KR20090005076A - 마이크로 연료 셀에 대한 수소 공급 - Google Patents

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초우다리 알. 코리펠라
데이브 피. 베코
알리슨 엠. 피셔
빌리 제이. 밀란
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모토로라 인코포레이티드
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Abstract

제거 가능하고 소형이면서 효율적인 저장 장치(10)는 수소 연료(36)를 마이크로 연료 셀에 공급하기 위해 연료원(24)과 물을 함유한다. 저장 장치는 연료원 챔버(14)와 복수의 물 챔버들(12)을 정의하는 하우징, 및 물 챔버들(12) 각각 내에 위치한 물을 함유하는 하나 이상의 고분자 결정(22)을 포함한다. 촉매와 혼합된 화학적 수소화물과 같은 연료원(24)은 연료원 챔버(14) 내에 위치되고, 이 때 물 챔버들(12) 각각 내의 물은 선택적으로 고형 연료와 접촉하도록 연료원 챔버(14)로 이동하게 되고, 이로 인해 원하는 유량 레이트와 온도에서 수소 연료(36)를 생성할 수 있다. 도관(32)은 하우징 내에서 생성된 수소 연료(36)를 연료 셀(38)로 공급한다.
연료 셀, 수소 연료, 연료원 챔버, 물 챔버, 밸브, 고분자 결정

Description

마이크로 연료 셀에 대한 수소 공급{HYDROGEN SUPPLY FOR MICRO FUEL CELLS}
본 발명은 일반적으로 마이크로 연료 셀에 관한 것으로, 더욱 특히 마이크로 연료 셀에 수소 연료를 공급하기 위해 연료원과 물을 함유하는 저장 장치에 관한 것이다.
재충전 가능한 배터리는 셀 폰과 그 외 여러 휴대용 전자 장치용 일차 전원이다. 이 배터리에 저장된 에너지는 제한적이다. 이것은 저장 물질의 에너지 밀도 (Wh/L), 그 화학식, 및 배터리의 용량으로 결정된다. 예를 들어, 250Wh/L 에너지 밀도를 갖는 통상의 Li 이온 셀 폰 배터리에 대해서, 10cc 배터리는 2.5Wh의 에너지를 저장한다. 이것은 그 이용량에 따라서 몇 시간에서 며칠 동안 지속할 수 있다. 재충전은 항상 전기적인 아웃렛을 필요로 한다. 제한된 저장 에너지 양과 빈번한 재충전은 배터리 사용에 있어 주요한 불편 사항이다. 셀 폰 전력원에 대해 더 길게 지속하면서 쉽게 재충전하는 해결법의 필요성이 대두되고 있다. 이 필요성을 만족시키는 하나의 방법은 재충전 가능한 배터리를 갖는 하이브리드 전력원 및 배터리를 트리클 (trickle) 충전하는 방법을 갖는 것이다. 에너지 전환 장치가 배터리를 재충전하는 데에 있어 중요한 고려 사항은 전력 밀도, 에너지 밀도, 크기 및 에너지 변환 효율을 포함한다.
태양 셀, 주변 온도 변동을 이용하는 열전기 발전기, 및 자연 진동을 이용하는 압전 발전기과 같은 에너지 발전 방법은 배터리를 트리클 충전하는 데에 있어 매우 매력적인 전력원이다. 그러나, 이들 방법에 의해 형성된 에너지는 적은 양으로, 보통 오직 수 밀리와트로, 필요한 수백 밀리와트의 충분한 전력을 형성하기 위해서는 큰 체적을 필요로 하므로 셀 폰 형태의 응용 분야에는 매력적이지가 않다.
다른 방법은 고에너지 밀도의 연료를 이송하고 이 연료 에너지를 고 효율의 전기 에너지로 변환하여 배터리를 재충전하는 것이다. 고 에너지 밀도를 갖는 방사선 동위 원소 연료가 휴대용 전력원에 대해 조사되고 있다. 그러나, 이 방법에서는 전력 밀도가 낮으며 또한 방사선 물질에는 안전성의 문제가 있다. 이것은 셀 폰 전력원에 대해서가 아니고, 원격 센서 유형의 적용 분야에서 매력적인 전력원이 된다. 그 외 여러 에너지 전환 기술 중에서, 가장 매력적인 것은 고 효율의 에너지 변환 및 고 효율로 소형화하는 가능성의 증명 때문에 연료 셀 기술이 되고 있다.
능동 제어 시스템을 갖는 연료 셀 및 능동 제어 직접 매타놀 또는 개미산 연료 셀 (DMFC 또는 DFAFC), 재형성된 수소 연료 셀 (RHFC) 및 고형 산화 연료 셀 (SOFC)와 같은 고 동작 온도 연료 셀은 복잡한 시스템으로 셀 폰 적용에 필요한 2-5cc 체적으로 소형화하기가 매우 어렵다. 수동적 에어 브레딩 (air breathing) 수소 연료 셀, 수동 DMFC 또는 DFAFC 및 바이오 연료 셀은 이 적용에 매력적인 시스템이다. 그러나, 소형화 문제에 부가하여, 다른 관심사는 수소 연료 셀에 대한 수소 공급, 수동적 DMFC 및 DFAFC에 대한 수명 시간과 에너지 밀도 및 바이오 연료 전지의 수명 시간, 에너지 밀도 및 전력 밀도를 포함한다.
종래의 DMFC 및 DFAFC 디자인은 각 셀에 대해 평면의 스택층을 포함한다. 개별의 셀은 고 전력, 리던던시 및 신뢰도를 위해 적층될 수 있다. 층은 통상 아연, 탄소 또는 탄소 합성물, 고분자 재료, 티타늄과 스테인레스 스틸과 같은 금속, 및 세라믹을 포함한다. 스택 층의 기능적 영역은 구조체를 함께 죄어 합치고 셀을 따라 그 사이에서 연료와 산화제의 통과를 위한 바이어에 의해 대개 그 외주 상에서 제한되게 된다. 부가하여, 평면의 스택 셀은 단면 영역 (x와 y 좌표)에서 연료/산화제의 상호 교환으로부터만 전력을 유도한다.
현재의 셀 폰 배터리 (10cc-2.4Wh)와 동일한 체적의 연료 셀/배터리 하이브리드 전원을 디자인하기 위해서, 고 전력 밀도와 고 효율의 소형 배터리 및 연료 셀 및 고 에너지 밀도 연료 공급이 배터리만의 에너지 밀도 보다 더 큰 전체 에너지 밀도를 성취하는 데에 필요하다. 예를 들어, 폰의 피크 요구를 만족하는 4-5cc (1-1.25Whh) 배터리의 경우, 연료 셀은 1-2cc에 맞출 필요가 있으며, 연료는 나머지 체적를 차지한다. 연료 셀의 전력 출력은 배터리를 합당한 시간에 재충전할 수 있도록 0.5W 이상일 필요가 있다. 소형 연료 셀에 대한 대부분의 개발 활동은 종래의 연료 셀 디자인을 적은 크기로 소형화려고 했으며, 최종 시스템은 셀 폰 적용에는 여전히 너무 크다. 몇 마이크로 연료 셀 개발 활동은 평면 연료 셀 구성의 종래의 실리콘 처리 방법을 이용하고, 몇 경우에는 다공성 실리콘을 이용하여 (표면 영역 및 전력 밀도를 증가시키기 위함) 개시되었다. 예를 들어, 미국 특허/출원 번호 2004/0185323, 2004/0058226, 6,541,149 및 2003/0003347를 참조하라. 그 러나, 에어 브레딩 평면 수소 연료 셀의 전력 밀도는 통상 50-100mW/㎠의 범위에 있다. 500mW를 생성하기 위해서, 5㎠ 이상의 능동 영역을 필요로 한다. 단일의 연료 셀의 동작 전압은 0.5-0.7V의 범위에 있다. 적어도 네개 내지 5개의 셀이 직렬 연결되어 연료 셀 동작 전압을 효율적인 DC-DC 전환을 위해 2-3V 내지 Li 이온 배터리의 충전을 위해 4V로 해야 한다. 따라서, 종래의 평면 연료 셀 방법은 셀 폰 이용을 위해 연료 셀/배터리 하이브리드 전원의 연료 셀에 1-2cc 체적의 조건을 만족할 수 없게 된다. 상술된 특허 출원에서 기재된 3D 마이크로 연료 셀 아키텍쳐는 전력 밀도를 증가시킬 뿐만 아니라 필요한 데로 연료 셀 모듈을 부가하여 전력 출력에 모듈러 방법을 제공하기 위해서 더 많은 표면적을 제공하여 이 문제를 해결하려고 했다. 그러나, 전원에 모든 고 에너지 밀도를 성취하기 위해서, 고 에너지 밀도 연료 공급을 적은 체적에 맞출 필요가 있다.
고 에너지 밀도 연료원과 이 연료 (통상 수소)의 제어 전달은 휴대용 전력 응용, 예를 들어, 셀 폰에 대해 고 에너지 밀도인 마이크로 연료 셀의 개발에 있어 두 중요한 문제가 되고 있다. 압축 실린더, 탄소 나노튜브, 금속 수소화물, 또는 금속 유기 프레임 워크 내의 H2 저장과 같은 수소의 공급을 위해 공지된 옵션 중에서, 수소 저장양은 제한적이며 에너지 밀도는 통상 낮아서 이들은 특정 적용에 있어 경쟁적이지 않다. 화학적 수소화물에서의 수소 저장은 매력적이지만, 화학적 수소화물로부터 수소 가스를 배출하는 방법의 제어가 필요하다. 일단 배출되면, 수소 가스의 저장은 또한 어렵다. 과잉 생성으로 인한 누설 (환경적인 관심사에 부가하여)은 에너지 밀도를 감소시키고, 생성 부족은 연료 셀 출력을 감소시킨다. 따라서, 생성/유량 레이트의 제어가 요망된다. 부가하여, 과잉 생성은 고온을 초래하고 이는 재료의 수명과 사용자 편의에는 바람직하지 않다.
따라서, 마이크로 연료 셀의 제어 방식으로 연료를 공급하기 위해 연료 원과 물을 함유하는 소형의 효율적인 저장 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 더욱, 본 발명의 다른 바람직한 특성과 특징들은 첨부한 도면 및 이 발명의 배경과 관련하여, 이어지는 본 발명의 상세한 설명과 첨부한 청구범위로부터 명백하게 된다.
소형이면서 효율적인 저장 장치는 수소 연료를 마이크로 연료 셀에 공급하기 위해 연료원과 물을 함유한다. 저장 장치는 연료원 챔버와 복수의 물 챔버들을 정의하는 하우징, 및 물 챔버들 각각 내에 위치된 물을 함유하는 하나 이상의 고분자 결정을 포함한다. 촉매와 혼합된 화학적 수소화물과 같은 연료원은 연료원 챔버 내에 위치되고, 이 때 물 챔버들 각각 내의 물은 선택적으로 고형 연료와 접촉하도록 연료원 챔버로 이동하게 되고, 이로 인해 원하는 유량 레이트와 온도에서 수소 연료를 생성할 수 있다. 도관은 하우징 내에서 생성된 수소 연료를 연료 셀로 공급한다.
본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 이하 설명하며, 유사한 부호는 유사한 요소를 가리킨다.
도 1은 예시의 실시예의 상부 단면도.
도 2는 예시의 실시예와 결합한 하이브리드 전력원의 사시도.
도 3은 예시의 실시예의 상부 단면도와 연료 셀의 블럭도.
도 4는 연료원과 물을 혼합하는 공지의 방법에 대한 연료 유량과 온도를 나타내는 그래프.
도 5는 예시의 실시예에 대한 연료 유량과 온도를 나타내는 그래프.
도 6-13은 본 발명의 예시의 실시예에 따라 제조되는 층을 나타내는 부분 단면도.
도 14는 도 13의 부분 단면 상부도.
본 발명의 다음 상세 설명은 단지 예시적인 것으로 본 발명이나 본 발명의 적용 및 이용을 제한하고자 하는 것은 아니다. 더욱, 본 발명의 상기한 배경 또는다음의 본 발명의 상세 설명에서 제시된 이론에 의해 제한하려는 의도가 없다.
고 에너지 밀도의 연료원과 이 연료의 마이크로 연료 셀에 대한 전달 제어가 여기 기재된다. 물은 복수의 챔버 내에서 초흡수성 고분자 결정 또는 하이드로 겔 물질에 저장된다. 이 챔버 각각은 선택적으로 "개방"되어 물이 이동하여 고형 연료와 혼합되어 낮은 온도와 낮은 레이트로 수소를 마이크로 연료 셀에 제공하도록 한다. 연료는 밀도 있고 소형이므로, 공간을 절약할 수 있고, 물은 장기간 저장을 위해 편리하게 패키지된다. 연료 (고형 연료원)의 선택, 마이크로 연료 셀에 필요한 원하는 1-3sccm 속도로 수소 가스를 생성하기 위해 안전한 저속에서 반응이 처리되도록 원하는 데로 개방될 수 있는 제어 밸브에 의해 분리되는 소형 반응실로 패키지된 편리한 유형 (고분자 내에 흡수)의 반응물 (물)이 이 출원에서 설명된다.
가장 장래성 있는 방법은 수소화 붕소나트륨 또는 수소화 붕소리튬와 같은 화학적 수소화물 내의 수소 저장 및 활성인 규산 나트륨이나 그 외 금속과 물의 반응이다. 활성 금속과 물의 반응은 매우 강력하고, 이는 많은 열을 급속히 방출하는 발열 반응으로 반응 속도를 제어하기가 매우 어렵다. 수소의 형성을 위한 수소화 붕소나트륨과 물의 반응은 이 문헌에서 잘 알려져 있다. 예를 들어, H.I Schlesinger, Herbert C. Brown, A.E. Finholt, James R. Gilbreath, Henry R. Hockstra 및 Earl K. Hyde에 의한 "수소화 붕소나트륨, 그 가수 분해 및 이의 환원제로서 수소 형성시의 이용"으로 표제된 논문, J.Am,Chem.Soc; 1955년; 75(1) 215-219는 수소화 붕소나트륨과 물의 반응 및 여러 촉매제의 영향, 및 이 반응에 대한 물의 pH (물에 대한 산의 추가)를 설명한다. 수소화 붕소나트륨 용액과 촉매제의 반응에 의한 수소의 발생이 또한 공지되어 있다. 그러나 이 경우 연료의 에너지 밀도는 희석 연료 용액의 이용으로 낮다. 고 에너지 밀도의 연료원의 디자인을 위해서, 이상적으로 고형 수소화 붕소나트륨 (선택적으로 촉매제와 혼합)과 물의 반응이 바람직하다. 일단 수소가 생성되면 전력을 발생하기 위해 연료 셀에 공급되게 된다. 연료 셀 반응에 충분한 수소만을 공급하도록 수소화 붕소나트륨과 물의 반응 제어가 요구된다. 전력원을 위해 고에너지 밀도를 성취하기 위해, 연료원 (예를 들어, 촉매제와 혼합된 수소화 붕소나트륨)과 물의 완전한 반응이 또한 연료 활성화를 최대화하고 전체 시스템 효율을 증가시키는 데에 바람직하다.
도 1을 참조하면, 예시의 실시예에 따른 저장 장치(10)는 제1 로우(12) 및 제2 로우(14)를 포함한다. 제1 로우(12)는 복수의 챔버(16)를 포함하고 제2 로우는 동일한 복수의 챔버(18)를 포함하고, 여기에서 각 챔버(16)는 챔버들(18) 중 하나와 인접하여 위치되고 멤브레인(20)에 의해 이격되어 있다. 멤브레인(20)은 에를 들어, 전류의 인가로 인해 파괴적으로 개방될 수 있는 재료를 포함한다. 멤브레인(20)은 예를 들어, 열가소성 물질을 포함한다. 챔버(16 및 18)의 나머지 측면은 바람직하게 플라스틱 재료를 포함하지만, 내부에 저장된 재료를 함유하게 되는 경량의 단단한 재료를 포함할 수도 있다.
도 2는 예시의 실시예에 따른 하이브리드 전원(21)의 사시도로서, 연료 셀(38) (1cc 차지), 저장 장치(10) (4cc), 배터리(23) (3cc) 및 선택적인 수퍼 커패시터(25) (1cc, 배터리(23)는 2cc를 차지함) 모두가 셀 폰 적용시 이용되는 Li 이온 배터리에 통상적인 8cc 체적에 맞는다. 도 2에 나타낸 구성에서, 6개의 셀(27)이 직렬 접속된다. 각 셀에 대한 목표의 동작 전압은 0.7V로 총 출력 전압은 6×0.7V=4.2V이다. 총 출력 전류가 0.125A이면, 총 목표의 전력 출력은 0.125A×4.2V=0.525W. 연료 셀 스택으로부터 125mA 전류를 생성하기 위해서, 필요한 수소의 몰수는 It/zF=(0.125A×60sec)/(2*96,487)=3.89×10-5몰
여기에서 I=전류 암페어
t= 시간 초
z=반응에 참여하는 전자의 수 (이 경우 2)
F= 패러데이 상수 (96,485)
또는 0.87sccm의 H2 유량이다. 연료 셀이 50% 효율로 동작하고 있으면, 1.74sccm의 H2가 필요하다.
로우(12)의 챔버(16) 각각은 하나 이상의 고분자 결정(22), 예를 들어, 내부에 물을 저장하고 있는 폴리아크릴아미드 결정을 갖는다. 로우(14)의 챔버(18) 각각은 내부에 연료원(24)을 저장하고 있다. 연로원은 바람직하게 수소화 붕소나트륨(NaBH4) 분말과 촉매체 산화 붕소 (B2O3) 분말의 혼합물을 포함하는 고형 연료 펠릿을 포함하지만, 연료 및 수소를 생성하도록 물과 조합되는 촉매제, 예를 들어 수소화 붕소나트륨(NABH4) 및 염화 코발트 (CoCl2)의 조합을 포함한다. 고형 연료 펠릿이 연로원(24)를 저장하는 편리한 방법이지만, 이 연료는 분말, 겔, 또는 액체를 포함하여 어느 유형으로나 저장될 수 있다. 더욱, 연료원이 복수의 챔버(18)에 저장되지만, 다른 실시예에서는 복수의 챔버(16)에 결합되는 연료원을 함유하는 단일의 챔버를 포함할 수 있다.
멤브레인(20)이 챔버들 중 하나(16)에서 개방되면 (후술되는 방식으로), 그 내부에 위치된 고분자 결정(22)에 저장된 물이 이동하여 인접한 챔버(18)의 연료원(24)와 혼합되게 된다. NaBH4 와 B2O3의 혼합으로 분말 산화 붕소나트륨 (NaBO2)와 수소(H2)가 생성되게 한다.
연료 셀 장치 내의 저장 장치(10)를 활성화하는 일 방법의 예를 도 3에 나타낸다. 논리 회로(26)는 복수의 도체(311 내지 30n)를 포함하고, 이들 중 두개 각각 은 멤브레인(20) 중 각각의 것과 결합되고, 이를 통해 인가되는 전류는 두 챔버 사이의 밸브를 개방하게 되어 물이 수소화 붕소나트륨 연료와 작용하게 한다. 밸브는 전자기적, 정전기적, 또는 파괴적으로 저항력 있는 방법에 의해 동작되도록 설계될 수 있으며, 예를 들어 열이 저용융점 밸브 재료를 용해시켜 멤브레인의 갭을 개방한다. 더욱 상세히, 전압이 도체(301 및 302) 양단에 인가되면, 전류는 이들 사이에 결합된 멤브레인(20)을 통해 흐르게 되어, 멤브레인을 "개방"시킨다. 챔버(18)에 인접하여 위치된 도관(32)은 개구(34)를 통해 연료원과 물의 화학적인 혼합 반응에 의해 생성된 수소를 수용한다. 도관은 연료 셀(38)에 수소(36)를 공급한다. 센서(42)는 연료 셀(38)의 전류가 임계치 이하로 감소될 때를 감지하고, 이에 의해 논리 회로(26)는 다른 쌍의 도체, 예를 들어 301-30n 양단에 전압을 인가하여 다른 세트의 챔버(12 및 14) 사이의 다른 멤브레인(20)를 개방시켜 부가의 수소를 연료 셀(38)에 공급한다.
물방울을 고형 연료에 인가하는 이미 공지된 방법 중 하나는 도 4에서 나타낸 수소 유량(50)과 온도(52)를 보여준다. 이 공지의 예에서 온도(52)는 80℃를 초과하고 유량(50)은 일분 당 약 200 표준 입방 센티미터 (sccm)에서 하나의 피크를 가지며, 여기에서 "표준"은 200초의 주기 동안 0℃와 760Torr로 참조된다. 여기 기재된 예시의 실시예의 유량 레이트(54)와 온도(56)를 나타내는 그래프를 도 5에 나타낸다. 온도(56)는 31℃ 이하를 유지하고 유량 레이트(54)는 일반적으로 3.5sccm 이하를 유지하고, 더욱 일반적으로는 몇 시간의 주기 동안 더 낮아진다. 예시의 실시예가 연료와 물 사이에 반응 속도를 제어하고, 이로 인해 예를 들어, 저온에서 약 1.0 내지 3.0sccm의 원하는 속도를 유지한다는 것을 알 수 있다. 이 예시의 실시예에서, 고분자 결정으로부터 흡수된 물의 형태로 물을 제공함으로써, 수소화 붕소나트륨 연료 펠릿과 물의 반응률은 확산 제어되어, 과도한 온도 형성 없이 한결같은 느린 수소 배출을 유지한다. 사람이 가지고 다니도록 설계되고 적은 체적에 알맞게 디자인된 소비자 제품의 경우, 과도한 온도는 바람직하지 않다. 수소 발생율을 원하는 연료 셀 소모률에 맞추게 되면 연료 셀에 의해 소모될 때 까지 수소의 누설 (안전상 위험) 및 수소 가스의 어려운 저장 문제가 제거된다. 반응물을 적은 양으로 개별 저장함으로써, 너무 많은 수소 가스의 뜻하지 않는 배출이나 과도한 온도 형성이 제거된다. 예시의 실시예는 연료 셀을 필요로 할 때에만 전력을 형성하도록 기동시키는 유연성을 제공한다. 연료 셀에 의해 전력이 공급되고 있는 전자 장치가 대기 모드이어서 너무 많은 전력이 필요로 하지 않으면, 연료 셀로부터 전력을 생성할 필요가 없으며 수소 가스를 생성할 필요가 없다. 다른 작은 챔버에서의 다른 연료 반응은 수소원이 필요할 때 까지 중지되게 된다.
도 6-14는 상술된 예시의 실시예를 이용할 수 있는 실리콘, 유리, 세라믹, 플라스틱 또는 유연성 기판 상에서 반도체 프로세스로 마이크로 연료 셀(38)을 제조하는 예시의 프로세스를 설명한다. 도 6을 참조하면, 티타늄의 박층(114)은 기판(112) 상에 적층되어 후속의 금속화 층에의 접착을 제공하고 또한 전기적 이면층 (I/O 연결부용, 전류 트레이스)일 수 있다. 이 층(114)은 10-1000Å의 범위의 두께를 가지지만, 바람직하게는 100Å이다. 티타늄 이외의 금속은 예를 들어, 탄탈 륨, 몰리브뎀, 텅스텐, 크로뮴이 이용될 수 있다. 제1 금속층(116)은 양호한 도전을 위해 층(114)에 적층되고 바람직하게는 연료 셀의 동작 동안 보이는 산화 환원 분위기에서 더욱 적당한 희귀 금속이기 때문에 금이 바람직하다.
도 7을 참조하면, 금 층(116)은 후술되는 원소에의 접촉을 제공하기 위해 패터닝 및 에칭되고 (다르게, 리프트 오프 프로세스가 이용될 수 있음), 산화층(118)이 그 위에 적층된다. 제2 금속층(120), 예를 들어, 금이 층(118) 상에 적층되고 후술되는 원소에의 접촉을 제공하기 위해 패터닝 및 에칭된다. 층(116)은 100Å-1.0 마이크로미터의 범위의 두께를 가지지만, 1000Å이 바람직하다. 금이 아닌 제1 및 제2 금속층의 금속은 예를 들어, 플라티늄, 은, 팔라듐, 루테늄, 니켈, 구리를 포함한다. 다음에 바이어(115)가 형성되어 금층(116)과 유전층(118)의 표면(119)과의 전기적 접촉을 가져오도록 금속으로 충전된다.
두 개의 금속, 예를 들어, 은/금, 구리/은, 니켈/구리, 구리/코발트, 니켈/아연 및 니켈/철의 합금을 포함하며 100-500um의 범위의 두께를 가지지만 바람직하게 200um인 다중 금속층(122)이 층(116)에 적층된다. 다중 금속층(118)은 금속중 하나를 제거하도록 습식 에칭되어, 다공성 재료를 남긴다. 다공성 금속층은 템플레이트된 자기 조립 성장 또는 솔-겔 방법과 같은 다른 방법에 의해 형성될 수 있다. 유전층(120)은 층(118)에 적층되고 레지스트층(122)은 유전층(120) 상에 이 산업 분야에서 잘 알려진 방법으로 패터닝된다.
도 8을 참조하면, 두 금속, 예를 들어, 은/금, 구리/은, 니켈/구리, 구리/코발트, 니켈/아연 및 니켈/철의 합금을 포함하고, 100-500um 범위의 두께를 가지지 만 200um가 바람직한 다중 금속층(122)은 금속층(120) 및 산화층(118) 위의 시드층 (도시 생략)에 적층된다. 유전층(124)는 다중 금속층(122) 상에 적층되고 레지스트 층(126)은 패터닝되어 유전층(124) 상에 에칭된다.
도 9-10를 참조하면, 화학적 에칭을 이용하여, 레지스트 층(126)에 의해 보호되지 않는 유전층(124)은 제거된다. 다음에, 레지스트층(126)이 제거된 후, 유전층(124)에 의해 보호되지 않은 다중 금속층(122)은 중앙 애노드(129)(내부) 및 애노드를 둘러싸면서 이와 캐비티(131)에 의해 이격되는 중심 캐소드(130) (외부)를 포함하는 받침대(128)를 형성하도록 제거된다. 받침대(128)는 10 내지 100미크론의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 각 받침대(128) 간의 거리는 예를 들어, 10 내지 100미크론이다. 다르게, 애노드(129)와 캐소드(130)는 템플레이트 프로세스에 의해 동시에 형성된다. 이 프로세스에서, 이 기둥은 포토레지스트 또는 그 외 템플레이트 프로세스를 이용하여 제조되게 되고 이어서 기둥 주위에 다중층 금속 증착이 이어져, 도 10에 나타낸 구조체를 형성하게 된다. 여기에서 사용되는 동심은 공통의 중심을 갖는 구조체를 의미하지만, 애노드, 캐소드 및 캐소드 벽은 어느 형태나 가능하며 원에만 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 받침대(128)는 다르게 직교 트렌치를 에칭하여 형성될 수 있다.
측벽(132)은 CVD, PVD 또는 전기 화학적 방법과 같은 와시 코드 또는 그 외 증착법에 의해 애노드와 캐소드 연료 셀 반응을 위한 전기 화학적 촉매로 코팅된다 (도 11). 캐핑층(136)이 형성되고 (도 12) 전해 물질(134) 위에 패터닝되기 (도 13) 전에, 층(114 및 116)은 기판(112)으로 에칭 다운되고 전해 물질(134)은 캐비 티(131)에 위치된다. 다르게, 전해 물질(134)은 예를 들어, 퍼플루오르 술폰산 (Nafion®), 인산, 또는 이온성 액체 전해물을 포함한다. 퍼플루오르 술폰산은 가습시 실온에서 매우 양호한 이온 도전률 (0.1S/cm)를 갖는다. 전해 물질은 또한 비스트리플루오르메탄 술포닐 및 이미다졸의 혼합물, 에틸암모늄니트레이트, 디메틸암모늄니트레이트의 메티암모늄니트레이트, 에틸암모늄니트레이트 및 이미다졸의 혼합물, 에틸암모늄히드로겐술페이트 및 이미다졸의 혼합물, 플루오르술폰산 및 트리플루오르메탄 술폰산과 같은 프로톤 전도성 이온 액체일 수 있다. 액체 전해물의 경우, 캐비티는 전해물이 누설되지 않도록 캐핑될 필요가 있다.
바이어 또는 캐비티(138)는 화학적 에칭 (습식 또는 건식) 방법에 의해 기판(112)에 형성된다 (도 12). 다음에, 화학적 또는 물리적 에칭법을 이용하여, 바이어(138)는 층(114 및 116)을 통해 다중 금속층(122)으로 연장된다.
도 14는 도 5-13를 참조하여 설명되는 방법으로 제조된 인접하는 연료 셀의 상부도이다. 실리콘 기판(112), 또는 마이크로 연료 셀을 함유하는 기판은 캐비티(138)에 수소를 전송하기 위해 구조체(140) 상에 위치된다. 구조체(140)는 예를 들어, 세라믹 재료에 형성된 캐비티나 일련의 캐비티 (예를 들어, 튜브 또는 통로)를 포함한다. 수소는 다음에 캐비티(138) 위에 교차하는 다중 금속층(122)의 수소 섹션(142)에 들어가게 된다. 이 섹션(142)이 유전층(120)으로 캐핑되기 때문에, 수소는 이 섹션(142) 내에 유지되게 된다. 산화제 섹션(144)이 주변 공기에 개방되어 공기 (산소 포함)가 산화제 섹션(144)에 들어가게 한다.
캐비티(134)를 전해 물질로 채운 후에, 애노드 (수소 피드(feed))와 캐소드 (공기 브레딩) 간에 물리적 장벽을 형성하게 된다. 가스 매니폴드(manifold)는 수소 가스를 모든 애노드 영역에 공급하기 위해 저부 패키징 기판 내에 만들어진다. 이것은 상부(136)에 캐핑되기 때문에, 막힘형 애노드 피드 구성 연료 셀와 같게 된다. 도 1-3에 기재된 연료원은 연료 셀 패키지에 적합하며 연료원으로부터의 H2 가스 출구는 연료 셀의 연료 입구에 결합된다. 수소화 붕소나트륨 연료와 물의 반응은 원하는 속도로 수소를 생성한다. 수소 가스를 형성한 후, 부산물 NaBO2와 고분자 결정은 제거 가능한 연료 카트리지에 남겨지게 된다. 새로운 연료 카트리즈는 원하는 데로 수소 가스를 공급하기 위해 전원 내에 삽입될 수 있다. 마이크로 연료 셀에 필요한 원하는 1-3sccm 속도로 수소 가스를 생성하도록 안정된 저속에서 반응이 진행하도록 하기 위해 원하는 데로 개방될 수 있는 제어식 밸브에 의해 이격된 작은 반응실 내에 패키지되는 편리한 유형 (고분자에 흡착)의 연료 (고형 연료원)와 그 외 반응물 (물)의 선택이 여기 개시되었다.
적어도 하나의 예시의 실시예가 본 발명의 상술한 상세 설명에서 제시되었지만, 다수의 변형들이 존재한다는 것이 이해될 것이다. 또한 예시의 실시예는 오직 예시적인 것으로, 본 발명의 영역, 적용성 또는 구성을 어느 식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다. 그보다, 상술한 상세 설명은 본 발명의 예시의 실시예를 구현하기 위한 편리한 로드뱁을 당업자에게 제공하므로, 첨부한 청구범위에서 기재된 본 발명의 영역에서 벗어나지 않고 예시의 실시예에서 기재된 요소의 기능과 구성에 여러 변형을 실행할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (21)

  1. 연료를 연료 셀에 공급하기 위해 연료원과 물을 저장하기 위한 저장 장치에 있어서:
    연료원 챔버와 복수의 물 챔버를 정의하는 하우징;
    상기 물 챔버들 각각 내에 위치한 물을 함유하는 적어도 하나의 고분자 결정;
    상기 연료원 챔버 내에 위치한 고형 연료 - 상기 물 챔버 각각 내의 상기 물은 선택적으로 상기 고형 연료와 접촉하도록 상기 연료원 챔버로 이동하여 원하는 유량 레이트(flow rate) 및 온도에서 상기 연료를 생성하게 함 -; 및
    상기 하우징 내에서 생성된 상기 연료를 상기 연료 셀로 공급하기 위한 도관
    을 포함하는 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료원 챔버는 복수의 연료원 챔버들을 포함하고, 상기 고형 연료는 상기 연료원 챔버들 각각 내에 위치되는 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고형 연료는 화학적 수소화물(chemical hydride)을 포함하는 저장 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고형 연료는 수소화 붕소나트륨(sodium borohydride) 을 포함하는 저장 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고형 연료는 또한 촉매제를 포함하는 저장 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 물 챔버들 각각과 상기 연료 챔버 사이에 위치한 밸브를 더 포함하는 저장 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밸브는 전자기적, 정전기적, 또는 저항식 방법으로 활성화되는 저장 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 밸브들 각각에 연결된 전기 도체를 더 포함하는 저장 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연료 셀에 결합되어 상기 연료 셀의 전기 출력이 임계치를 초과하는지의 여부를 판정하고 이에 의해 상기 물을 상기 연료원에 공급하기 위해 상기 물 챔버들 중 하나를 선택하는 회로를 더 포함하는 저장 장치.
  10. 연료 셀에 있어서:
    연료원 챔버와 복수의 물 챔버를 정의하는 하우징;
    상기 물 챔버들 각각 내에 위치한 물을 함유하는 적어도 하나의 고분자 결 정;
    상기 연료원 챔버 내에 위치한 고형 연료 - 상기 물 챔버 각각 내의 상기 물은 선택적으로 상기 고형 연료와 접촉하도록 상기 연료원 챔버로 이동하여 원하는 유량 레이트 및 온도에서 상기 연료를 생성하게 함 -; 및
    상기 하우징 내에서 생성된 상기 연료를 상기 연료 셀로 공급하기 위한 도관
    을 포함하는 저장 장치와,
    상기 연료 셀의 상기 전기 출력이 임계치를 초과할 때를 감지하기 위한 센서와,
    상기 초과된 임계치에 응답하여, 상기 물 챔버들 중 하나를 선택하고 그 내부의 물이 상기 연료원으로 이동하도록 하는 논리 회로
    를 포함하는 연료 셀.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연료원 챔버는 복수의 연료원 챔버를 포함하고, 상기 고형 연료는 상기 연료원 챔버들 각각 내에 위치되는 연료 셀.
  12. 제10항에 있어서, 상기 고형 연료는 화학적 수소화물을 포함하는 연료 셀.
  13. 제10항에 있어서, 상기 고형 연료는 수소화 붕소나트륨을 포함하는 연료 셀.
  14. 제13항에 있어서, 상기 고형 연료는 또한 촉매제를 포함하는 연료 셀.
  15. 제10항에 있어서, 상기 복수의 물 챔버들 각각과 상기 연료 챔버 사이에 위치한 밸브를 더 포함하는 연료 셀.
  16. 제15항에 있어서, 상기 밸브는 전자기적, 정전기적, 또는 저항식 방법으로 활성화되는 연료 셀.
  17. 제10항에 있어서, 상기 밸브들 각각에 연결된 전기 도체를 더 포함하는 연료 셀.
  18. 제10항에 있어서, 상기 연료 셀에 결합되어 상기 연료 셀의 전기 출력이 임계치를 초과하는지의 여부를 판정하고 이에 의해 상기 물을 상기 연료원에 공급하기 위해 상기 물 챔버들 중 하나를 선택하는 회로를 더 포함하는 연료 셀.
  19. 연료를 연료 셀에 공급하는 방법에 있어서:
    상기 연료 셀의 전기 출력이 임계치를 초과할 때를 감지하는 단계와,
    물을 함유하는 적어도 하나의 고분자 결정을 포함하는 복수의 물 챔버들 중 하나를 선택하는 단계;
    상기 물이 상기 선택된 물 챔버로부터 촉매와 혼합된 화학적 수소화물을 포함하는 연료원으로 이동하도록 야기하는 단계;
    상기 물과 상기 연료원의 혼합으로부터 상기 연료를 생성하는 단계; 및
    상기 연료를 상기 연료 셀에 공급하는 단계
    를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 연료원은 복수의 연료원 챔버들 내에 저장되고, 상기 고형 연료는 상기 연료원 챔버들 각각 내에 위치되며, 상기 야기하는 단계는, 상기 선택된 물 챔버로부터 물이 상기 복수의 연료원 챔버들 중 하나에 이동하도록 야기하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 연료 셀의 전기 출력이 임계치를 초과하는지를 검출하는 단계; 및
    상기 물 챔버들 중 하나를 선택하여, 상기 물을 상기 연료원에 공급하는 단계를 더 포함하는 방법.
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