다.
표 1: 마이크로 연료 전지 샘플들의 처리 특성
샘플들 애노드 촉매 중량*(㎍/㎠) SiO2 멤브레인 두께(㎛) 캐소드 촉매
A 31 3.2 스퍼터링됨
B 17 3.2 후막
C 34 3.2 후막
D 43** 3.2 후막
E 17 2.4 후막
*멤브레인 표면에서의 중량(마이크로채널들의 하부에서 100㎍/㎠)
**사이에 증착된 400 A Si02를 가진 2개의 Pt/Ru 층들의 총량
도 10은 애노드 및 캐소드에서 31㎍/㎠의 로딩으로 스퍼터링된 촉매를 갖는 한 전지 샘플 A에 대한 분극(상부) 및 전력(하부) 곡선들을 도시한다. 1psig 입구 압력을 갖는 가온 수소는 연료로서 역할을 하고, 공기로부터의 산소는 캐소드에서 감소하였다. 60℃에서의 성능은 4㎼/㎠의 측정 피크 전력 밀도를 갖는 주위 조건 에서보다 대략 4배 이상이다. 캐소드 상에서 스퍼터링된 촉매를 갖는 이들 장치의 낮은 전류 밀도는 도 7에 도시된 수소로 수행된 애노드 반전지들로부터의 결과에 비해 그들 성능이 공기 캐소드의 촉매 활동에 의해 제한되는 것을 나타낸다. 이는 캐소드에서의 주위 산소 환원이 가압 산소가 애노드에서 사용되었을 때 성능이 제한되는 예상과 일치한다.
후막 잉크 촉매는 공기 브레싱(air-breathing) 캐소드 상에서 코팅되어 그 면적 및 촉매 활동을 개선한다. 멤브레인의 상부에서 페인트된 촉매 잉크를 이용하는 경우, 연료 전지 성능은 캐소드 촉매 로딩에서의 증가로 인해 대폭으로 증가하였다. 캐소드에서의 산소 환원에 대한 현저한 개선으로 인해, 캐소드는 이제 더는 제한 전극이 아니다. 후막 캐소드를 갖는 전지들의 성능은 애노드 조성의 함수이다. 도 11은 예를 들어, 샘플 B에서 40℃와 60℃의 주위 온도에서 분극(상부) 및 전력(하부) 곡선들을 도시한다. 이 샘플은 샘플 A와 유사한 애노드 및 멤브레인을 갖지만, 캐소드에 촉매 잉크 및 가공성 골드 전류 컬렉터를 사용한다. 1psig의 입구 압력을 갖는 수소가 연료이고, 캐소드는 공기 브레싱이다. 실온 분극 곡선은 도 7의 수소 반전지 결과와 아주 유사한 전류 밀도를 나타낸다. 성능은 대략 0.23V 및 60℃에서 42㎼/㎠ 피크 전력 밀도를 갖는 샘플 A보다 대략 한 배의 크기 이상이다. 이들 2개의 결과는 애노드가 캐소드에서 스퍼터링된 촉매 대신 페인트된 촉매를 사용하는 경우 샘플들의 성능을 제한한다.
온도 종속성은 큰 전력 출력이 평가된 온도에서 얻어질 수 있도록 되었다. 연료 전지에서 열의 낭비가 있지만, 이들 장치의 크기 및 생성된 전력의 량은 이들 이 평가된 온도에서의 동작을 위해 충분한 열을 유지할 수 없음을 나타낸다. 집적된 연료 전지는 또한 이 전지가 설치된 회로(또는 전자 장치)에서 방사된 일부 열을 사용한다.
애노드의 활동 및 표면적에서의 개선으로 전류 및 전력 밀도가 높아질 수 있다. 애노드 성능은 높은 촉매 로딩으로 개선되었다. 도 12는 애노드에서 다른 량의 스퍼터링된 촉매를 갖는 3개의 샘플의 실온 분극(상부) 및 전력(하부) 곡선을 도시한다. 1psig의 입구 압력을 갖는 가온 수소가 연료이고, 후막 캐소드들은 공기 브레싱이다. Pt/Ru의 대략 100㎍/㎠의 고체층이 각 샘플 상에서 마이크로 채널의 하부에 증착된다. 멤브레인 표면에서, 샘플 B는 Pt/Ru의 17㎍/㎠를 가지며, 샘플 C는 34㎍/㎠를 갖는다. 멤브레인에서 스퍼터링된 Pt/Ru의 2배를 가짐으로써, 샘플 C는 샘플 B에 비해 50% 이하의 성능의 개선을 나타낸다. Pt/Ru에 두 배의 스퍼터링으로 촉매 표면적이 두 배가 되지는 않는데, 이는 퇴적된 아일랜드가 크게 되어 많은 연속(다공성이 작음) 막을 형성하기 때문이다.
전극 성능을 개선하기 위해 촉매 표면적은, 특히 전극과 직접적으로 접촉하는 촉매는 증가되어야 한다. 박층의 SiO2 전해물은 두 개의 촉매 퇴적층들 사이에 퇴적되는데, 이는 이 층이 PECVD를 통해 퇴적되기 때문이다. 샘플 D는 패턴화된 희생 폴리머 상에 퇴적된 C와 같은 34㎍/㎠ 층을 갖고, 이어서 400Å의 SiO2의 퇴적 그리고 두꺼운 SiO2 PEM 층이 퇴적되기 전에 추가의 8.5㎍/㎠의 촉매를 갖는다. 스퍼터링된 Pt/Ru의 제2 층은 SiO2에서 매설되어 촉매/전극 접촉 면적을 증가시킨다. 멤브레인에서 단지 25% 이상의 Pt/Ru로 샘플 D의 피크 전력 밀도는 실온에서의 샘플 C의 4배 이상이다. 이러한 전류 및 전력 밀도에서의 대폭적 개선은 전체 촉매 중량에서의 증가 이외에 많은 멤브레인/촉매 접촉을 가능케 하는 SiO2 캡슐화 층 때문이다. Pt/Ru의 2개의 얇은 층들 및 이들 사이의 소량의 SiO2 는 대부분 유사하게 양자 및 전자 모두에 도전성인 한편, 전체 촉매 표면적 특히, 전해물과 접촉하는 면적을 증가시키는 촉매와 전해물의 혼합된 매트릭스를 형성한다.
수소 연료 전지의 성능은 선형 볼타메트리를 통해 수집된 데이터가 일정 전위에서 정상 상태 값들과 일치하는 경우를 판정하기 위한 시간의 함수로서 연구되었다. 도 13은 일정 전위가 10분간 유지된 샘플 D의 전류 밀도를 도시한다. 데이터는 도 14에 도시한 1mV/S의 선형 스윕에서 수집된 값들에 아주 근사한 비교적 일정한 성능을 도시한다. 예컨대, 다른 장치에서 수 시간의 장기간에 걸친 테스트는 유사한 결과로 도시된다. SiO2 는 Nation 막과 유사하게 물로 팽창하지 않아서 막을 건조에서의 성능 저하와 같은 시간에 따른 변화에 덜 민감하게 한다.
도 15는 샘플 E 후막 캐소드를 가진 마이크로채널 연료 전지에서 1mL/hr의 유속에서 실온에서 수행된 산성 메탄올 용액에 대한 분극 및 전력 곡선을 도시한다. 마이크로채널 하부에서 촉매의 고체층이 메탄올의 산화 시 멤브레인에서 다공성 Pt/Ru 이외에 사용되는데, 연료 용액이 양자를 처리하기 때문이다. 개방 회로 전위가 수소를 이용하는 경우보다 낮은 한편, 피크 전류 및 전력 밀도는 연료로서 수소를 사용하는 같은 장치에 비해 훨씬 우수하다.
실험 결과는 마이크로가공된 연료 전지의 성능을 향상시키는 데 사용되는 경향을 도시한다. 마이크로채널의 하부에 촉매를 첨가하는 것은 도전 연료로서 사용을 위한 효과적인 기술이다. 그러나 다공성을 유지하기 위해 다수의 SiO2 매설 층들의 이용을 통해 멤브레인에서 촉매를 증가시키면 전류 밀도의 증가를 확신할 수 있다. 진행 연구의 추가적인 영역은 예컨대, 애노드 면적의 증가, 멤브레인 특성, 특히 도전율 등의 전극에 대한 다른 개선에 있다. SiO2의 두께를 줄이면 PEM의 저항이 감소하지만, 기계적 강도는 유지되어 애노드 마이크로채널의 연료 압력으로부터 연료 전지가 파괴되는 것을 방지하도록 유지되어야 한다.
결론
희생 폴리머 기반 마이크로채널 및 박막 SiO2 멤브레인을 이용한 마이크로 연료 전지는 성공적으로 제조 및 테스트되었다. 저온 PECVD 실리콘 이산화물은 집적 박막 장치에 확실하게 사용될 수 있다. 성막 온도를 낮추면, 이 연구에서 사용된 제조 전극으로 이루어진 전류 밀도에서 수용가능한 레벨로 막들의 도전율을 증가시킨다. 촉매 매트릭스를 형성하기 위한 반복된 다른 촉매 스퍼터링 및 SiO2 퇴적은 촉매 및 멤브레인 촉매 접촉 면적의 증가를 갖는 전극을 제공한다. 멤브레인과 접촉하지 않는 추가의 촉매는 산성 메탄올 등의 도전 검체(檢體)를 사용하는 경우 이용될 수 있다.
예 2
마이크로가공된 연료 전지는 스퍼터링, 폴리머 스핀 코팅, 반응성 이온 에칭 및 포토리소그래피를 포함한 집적 회로 제조에 일반적인 많은 프로세스를 이용하여 실리콘 집적 회로 웨이퍼상에 설계 및 구성된다. 인 도핑된 실리콘 이산화물은 이들 박막 연료 전지에서 사용을 위한 양자 교환 멤브레인으로서 연구되었다. 이는 플라스마 화학 기상 성장법(PECVD)을 통해 증착되고, 마이크로가공 전지에서 이전에 사용된 저온 퇴적 SiO2 보다 2배 큰 크기의 이온 도전율을 갖는다. 6의 두께와 100kS)-cm의 저항률을 갖는 막은 60)-㎠의 면적 저항을 가지며, 이는 바람직하게 Nation(117)에서 x.175㎛ 두께와 비교된다. 마이크로가공 연료 전지의 인 도핑된 SiO2의 사용은 도핑된 실리콘 이산화물을 사용한 이전의 전지에 비해 성능을 개선한다.
실험 방법
마이크로가공된 연료 전지의 개략 단면도는 도 3a에 도시한 것과 유사하다. 박막 연료 전지를 제조하는 데 사용된 물질 및 프로세스는 전에 기술하였다. Unity 2000P(Promerus LLC, Brrcksville, OH)가 희생 폴리머로 사용되어 마이크로 채널 구조를 형성한다. 촉매층들은 CVC DC 스퍼터(CVC Products, Inc., Rochester, NY)를 이용하여 퇴적된 스퍼터이다. 50:50 원자 비율 백금루테늄(platinumlruthenium) 타깃(Willams Thin-Flim Products, Brewster, NY)이 소스 타깃으로 사용된다.
SiO2의 퇴적은 약 75 내지 250℃에서의 온도에서 PECVD 시스템에서 발생한다. 반응 가스는 약 600 mTorr의 동작 압력에서 실란과 질소 산화물이다. 인 도 핑된 실리콘 이산화물(P-SiO2)은 표준 실란 가스에서(He에서 5.0% SiH4) 헬륨 캐리어 가스에서 0.3%의 인과 5.0% 실란을 대체함으로써 퇴적되었다. 일반적으로, N20 내지 PH3/SiH4(또는 N20 내지 Silo)의 유속의 비율은 2.25이고, 동작 온도는 100℃이다. 이들 값들은 한번에 한 파라미터에서 변하지만, 다른 파라미터들을 같게 유지된다. 막 두께는 기판상의 한 선택 영역 상에서 퇴적을 방지하도록 물리적인 마스크를 사용한 후 Alpha-Step 표면 프로필로미터(profilometer)(KLA-Tencor, San Jose, CA)로 측정되었다. 이전의 연료 전지 장치에 사용된 도핑되지 않은 SiO2 PEM 층들은(비교를 위해 도시한 일부 데이터) Plasma-therm(플라스마-섬) PECVD 시스템(Plasma-therm, St, Petersburg, FL) 및 이와 같은 다른 파라미터를 이용하여 퇴적되었다.
푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법이 Nicolet 모델 560 및 Omnic 소프트웨어를 이용하여 실행되었다. 임피던스 분광법(IS) 및 선형 볼타마그램을 포함한 모든 전기화학적 측정이 PerkinEkner PARSTAT 2263 (EG&G, Princeton, NJ) 전기화학 시스템으로 실행되었다. 선형 스위치 볼타메트리에 대한 스캔 비율은 1mV/s이다. 수소는 피드를 가온하는 버블러를 통과한 초 순수 애노드 등급 가스의 가압 탱크로부터 정교한 배관(fine tubing)을 통해 애노드 마이크로채널들로 공급되었다. 이온 도전율은 알루미늄 코팅된 기판들 상에 퇴적되고, 수은 탐침뿐만 아니라 실제의 전지들과도 접촉하는 SiO2 막을 통해 임피던스 분광법으로 측정되었다. 임피던스 측정에 대한 주파수 범위는 10mV의 AC 신호 진폭에서 100mHz 내지 1MHz이었다.
결과 및 논의
SiO2는 1.4 내지 1.5㎛의 두께를 갖는 알루미늄 코팅된 유리 슬라이드 상에 퇴적되었다. 알루미늄 코팅된 기판들 상의 P-SiO2 막들은 임피던스 분광법(IS)의 사용을 통해 이온 도전율에서 측정되었다. 도 16 및 17은 도전율 상의 두 개의 파라미터 즉, 온도와 가스 비율의 효과를 도시한다. 도 16의 데이터는 100℃ 및 400W 전력에서 퇴적된 샘플들로부터 얻어지는데, 단지 가스 흐름만이 변경되었다. N20 대 PH3/SiH4의 비율을 표준 2.25에서 1 내지 0.5로 감소시킴으로써, 비율이 0.5만으로 될 때까지 도전율이 증가한다. 도 17은 P-SiO2의 도전율이 최초 SiO2 막과 같이 성막 온도에 종속적이지 않은 것을 도시한다. 이 막들은 2.25의 표준 가스 비율과 400W 전력으로 퇴적되었다. 이는 P-SiO2을 통한 이온의 도전이 인으로 인해 개선되지만, 바로 온도의 저하로 실라놀 농도를 증가시키지 않는 명백한 증거이다. 인의 량은 성막 온도로 인해 크게 변화하지 않는다. PPC 희생 폴리머의 낮은 분해 온도로 인해, 연료 전지 장치에 P-SiO2의 퇴적에 100℃가 지속적으로 사용되었다.
비 도핑된 SiO2에 비해 많이 증가하는 한편, P-SiO2 막의 도전율은 Nafion 등의 다른 공통으로 사용된 PEMs에서보다 낮게 유지되지만, 이들은 또한 다른 연료 전지 멤브레인보다 훨씬 얇다. Nafion을 배제하면, 멤브레인(1100의 등가 중량)은 0.1 내지 0.35 Q-㎠의 면적 저항을 갖는다. 100℃에서 퇴적된 3㎛ 두께 후막 P- SiO2 막의 면적 저항은 실온에서 30 S2-㎠이다. 비교적 높은 저항이 높은 전류에서 셀 전압을 감소시킨다.
P-SiO2 막은 마이크로가공된 연료 전지 내의 PEM으로서 사용되어 비 도핑된 SiO2와 비교된다. 또한, PECVD 챔버의 성막 온도는 100℃이었다. 많은 다른 방법들이 이온 도전율 측정을 위해 테스트되었지만, 다른 가스 비율 중 일부를 사용하는 막들의 기계적 강도는 표준 SiO2 방법만큼 양호하지 않다. 이러한 이유로, 인 도핑을 갖는 최초 연료 전지 장치들이 실란을 대체하여 안내섬광(眼內閃光) 가스만으로 상기 표준 방법을 사용했다. 그러나 이러한 막은 아직 이전의 SiO2 막에 비해 강하지 않아서 두꺼운 퇴적을 필요로 한다.
마이크로가공된 연료 전지는 이전에 제조된 프로세스를 이용하여 제조되고, 개방 회로 전위로부터 1mV/sec의 스캔 속도에서 선형 볼타메트리로 테스트된다. 6㎛ 두께 P 도핑된 SiO2는 장치에서 PEM으로서 성공적으로 사용되었다. 도 18은 멤브레인 표면 및 후막 캐소드에서 Pt/Ru의 150A를 갖는 한 셀 U-56에 대한 분극 및 전력 곡선들을 나타낸다. 1psig의 입구 압력에서 가온 수소가 연료로서 동작하고, 캐소드는 공기 브레싱이다. 블루로 도시한 이러한 결과는 250A Pt/Ru의 결과를 따라 구성되고, 전술한 촉매층 샘플(밤색으로 도시한 04-28)의 두 배이다. 720mV의 개방 회로 전위는 대략 70mV 이상이다. 이는 대부분은 두꺼운 PEM 때문인데, 이 PEM은 연료 교환 및 전기 절연에서 긍정적인 효과를 갖는다. 이온 도전율이 비 도 핑된 SiO2에 비해 높기 때문에, 전류 밀도는 두꺼운 멤브레인으로 인해 감소하는 것으로 나타나지 않는다. 도핑된 샘플이 표면에서 한 퇴적으로 된 낮은 전체 촉매를 갖는 사실에도 불구하고, 36㎼/㎠의 그 피크 전력 밀도는 다른 샘플보다 거의 40% 이상 크다. 샘플들의 피크 전력 밀도 모두가 대략 1mA/㎠이지만, 도핑된 샘플들의 전압은 이 전류에서 약 1OOmV이다.
결론
SiO2에 인을 첨가함으로써 막의 이온 도전율을 증가시키고, PEM으로서 사용할 때 마이크로 연료 전지의 전체 성능을 개선한다. P-SiO2 막의 도전율은 안내섬광 가스의 첨가를 제외하고는 전술한 사용된 SiO2 멤브레인과 같은 프로세스 조건하에서 퇴적되는데, 비 도핑된 저온 SiO2보다 대략 50배 이상 크다. 도전율에서의 증가로 인해, 두꺼운 PEM 층들은 장치의 기계적 강도를 개선하도록 퇴적될 수 있지만, 양자 전달에 대해서는 아직도 낮은 저항을 갖는다. 막이 두꺼우면 또한 개방 회로 전위를 개선하여 전체 성능을 더욱 개선한다. P-SiO2 샘플은 양호한 애노드를 갖는 것들을 포함해서 모든 비 도핑된 SiO2 샘플들을 능가한다. P-SiO2 는 이들 장치에서 바람직한 박막 PEM 물질로서 판명되었다.
다른 실시예에서, 마이크로가공된 연료 전지 또는 다른 타입의 연료 전지는 도 19에 도시한 집적 내장형 센서 어셈블리(100)를 포함하는 무선 메시 망과 같은 센서 망에서 사용될 수 있다. 집적 내장형 센서 어셈블리(100)는 유틸리티 모니터 링, 소비자 제품, 홈 오토메이션, 에너지 관리, 산업용 제어, 원격 진단 및 제어뿐만 아니라 확장된 낮은 유지 전원 또는 "배터리 수명"이 바람직한 다른 응용들에 적용될 수 있다. 집적 내장형 센서 어셈블리(100)는 트랜스시버(110), 호스트 컨트롤러(120), 하나 이상의 센서 및/또는 검출기(130) 및 하이브리드 전력 모듈(200)을 포함할 수 있다.
트랜스시버(110)는 집적 내장형 센서 어셈블리(100)에 그리고 그로부터 데이터 및 정보의 무선 송신 및 수신을 위해 사용을 위한 하나 이상의 송신기 또는 수신기를 포함할 수 있다. 트랜스시버(110)는 또한, 안테나를 포함할 수 있다. 트랜스시버(110)는 같은 집적 회로에서 송신기 및 수신기 모두를 갖는 저 전류 드레인 장치일 수 있다. 칩셋의 수는 여러 송신 및 수신 전력 레벨, 충격 계수, 및 슬립 모드 능력을 수용하도록 광범위의 주파수에 걸쳐 이 기술의 당업자에게 잘 알려져 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 충격 계수는 트랜스시버가 수신 또는 송신할 수 있는 시간의 량이다.
호스트 컨트롤러(120)는 마이크로컴퓨터, 또는 랩톱 컴퓨터 또는 메시 망 응용에서 타깃으로 한 특별주문된 컨트롤러 등의 컴퓨터일 수 있다. 호스트 컨트롤러는 고객 또는 상용 버스 프로토콜, 전화 및 인터넷 접속을 포함한 다른 네트워크 기능을 지원하기 위한 다수의 하드 와이어 인터페이스를 포함할 수 있다. 호스트 컨트롤러(120)는 센서 및/또는 검출기(130)로부터 데이터 및 정보를 수신하도록 구성될 수 있다. 집적 내장형 센서 어셈블리(100)가 호스트 컨트롤러를 포함 또는 포함하지 않고 구성될 수 있음을 지적하는 것이 중요하다.
센서 및/또는 검출기(130)는 장치, 유닛, 계측기, 스위치, 광학 도파관 및 특정 응용을 위해 설계된 다른 기구를 포함할 수 있다. 응용은 반드시 한정은 아니지만, 날씨 모니터링, 국토 및 물 관리, pH 모니터링, 염도 모니터링, 모션 센서, 법 집행 및 보안, 산업 제어, 변화 및 압력 모니터, 홈 보안 및 오토메이션, 및 임의의 다른 소정의 응용을 포함할 수 있다. 센서 및/또는 검출기(130)는 유선 또는 무선 접속을 통해 집적 내장형 센서 어셈블리(300)에 접속될 수 있다. 한 실시예에서, 센서 및/또는 검출기(130)는 트랜스시버(110)와 직접적 또는 간접적으로 통신함으로써 센서 및/또는 검출기(130)에 의해 수집된 정보 및 데이터를 트랜스시버에 송신한다. 또 다른 실시예에서, 센서 및/또는 검출기(130)는 호스트 컨트롤러(120)와 직접적 또는 간접적으로 통신하도록 구성됨으로써 센서 및/또는 검출기(130)에 의해 수집된 정보 및 데이터를 호스트 컨트롤러(120)에 송신 및 저장한다.
하이브리드 전력 모듈(200)은 집적 내장형 센서 어셈블리(100)의 에너지 저장 및 전력 생성 필요를 제공하도록 설계될 수 있다. 도 2O을 참조하면, 하이브리드 전력 모듈(200)은 디젤, 메탄올, 에탄올, 및 화학적 수소화물 등의 탄화 수소 연료를 이용할 수 있는 수소 연료 전지 또는 다이렉트 무기 연료 전지 등의 하나 이상의 연료 전지(210)를 포함할 수 있다. 한정이 아닌 예시만의 목적을 위해, 하이브리드 전력 모듈(200)의 한 실시예는 연료 메탄올이 연료 전지에 직접적으로 공급되는 양자 교환 연료 전지의 서브카테고리인 다이렉트 메탄올 연료 전지(DMFC)를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 연료 전지(210)는 마이크로가공된 칩 스케 일 연료 전지를 포함한다.
하이브리드 전력 모듈(200)에 포함된 연료 전지(210)는 충전가능 배터리 등의 전기 저장 장치(220)와 전기적으로 접속된다. 연료 전지(210)는 또한 커패시터 등의 다른 전자 장치(220)와 결합할 수 있다. 연료 전지(210)는 응용의 필요에 따라 다수의 다른 저장 장치들(220)과 정합될 수 있다. 연료 전지(210)는 또한, 터빈, 태양 전지, 지열 전력 수집기, 및 열전 소자 등의 추가의 전기 전력 생성 장치와 결합할 수 있다. 충전 배터리 등의 전기 저장 장치(220)와 접속되는 경우, 연료 전지(210)는 배터리를 세류(細流) 충전(trickle-charge)하여 센서 네트워크 및 집적 내장형 센서 어셈블리(100)의 필요에 충분히 부합하도록 배터리에 전력을 공급한다. 또한, 세류 충전은 전기 저장 장치(220)의 필드 수명을 크게 늘릴 수 있어서 대체 주파수 및 비용을 저감한다.
이러한 방식으로, 하이브리드 전력 모듈(200)은 트랜스시버(110) 및 센서/검출기(130)에 대한 바람직한 전기 특성을 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 하이브리드 전력 모듈(200)은 특정 센서 네트워크에 바람직한 성능 및 수명을 성취하기 위해 연료 전지 및 에너지 저장 장치의 최적의 조합을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 하이브리드 전력 모듈(200)은 트랜스시버의 평균 및 피크 전류, 충격 계수 및/또는 시스템의 센서 및 저장 용량을 포함한 전기 요건에 부합하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 전력 모듈(200)은 특정 응용을 위해 소정의 전압 및 전류를 최적화하기 위한 충전 제어 회로를 포함할 수 있다. 또한, 하이브리드 전력 모듈(200)은 특정 저장 필요에 부합하면서도 피크 전류 동 작으로부터 연료 전지(210)를 버퍼링하도록 선택되는 저장 장치(210)를 포함할 수 있다.
하이브리드 모듈(200)은 온도 극한 및 습도 등의 여러 환경적 조건에서 안정하면서도 기밀성 및 충격과 변동 저항을 유지하도록 구성될 수 있다. 하이브리드 전력 모듈(200)은 또한 집적 내장형 센서 어셈블리(200)를 위해 소정의 입력 및 출력 접속을 갖고 구성될 수 있다. 더욱이, 하이브리드 모듈(200)은 집적 내장형 센서 어셈블리(100) 및 임의의 관련 센서 네트워크의 요건에 부합하도록 크기화, 형상화 및 패키징 될 수 있다. 이 개시의 전술한 실시예들은 단순히 가능한 실시예를 예시한 것이고, 개시의 원리의 명확한 이해를 위해 설명되었음을 강조한다. 임의의 변형 및 변경이 개시의 사상 및 원리를 실질적으로 벗어나지 않고 이 개시의 전술한 실시예에 대해 수행될 수 있다. 모든 이러한 변경 및 변화는 이 개시의 범위 내에서 포함되도록 의도되고, 이하의 청구범위에 의해 보호된다.

Claims (17)

  1. 내장형 센서 어셈블리로서,
    하이브리드 전력 모듈 - 상기 하이브리드 전력 모듈은 연료 전지 및 전기 저장 장치를 포함함 - 과,
    상기 하이브리드 전력 모듈에 의해 통전되는 트랜스시버와,
    상기 트랜스시버와 통신하도록 구성된 적어도 하나의 센서
    를 포함하는 내장형 센서 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지는 상기 전기 저장 장치와 전기 소통하고, 상기 연료 전지는 상기 전기 저장 장치를 충전하도록 구성된 내장형 센서 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    호스트 컨트롤러를 더 포함하는 내장형 센서 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 호스트 컨트롤러는 특정 메시 망 응용을 위한 특별주문된 컨트롤러인 내장형 센서 어셈블리.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 상기 호스트 컨트롤러에 데이터 및 정보를 전송하도록 구성된 내장형 센서 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스시버는 무선 메시 망과 통신하도록 구성된 내장형 센서 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전기 저장 장치는 충전식 배터리인 내장형 센서 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기 저장 장치는 커패시터인 내장형 센서 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 전력 모듈은 충전 제어 회로를 더 포함하는 내장형 센서 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 하이브리드 전력 모듈에 의해 통전되는 내장형 센서 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 상기 호스트 컨트롤러에 데이터 및 정보를 전송하도록 구성된 내장형 센서 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 환경 데이터, 산업 데이터, 감시 데이터, 기상 데이터 또는 이들의 조합을 수집하도록 구성된 내장형 센서 어셈블리.
  13. 연료 전지와,
    상기 연료 전지와 전기 소통하는 전기 저장 장치
    를 포함하고,
    상기 연료 전지는 상기 전기 저장 장치를 충전하도록 구성된 하이브리드 전력 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연료 전지는 미세가공 연료 전지인 하이브리드 전력 모듈.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 연료 전지는 칩 스케일 연료 전지인 하이브리드 전력 모듈.
  16. 제13항의 하이브리드 전력 모듈에 의해 통전되는 전기 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전기 장치는 무선 트랜스시버인 전기 장치.
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