KR20230040449A - Fabric-based fluid fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 패브릭 기반 유체 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연료전지의 장시간 구동이 가능하도록 성능을 향상시키기 위한 패브릭 기반 유체 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fabric-based fluid fuel cell and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a fabric-based fluid fuel cell for improving the performance of a fuel cell to enable long-term operation.
웨어러블 디바이스의 수요가 증가함에 따라 구부러지거나 휘어지는 기계적인 변형에도 안정된 구동을 할 수 있는 전력원이 주목을 받고 있다. 이에 유연한(flexible) 성질을 갖으며 저비용, 고효율인 종이기반 전기화학 마이크로 유체 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. As the demand for wearable devices increases, a power source capable of stably driving even under bending or bending mechanical deformation is attracting attention. Accordingly, research on paper-based electrochemical microfluidic fuel cells, which have flexible properties and are low-cost and high-efficiency, is being actively conducted.
그러나, 종이기반 전기화학 마이크로 유체 연료전지는 종이 기반 제작이기 때문에 지속시간이 짧고, 노광 공정을 통한 유로 제작과정에서 감광제의 경화로 인해 소수성 영역의 유연성(flexible)이 저하되는 문제가 있다. 또한, 선행 연구에서 nanowire, 랩 등으로 전극을 부착하는데, 이는 접촉저항을 증가시켜 전력손실을 발생하는 문제가 있다. However, since the paper-based electrochemical microfluidic fuel cell is manufactured on a paper basis, the duration is short, and the flexibility of the hydrophobic region is deteriorated due to the curing of the photoresist in the process of manufacturing a flow path through an exposure process. In addition, in previous studies, electrodes are attached with nanowires, wraps, etc., which increases contact resistance and causes power loss.
종래의 지속시간이 짧은 문제, 감광제의 경화로 인해 유연한(flexible) 성질이 저하되는 문제, 전력손실이 발생하는 문제를 해결하기 위한 연료전지를 필요로 하였다.A fuel cell was required to solve the problems of a conventional short duration, deterioration of flexible properties due to curing of a photoresist, and power loss.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 연료전지의 장시간 구동이 가능하도록 성능을 향상시키기 위한 패브릭 기반 유체 연료전지에 관한 것이다.A technical problem to be achieved by the present invention is to solve this problem, and relates to a fabric-based fluid fuel cell for improving performance so that the fuel cell can be driven for a long time.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지는, 패브릭으로 형성된 본체부와, 상기 본체부에 형성되며, 유체가 유동하는 유로부와, 상기 유로부와 일부가 연결되도록 상기 본체부의 외측면에 인쇄되는 한 쌍의 전극부와, 유체가 흡수되지 않는 성분으로 구성되며, 상기 본체부의 외측면에 도포되어 상기 유로부를 형성하는 코팅부를 포함한다. The fabric-based fluid fuel cell of the present invention includes a body portion formed of fabric, a flow path portion formed in the body portion through which fluid flows, and a pair printed on the outer surface of the body portion so that a part of the flow passage portion is connected. It consists of an electrode part and a component that does not absorb fluid, and includes a coating part applied to the outer surface of the body part to form the flow path part.
상기 전극부는 상기 본체부의 상면에 인쇄되는 제1 전극부와 상기 본체부의 하면에 인쇄되는 제2 전극부를 포함할 수 있다. The electrode part may include a first electrode part printed on an upper surface of the body part and a second electrode part printed on a lower surface of the body part.
상기 제1 전극부와 제2 전극부는 미리 설정된 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다.The first electrode part and the second electrode part may be formed to be spaced apart from each other by a preset distance.
상기 한 쌍의 전극부는 상기 본체부의 서로 다른 면에 중첩되도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. The pair of electrode parts may be formed to overlap each other on different surfaces of the body part.
상기 한 쌍의 전극부는 상기 본체부에 상기 유로부를 중심으로 대칭을 이루도록 위치할 수 있다. The pair of electrode parts may be positioned symmetrically about the flow path part in the body part.
상기 코팅부는 아크릴(Acrylic) 성분을 포함할 수 있다.The coating part may include an acrylic component.
상기 코팅부는 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 유성잉크(oiliness ink, Schmierfδhigkeit ink) 성분 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The coating part may include at least one of polydimethylsiloxane (PDMS) or oiliness ink (Schmierfδhigkeit ink) component.
상기 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법은, 패브릭 기반의 본체부를 마련하는 단계와, 상기 본체부의 외측면에 한 쌍의 전극부를 인쇄하는 단계와, 상기 본체부의 외측면에 코팅액을 분사하여 유체가 유동하는 유로부를 형성하는 단계를 포함한다.The fabric-based fluid fuel cell manufacturing method of the present invention includes the steps of preparing a fabric-based main body, printing a pair of electrodes on the outer surface of the main body, and spraying a coating liquid on the outer surface of the main body to produce a fluid. and forming a flow path portion through which the is flowing.
상기 전극부를 인쇄하는 단계는, 상기 본체부의 상면에 제1 전극부를 인쇄하고, 상기 본체부의 하면에 제2 전극부를 인쇄할 수 있다.In the printing of the electrode part, the first electrode part may be printed on the upper surface of the body part, and the second electrode part may be printed on the lower surface of the body part.
상기 전극부를 인쇄하는 단계는, 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부가 미리 설정된 간격을 가지도록 상기 본체부에 인쇄할 수 있다. In the printing of the electrode part, the first electrode part and the second electrode part may be printed on the body part so as to have a preset interval.
상기 전극부를 인쇄하는 단계는, 상기 한 쌍의 전극부가 상기 본체부의 서로 다른 면에 중첩되도록 인쇄할 수 있다. In the printing of the electrode parts, the pair of electrode parts may be printed so as to overlap each other on different surfaces of the main body part.
상기 전극부를 인쇄하는 단계는, 상기 한 쌍의 전극부가 상기 유로부를 중심으로 상기 본체부의 서로 다른 면에 대칭을 이루도록 인쇄할 수 있다.In the printing of the electrode parts, the pair of electrode parts may be printed symmetrically on different surfaces of the body part with respect to the flow path part.
상기 유로부를 형성하는 단계에서, 상기 코팅부는 아크릴(Acrylic) 성분을 포함할 수 있다. In the step of forming the flow path part, the coating part may include an acrylic component.
상기 유로부를 형성하는 단계에서, 상기 코팅액은 다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 유성잉크(oiliness ink) 성분 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In the step of forming the flow path part, the coating solution may include at least one of a dimethylsiloxane (PDMS) or an oiliness ink component.
본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지는 유연한 성질을 유지할 수 있다.The fabric-based fluid fuel cell of the present invention can maintain a flexible property.
또한, 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지는 친환경적이고, 제품 양상 과정에서 대량생산이 가능하며, 제작비용을 최소화할 수 있는 특징이 있다.In addition, the fabric-based fluid fuel cell of the present invention is environmentally friendly, can be mass-produced in the process of product aspects, and has characteristics that can minimize manufacturing costs.
또한, 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지는 전력 손실을 감소시키고, 지속시간을 개선할 수 있는 특징이 있다. In addition, the fabric-based fluid fuel cell of the present invention has the characteristics of reducing power loss and improving duration.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지의 정면도이다.
도 2는 도 1의 패브릭 기반 유체 연료전지를 A-A선을 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지의 정면이다.
도 4는 도 3의 패브릭 기반 유체 연료전지를 A-A선으로 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지의 도면이다.
도 6은 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법의 순서도이다.
도 7은 도 6에서 전극부를 인쇄하는 것을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 6에서 코팅액을 분사하여 유로부를 형성하는 것을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 6에서 복수 개의 유체 연료전지를 커팅하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 패브릭 종류에 따른 시간대별 OCV값을 나타내는 그래프이다.
도 11은 패브릭 종류에 따른 최대전류밀도 값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 패브릭 종류에 따른 최대전력밀도 값을 나타내는 그래프이다.
도 13은 전극부 형상에 따른 시간대별 OCV 값을 나타내는 그래프이다.
도 14는 전극부 형상에 따른 Linear-sweep 측정 그래프와, 최대전력밀도와 최대전류밀도를 나타내는 그래프이다.
도 15는 전극부 형상에 따른 EIS 그래프이다.
도 16은 산성전해질과 염기성전해질에 따른 시간대별 OCV 값을 나타내는 그래프이다.
도 17은 산성전해질에 따른 Linear-sweep 측정 그래프와, 최대전력밀도와 최대전류밀도를 나타내는 그래프이다.
도 18은 염기성전해질에 따른 Linear-sweep 측정 그래프와, 최대전력밀도와 최대전류밀도를 나타내는 그래프이다.
도 19는 산성전해질과 염기선전해질에 따른 EIS 그래프이다.
도 20은 stop flow 상태의 지속시간 그래프이다.
도 21은 Continuous Flow 상태의 지속시간 그래프이다.1 is a front view of a fabric-based fluid fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the fabric-based fluid fuel cell of FIG. 1 taken along line AA.
3 is a front view of a fabric-based fluid fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the fabric-based fluid fuel cell of FIG. 3 taken along line AA.
5 is a diagram of a fabric-based fluid fuel cell according to another embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a fabric-based fluid fuel cell manufacturing method according to the present invention.
FIG. 7 is a view for explaining in detail the printing of the electrode part in FIG. 6 .
FIG. 8 is a view for explaining in detail the formation of the flow path portion by spraying the coating liquid in FIG. 6 .
FIG. 9 is a view for explaining an example of cutting a plurality of fluid fuel cells in FIG. 6 .
10 is a graph showing OCV values for each time period according to fabric types.
11 is a graph showing maximum current density values according to fabric types.
12 is a graph showing maximum power density values according to fabric types.
13 is a graph showing OCV values for each time period according to the shape of the electrode part.
14 is a graph showing a linear-sweep measurement graph according to the shape of an electrode part and a maximum power density and a maximum current density.
15 is an EIS graph according to the shape of the electrode part.
16 is a graph showing OCV values at different times according to an acidic electrolyte and a basic electrolyte.
17 is a linear-sweep measurement graph according to an acidic electrolyte and a graph showing maximum power density and maximum current density.
18 is a linear-sweep measurement graph according to basic electrolyte and a graph showing maximum power density and maximum current density.
19 is an EIS graph according to an acidic electrolyte and a basic electrolyte.
20 is a graph of the duration of a stop flow state.
21 is a graph of the duration of a Continuous Flow state.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete and those skilled in the art in the art to which the present invention belongs It is provided to fully inform the person of the scope of the invention, and the invention is defined only by the claims. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 유연성을 가지고 외부동력원 없이 모세관현상을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지이다. 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 유체가 유동하는 마이크로 유체 채널(도 1의 유로부(30)) 제작 시 감광제 대신 방수 스프레이를 사용하여 마이크로 유체 채널의 유연한 성질의 유지가 가능한 특징이 있다. The fabric-based
또한, 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 패브릭 기반으로 연속 흐름 타입(continuous flow type)의 구조를 포함하여, 친환경적이며 제작비용이 저렴하고, 유체 연료전지의 단점인 짧은 지속시간이 개선 가능한 특징이 있다. In addition, the fabric-based
본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 스크린 프린팅(screen printing) 방식으로 전극을 인쇄하여 종래의 마이크로 유체 연료전지에서 전극 부착에 의한 전력 손실을 감소시킬 수 있으며, 단층 제작 구조로 인해 제품 양산 과정에서 대량생산이 가능한 특징이 있다.The fabric-based
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지 및 제조방법에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the fabric-based fluid fuel cell and manufacturing method of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 to 9 .
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지에 대해 설명하도록 한다.Referring to FIGS. 1 and 2 , a fabric-based fluid fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지의 정면도이고, 도 2는 도 1의 패브릭 기반 유체 연료전지를 A-A선을 절단한 단면도이다.1 is a front view of a fabric-based fluid fuel cell according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the fabric-based fluid fuel cell of FIG. 1 taken along line A-A.
패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 본체부(10)와, 본체부(10)의 서로 다른 면에 인쇄되는 한 쌍의 전극부(20)와, 본체부(10)에 형성되어 유체가 유동하는 유로부(30)와, 유체가 흡수되지 않는 성분으로 구성되며 본체부(10)의 서로 다른 면에 도포되어 유로부(30)를 형성하는 코팅부(40)를 포함한다.The fabric-based
이하, 각 구성요소에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, each component will be described in detail.
본체부(10)는 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 하우징을 형성하는 것으로, 모세관현상에 의해 유체의 흡수가 가능한 패브릭과 같은 섬유제품(직물, 편물, 부직포 등)으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본체부(10)는 Paper(Fiter paper Cat.1001-150, Whatman, 0.15mm, UK), Cotton(Sixty-naked cotton, 0.12mm, Chungage, Korea), Flannel(Cotton recruitment organization, 0.3mm, 1000nara, Korea), Span blend(Span stretch, 0.3mm, Makefabric, Korea), Polyester blend(Prism stripe, 0.15mm, Decotop, Korea) 등으로 이루어져 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 기판을 형성할 수 있다.The
본체부(10)에는 전극부(20), 유로부(30), 코팅부(40)가 형성될 수 있다.An
전극부(20)는 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 전극을 형성한다. 전극부(20)는 그래핀 혼합액에 촉매제를 섞은 전극액(도 7b의 23, 24 참조)이 본체부(10)의 서로 다른 면에 스크린 인쇄(screen printing) 방식으로 인쇄되어 형성될 수 있다. 전극부(20)는 본체부(10)의 서로 다른 상면과 하면에 각각 형성되는 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)를 포함한다.The
본 명세서 상에서의 '상면'은 도 2의 단면도를 기준으로 본체부(10)의 상측에 위치하는 면을 의미한다. 또한, '하면'은 도 2에서 본체부(10)를 기준으로 본체부(10)의 하측에 위치하는 면을 의미한다.'Upper surface' in this specification means a surface located on the upper side of the
제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 양극 전극(Anolyte)과 음극 전극(Catholyte)으로, 후술할 유로부(30)와 적어도 일부가 연결되도록 본체부(10)의 상하면에 인쇄될 수 있다. 이때, 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 도 2에서와 같이 본체부(10)의 상하면에 중첩 형성되지 않고 서로 어긋나도록 형성될 수 있다. 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 유로부(30)를 중심으로 대칭을 이루도록 형성될 수 있으며, 본체부(10)를 도 1의 B-B선으로 접을 경우, 서로 중첩될 수 있다. The
제1 실시예에서의 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 본체부(10)를 중심으로 상하면에 서로 중첩되지 않고 어긋나도록 배치되는 것을 예로 들어 설명하였다. 다만, 이에 한정되지 않고 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 본체부(10)의 상하면에 중첩 형성될 수도 있으며, 이와 관련하여 제2 실시예에서 구체적으로 설명하도록 한다.The
제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 본체부(10)의 상하면에 서로 미리 설정된 간격을 가지도록 인쇄될 수 있다. 여기서, 미리 설정된 간격이라 함은, 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)가 서로 간섭하여 저항이 생기지 않는 최소한의 간격을 의미한다. The
본 명세서 상에서의 유체 연료전지는 패브릭 기반의 본체부(10)를 사용하여 종이와 달리 약간의 두께를 가지고 있으나, 본체부(10)의 서로 다른 면에 인쇄하는 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)의 구조를 포함하여 양극 전극과 음극 전극의 거리를 최소화할 수 있다. 특히, 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 본체부(10)의 상하면에 서로 미리 설정된 간격을 가지도록 인쇄되어, 종이 재질 기반의 유체 연로전지와 두께 차이로 인한 단점을 극복하여 저항이 작고 높은 전력을 생산할 수 있는 특징이 있다.The fluid fuel cell in the present specification uses a fabric-based
제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 미리 제작된 OHP 필름(OHP film, Alpha, Korea)이 본체부(10)의 상하면에 놓이고, OHP 필름에 전극액(23, 24)이 도포되어 본체부(10)에 형성될 수 있다. 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 전극의 모양으로 상하면이 레이저 커팅된 OHP 필름을 이용하여 미리 섞어 놓은 전극액(23, 24)이 본체부(10)에 스크린 인쇄(screen printing)되어 형성된다. 이에, 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)는 OHP 필름으로 미리 제작된 양극 전극 필름(도 7b의 210참조)과 양극 전극 필름(도 7b의 220참조)에 의해 본체부(10)의 정확한 위치에 인쇄될 수 있다.In the
전극액(23, 24)은 전극부(20)의 성분으로 구성되는 혼합액으로, 미리 설정된 전극의 면적당 해당되는 촉매의 양을 그래핀에 섞어서 제조될 수 있다. 예를 들어, 전극액(23, 24)은 촉매제(catalyst)가 그래핀 혼합액(Water-Dispersible graphene paste(15mg/mL), Mexplorer co. ltd, Korea)에 혼합되어 형성될 수 있다. The
전극액(23, 24)은 양극 전극(Anolyte)과 음극 전극(Catholyte)에 해당되는 촉매제로 각각 형성된다. 전극액(23, 24)은 촉매제와 산촉매제(Nafion solution(Nafion stock solution: Dupont, 5%(w/w)solution, USA))가 그래핀 혼합액(Graphene Paste)에 균일하게 혼합되어 형성되며, 전극부(20)의 무게와 면적에 따라 촉매제와 산촉매제의 양이 조절될 수 있다. 전극액(23, 24)은 그래핀 혼합액(Graphene Paste) 1g당 촉매제 37mg과 산촉매제(nafion) 37ul이 혼합될 수 있다. 스크린 인쇄 기법으로 촉매가 있는 양극 전극액(23)과 음극 전극액 (24)을 도포하고, 도포된 전극액(23, 24)을 오븐에서 고온으로 가열하여 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)가 형성될 수 있다.The
전극부(20)와 인접한 위치에 코팅부(40)가 형성될 수 있다.The
코팅부(40)는 유체가 흡수되지 않는 성분의 코팅액(도 8b의 41참조)이 본체부(10)의 서로 다른 면에 분사되어 형성된다. 코팅액(41)은 유체의 침투 및 투과를 방지할 수 있는 네버웨트 Neverwet(Neverwet for fabric, Rust-Oleum, USA)로 이루어질 수 있다. 코팅부(40)는 상술한 코팅액(41)이 본체부(10)의 상하면에 스텐실(stencil) 기법으로 분사되고, 분사된 코팅액(41)이 본체부(10)에 스며들 수 있도록 상온에서 건조되어 형성될 수 있다. 여기서, 코팅부(40)는 미리 제작된 유로부 필름(도 8b의 31)에 의해 전극부(20)의 위치와 유로부(30)가 형성될 위치를 제외한 본체부(10)의 상하면에 분사되어 소수성을 가지는 영역을 생성할 수 있다. 코팅부(40)가 형성됨에 따라, 본체부(10)에 전극부(20) 및 코팅부(40)가 형성되지 않은 위치에 유로부(30)가 형성될 수 있다.The
유로부 필름(31)은 전극부(20)와 유로부(30)가 형성될 위치를 제외한 나머지 위치에 구멍이 뚫린 관통구가 형성되며, 일종의 필터 페이퍼(Filter Paper)로 이루어질 수 있다. 유로부 필름(31)은 직경 150mm인 필터 페이퍼 (Whatman, Cat No.1, UK)를 예로 들 수 있다. 유로부 필름(31)은 필터 페이퍼를 레이저 커팅기를 이용하여 전극부(20)의 위치, 유로부(30)가 형성될 위치를 제외한 나머지 위치에 관통구가 형성될 수 있다. 유로부 필름(31)이 본체부(10)의 상하면 놓이면 코팅액(41)이 관통구를 통해 본체부(10)에 스며들 수 있다. 코팅부(40)는 유로부 필름(31)을 이용하여 본체부에 코팅액(41)이 분사되어 형성될 수 있으며, 본체부(10)의 소수성영역을 이룰 수 있다. 전극부(20)를 제외한 코팅액(41)이 분사되지 않은 본체부의 상하면에 유로부(30)가 형성될 수 있다.The
한편, 코팅부(40)를 구성하는 코팅액(41)의 세부 화학 성분은 아크릴(proprietary acrylic) 또는 지방족 화합물 석유 증류액(aliphatic petroleum distillates)으로 이루어질 수 있으며, 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 유성잉크(oiliness ink, Schmierfδhigkeit ink)로 대체 가능할 수 있다.On the other hand, detailed chemical components of the
유로부(30)는 본체부(10)의 일단부로부터 유입되는 연료, 전해질 등의 유체의 유동경로를 형성한다. 유로부(30)는 본체부(10)의 일방향을 따라 연장 형성될 수 있으며, 본체부(10)의 상하면에 분사되어 형성되는 코팅부(40)에 의해 본체부(10)에 형성될 수 있다. 유로부(30)는 본체부(10)에 코팅액(41)이 스며들어 형성된 코팅부(40)와, 본체부(10)에 인쇄된 전극부(20)를 제외한 부분에 연료가 흐르는 영역을 생성할 수 있다. The
유로부(30)로 유입되는 유체는 패브릭 기반의 본체부(10)에 흡수되어, 모세관 현상(Capillary action)에 의해 셀프 펌핑(Self-Pumping)하여 유동 경로를 따라 흡수 및 유동한다. 이에, 본 발명의 패브릭 기반 유체연료전지는 별도의 외부펌프를 필요로 하지 않을 수 있다. The fluid flowing into the
유로부(30)는 감광제를 식각 또는 제거하여 형성되지 않고, 방수 가능한 코팅액(41)을 사용하여 제작되기에, 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 모든 부분이 유연성 있게 제작될 수 있는 특징이 있다. Since the
본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 상술한 바와 같이, 모든 부분에서 유연한 성질을 유지할 수 있어 의복, 웨어러블 전자기기, 인공근육 기기 등의 층류 유동 디바이스에 효율적으로 활용 가능한 특징이 있다.As described above, the fabric-based
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지의 정면이고, 도 4는 도 3의 패브릭 기반 유체 연료전지를 A-A선으로 절단한 단면도이다.3 is a front view of a fabric-based fluid fuel cell according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the fabric-based fluid fuel cell of FIG. 3 taken along line A-A.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a fabric-based fluid fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4 .
도 3 및 도 4을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 의한 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 전극부(20a)의 위치 및 코팅부(40a) 형성되는 위치를 제외하면 이미 설명한 제1 실시예와 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 본체부(10), 유로부(30) 등과 관련된 구체적인 설명은 생략하도록 한다.3 and 4, the fabric-based
전극부(20)는 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 전극을 형성하는 것으로, 본체부(10)의 서로 다른 상하면에 각각 형성되는 제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)를 포함한다.The
제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)는 유로부(30)와 적어도 일부가 연결되도록 본체부(10)의 상하면에 각각 인쇄될 수 있다. 제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)는 제1 실시예와 달리, 본체부(10)의 상하면에 중첩 형성될 수 있다. 제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)는 제1 실시예와 달리, 본체부(10)의 상하면에 마주하도록 형성될 수 있다. 여기서, 제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)가 중첩 형성된다 함은, 본체부(10)의 동일한 수직선상에 형성되는 것을 의미할 수 있다. 즉, 제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)는 동일한 수직선상에 형성되어 본체부(10)를 중심으로 대칭을 이룰 수 있다. 제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)는 서로 다른 상하면에 인쇄되되, 본체부(10)를 중심으로 상하면에 중첩 형성되어 양극 전극과 음극 전극의 거리를 최소화할 수 있다. 또한, 제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)는 미리 설정된 간격 즉, 서로 간섭하여 저항이 생기지 않는 최소한의 간격을 가지도록 배치되어 패브릭 기반의 본체부(10)에서 저항이 작고 높은 전력을 생산할 수 있다.The
제1 전극부(21a)와 제2 전극부(22a)는 제1 실시예에서 상술한 바와 같이, 전극의 모양으로 상하면이 레이저 커팅된 OHP 필름을 이용하여 미리 섞어 놓은 전극액(23, 24)이 본체부(10)에 스크린 인쇄(screen printing)될 수 있다.As described above in the first embodiment, the
전극부(20a)의 성분으로 구성되는 전극액(23, 24)은 앞서 설명한 제1 실시예에서의 전극액(23, 24)과 동일하기에, 이와 관련된 구체적인 설명은 생략하도록 한다.Since the
코팅부(40a)는 본체부(10)의 서로 다른 면에 도포되어 유로부(30)를 형성하기 위한 것으로, 유체가 흡수되지 않고 유체의 침입 및 투과를 방지할 수 있는 성분의 코팅액(41)이 분사되어 형성될 수 있다. 코팅부(40a)는 스텐실 기법으로 본체부(10)의 상하면에 분사되어 형성될 수 있다. 제2 실시예에 의한 코팅부(40a)는 본체부(10)에 형성되는 제2 전극부(22a)의 위치가 변경되기에 본체부(10)에 분사되는 위치가 변경될 수 있다. 이에, 미리 제작된 유로부 필름(31)의 단면 형상은 제1 실시예와 다르게 제작될 수 있으나, 전극부(20a)의 위치와 유로부(30)가 형성될 위치를 제외한 본체부(10)의 상하면에 코팅액(41)이 분사될 수 있는 형태로 제작된다. 즉, 유로부 필름(31)은 유로부(30)가 형성될 위치와 전극부(20a)의 위치를 제외한 나머지 위치에 구멍이 뚫린 관통구가 형성된다. 코팅부(40a)는 유로부 필름(31)의 관통구를 통해 분사된 코팅액(41)이 본체부(10)에 스며들어 형성된 소수성영역을 포함할 수 있다. 유로부 필름(31)의 관통구와, 전극부(20a)를 제외한 스프레이를 맞지 않은 부분에 유로부(30)가 형성될 수 있다.The
코팅부(40)를 구성하는 성분은 일 실시예와 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.Since components constituting the
도 5a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지의 정면도이고, 도 5b는 도 5a의 패브릭 기반 유체 연료전지를 a-a선으로 절단한 단면도이고, 도 5c는 제4 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지의 정면도이고, 도 5d는 도 5c의 C부분을 확대 도시한 도면이다.5A is a front view of a fabric-based fluid fuel cell according to a third embodiment of the present invention, FIG. 5B is a cross-sectional view of the fabric-based fluid fuel cell of FIG. 5A taken along line a-a, and FIG. 5C is a view according to a fourth embodiment. It is a front view of the fabric-based fluid fuel cell, and FIG. 5d is an enlarged view of portion C of FIG. 5c.
이하, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 패브릭 기반 유체 연료전지에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a fabric-based fluid fuel cell according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 5D.
도 5를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 의한 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 전극부(20b)의 형상 및 위치, 코팅부(40b)가 형성되는 위치를 제외하면 이미 설명한 일 실시예와 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 본체부(10), 유로부(30) 등과 관련된 구체적인 설명은 생략하도록 한다.Referring to FIG. 5 , the fabric-based
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제3 실시예에 의한 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 전극부(20b)는 본체부(10)의 동일한 면에 형성되는 제1 전극부(21b)와 제2 전극부(22b)를 포함한다.5A and 5B, the
제1 전극부(21b)와 제2 전극부(22b)는 유로부(30)와 적어도 일부가 연결되도록 형성되되, 일 실시예에서와 달리, 본체부(10)의 동일한면에 인쇄될 수 있다. 제1 전극부(21b)와 제2 전극부(22b)는 동일한 평면상에 형성되어 유로부(30)를 중심으로 대칭을 이룰 수 있다. 제1 전극부(21b)와 제2 전극부(22b)는 동일한 면에 형성되더라도, 서로 간섭하여 저항이 생기지 않는 최소한의 간격을 가지도록 배치될 수 있다.The
제1 전극부(21b)와 제2 전극부(22b)는 일 실시예에서 상술한 바와 같이, 전극의 모양으로 상하면이 레이저 커팅된 OHP 필름을 이용하여 미리 섞어 놓은 전극액(23, 24)이 본체부(10)에 스크린 인쇄(sbreen printing)될 수 있다.As described above in one embodiment, the
또한, 전극부(20b)의 성분으로 구성되는 전극액(23, 24)은 앞서 설명한 일 실시예에서의 전극액(23, 24)과 동일하기에, 이와 관련된 구체적인 설명은 생략하도록 한다.In addition, since the
코팅부(40b)는 본체부(10)의 상면에 분사되어 유로부(30)를 형성하기 위한 것으로, 유체가 흡수되지 않고, 유체의 침입 및 투과를 방지할 수 있는 성분의 코팅액(41)이 분사되어 형성될 수 있다. 미리 제작된 유로부 필름(31)은 한 쌍의 전극부(20b)와 유로부(30)가 형성되는 위치를 제외한 나머지 위치에 구멍이 뚫린 관통구를 형성될 수 있다. 이에, 제3 실시예에 의한 코팅부(40b)는 유로부 필름(31)을 이용하여 한 쌍의 전극부(20b)와, 유로부(30)가 형성되는 위치를 제외한 본체부(10)의 상면에 코팅액(41)이 분사되어 형성된 소수성 영역을 포함할 수 있다. 전극부(20b)는 한 쌍이 본체부(10)의 상면에 형성되고, 하면에 형성되지 않는다. 따라서, 코팅부(40b)는 본체부(10)의 하면 전체에 코팅액(41)이 분사되어 형성될 수 있다. The
코팅부(40b)를 구성하는 성분은 일 실시예와 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.Since components constituting the
도 5c 및 도 5d를 참조하면, 제4 실시예에 의한 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 전극부(20c)는 블레이드 형태로 형성되어 본체부(10)의 동일한 면에 형성되는 제1 전극부(21c)와 제2 전극부(22c)를 포함한다.Referring to FIGS. 5C and 5D , the
제1 전극부(21c)와 제2 전극부(22c)는 상술한 제1 실시예 내지 제3 실시예의 전극부(20)의 형상과 다르게 형성된다. 제1 전극부(21c)와 제2 전극부(22c)는 블레이드 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 블레이드 형태라 함은, 도 5c에서 확대 도시된 제1 전극부(21c)와 제2 전극부(22c)의 형태를 의미한다. 제1 전극부(21c)와 제2 전극부(22c)가 블레이드와 같은 톱날 형태로 형성되면서, 유로부(30)의 형상이 다르게 설계될 수 있으며, 유로부(30)로 유입된 유체가 유동하는 경로가 증가할 수 있다.The
제1 전극부(21c)와 제2 전극부(22c)는 블레이드 모양으로 상하면이 레이저 커팅된 OHP 필름을 이용하여 미리 섞어 놓은 전극액(23, 24)이 본체부(10)에 스크린 인쇄(screen printing)되어 형성될 수 있다. 전극부(20c)의 성분으로 구성되는 전극액(23, 24)은 앞서 설명한 일 실시예에서의 전극액(23, 24)과 동일하기에, 이와 관련된 구체적인 설명은 생략하도록 한다.In the
코팅부(40c)는 본체부(10)의 서로 다른 면에 분사되어 유로부(30)를 형성하기 위한 것으로, 유체가 흡수되지 않고, 유체의 침입 및 투과를 방지할 수 있는 성분의 코팅액(41)이 본체부(10)에 분사되어 형성될 수 있다. 미리 제작된 유로부 필름(31)은 한 쌍의 전극부(20c)와 유로부(30c)가 형성되는 위치를 제외한 나머지 위치에 구멍이 뚫린 관통구를 포함할 수 있다. 이에, 제4 실시예에 의한 코팅부(40c)는 한 쌍의 전극부(20c)와, 유로부(30c)가 형성되는 위치를 제외한 본체부(10)의 상면에 코팅액(41)이 분사되어 형성될 수 있다. 전극부(20c)는 한 쌍이 본체부(10)의 상면에 형성되고, 하면에 형성되지 않는다. 따라서, 코팅부(40c)는 본체부(10)의 하면 전체에 코팅액(41)이 분사되어 형성될 수 있다.The
코팅부(40c)를 구성하는 성분은 일 실시예와 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.Since components constituting the
도 6은 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법의 순서도이고, 도 7은 도 6에서 전극부를 인쇄하는 것을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 6에서 코팅액(41)을 분사하여 유로부를 형성하는 것을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 6에서 복수 개의 유체 연료전지를 커팅하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.6 is a flow chart of a fabric-based fluid fuel cell manufacturing method of the present invention, FIG. 7 is a view for explaining in more detail the printing of the electrode part in FIG. 6, and FIG. This is a view for explaining the formation of the flow path in more detail, and FIG. 9 is a view for explaining an example of cutting a plurality of fluid fuel cells in FIG. 6 .
이하, 도 6 내지 도 9를참조하여, 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 6 to 9, the fabric-based fluid fuel cell manufacturing method of the present invention will be described in detail.
본 발명은 복수 개의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)를 각각 제조할 수도 있지만, 하나의 본체부(10)에 복수의 전극부(20), 유로부(30), 코팅부(40)를 인쇄 및 코팅하고 본체부(10)를 절단하여, 한 번에 다수 개의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)를 제조할 수도 있다. 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법에서 한번의 공정으로 다수 개의 패브릭 기반 유체 연로전지(1)를 제조하는 것에 기초하여 후술하도록 한다.Although the present invention may manufacture a plurality of fabric-based
도 6을 참조하면, 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)를 제조하기 위해, 모세관현상에 의해 유체의 흡수가 가능한 패브릭과 같은 섬유제품(직물, 편물, 부직포 등)등으로 이루어진 본체부(10)를 마련(S100)한다. 여기서 본체부(10)는 Paper(Fiter paper Cat.1001-150, Whatman, 0.15mm, UK), Cotton(Sixty-naked cotton, 0.12mm, Chungage, Korea), Flannel(Cotton recruitment organization, 0.3mm, 1000nara, Korea), Span blend(Span stretch, 0.3mm, Makefabric, Korea), Polyester blend(Prism stripe, 0.15mm, Decotop, Korea) 등으로 이루어져 패브릭 기반 유체 연료전지(1)의 기판을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6, in order to manufacture the fabric-based
본체부(10)를 마련한 후에, 본체부(10)의 서로 다른 면에 전극부(20)를 인쇄(S200)한다. 전극부(20)를 인쇄하는 것과 관련하여, 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.After preparing the
도 6 및 도 7을 참조하면, 본체부(10)에 전극부(20)를 인쇄하기에 앞서, 전극부(20)에 인쇄할 전극액을 혼합(S210)한다. 전극액은 촉매제(catalyst)와 그래핀(Graphene Paste)을 혼합하여 형성할 수 있다. 전극액은 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)의 무게에 따라 촉매의 양이 조절될 수 있다. 또한, 전극액은 양극 전극과 음극 전극에 해당하는 제1 전극부(21)와 제2 전극부(22)의 면적에 따라 촉매와 산촉매의 비율이 결정될 수 있다. 전극액은 2mg/cm2와 0.1mg/cm2 비율로 촉매와 산촉매(Nafion solution(Nafion stock solution: Dupont, 5%(w/w)solution, USA)를 균일하게 혼합되어 형성될 수 있다. 전극액은 1g당 촉매 37mg과 nafion은 37ul를 첨가하여 혼합하도록 한다.Referring to FIGS. 6 and 7 , prior to printing the
전극액을 혼합한 후에, 본체부(10)의 상면에 양극 전극 필름(210)을 마련(S220)한다. 양극 전극 필름(210)은 미리 제작된 OHP 필름으로, 제1 전극부(21)를 제작하기 위해 제1 전극부(21)의 모양으로 레이저 커팅하여 형성될 수 있다. 또한, 양극 전극 필름(210)을 마련하면서 양극 전극 필름(220)을 같이 마련할 수 있다. 양극 전극 필름(220)은 양극 전극 필름(210)과 마찬가지로 미리 제작된 OHP 필름으로, 제2 전극부(22)를 제작하기 위해 제2 전극부(22)의 모양으로 레이저 커팅하여 형성될 수 있다. 양극 전극 필름(210)과 양극 전극 필름(220)의 제작 시, 레이저 커팅기 설정 조건은 Power[W]-7, Speed[cm/s]-2.1, 주파수[Hz]-2000으로 설정될 수 있다. After mixing the electrode solution, a
양극 전극 필름(210)이 마련(S220)되면, 양극 전극 필름(210)을 본체부(10)의 상면에 위치시킨 후, 본체부(10)의 상면에 양극 전극액(23)을 인쇄(S230)한다. 이때, 패브릭 기반의 본체부(10)는 종이와 달리 신축성을 갖기 때문에, 양극 전극 필름(210)에 임시 고정액(75 Graphic art, 3M)를 분사하여 본체부(10)의 상면에 임시 고정시킬 수 있다. 양극 전극 필름(210)을 본체부(10)의 상면에 임시로 고정시킨 후, 양극 전극액(23)을 양극 전극 필름(210)의 일부분에 올려놓는다. 필름 어플리케이터(25)를 통해 양극 전극액(23)을 균일하게 밀어주면, 양극 전극액(23)이 양극 전극 필름(210)의 관통구를 통해 본체부(10)의 상면에 인쇄(S230)될 수 있다.When the
양극 전극액(23)을 인쇄(S230)한 후에, 본체부(10)에 임시 고정된 양극 전극 필름(210)을 탈착하고 양극 전극 필름(220)을 마련(S240)하여 본체부(10)의 하면에 음극 전극액(24)을 인쇄(S250)한다.After the
양극 전극액(23)을 인쇄하는 방법과 동일한 방법으로, 양양극 전극 필름(220)을 마련(S240)하여, 음극 전극액(24)을 인쇄(S250)한다. 양극 전극 필름(220)에 임시고정스프레이를 뿌려서 양극 전극 필름(220)을 본체부(10)의 하면에 임시로 고정시킨 후, 음극 전극액(24)을 양극 전극 필름(220)의 일부분에 올려놓는다. 필름 어플리케이터(25)를 이용하여 음극 전극액(24)을 균일하게 밀어주면, 음극 전극액(24)이 양극 전극 필름(220)의 관통구를 통해 본체부(10)의 하면에 인쇄될 수 있다. 음극 전극액(24)이 인쇄된 후에, 본체부(10)에 임시 고정된 양극 전극 필름(220)을 탈착한다.In the same way as the method of printing the
본체부(10)는 양극 전극액(23)과 음극 전극액(24)과의 접착력을 위해, 오븐에서 120℃에서 60분 동안 가열(S260)된다.The
본체부(10)에 전극부(20)가 인쇄된 후에, 본체부(10)에 코팅액(41)을 분사(S300)하여 코팅부(40) 및 유로부(30)를 형성(S400)한다. 코팅액(41)을 분사(S300)하고 유로부(30)를 형성(S400)하는 것과 관련하여 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.After the
도 8을 참조하면, 본체부(10)에 전극부(20)를 인쇄(S200)한 후에, 본체부(10)에 코팅액(41)을 분사(S300)한다. Referring to FIG. 8 , after the
본체부(10)에 코팅액(41)을 분사하기에 앞서, 본체부(10)의 상면에 유로부 필름(31)을 마련(S310)한다. 유로부 필름(31)은 직경 150mm인 필터 페이퍼(Filter Paper)(Whatman, Cat No.1, UK)를 기반으로 레이저 커팅기를 이용하여 전극부(20) 및 유로부(30)가 형성될 위치를 제외한 나머지 위치에 구멍을 뚫어 제작한다. 유로부 필름(31)은 한 회당 6개의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)를 제작하기 위해, 6개가 연결된 형태로 제작될 수 있다. 앞서 설명한, 양극 전극 필름(210)과 양극 전극 필름(220) 또한, 한 회당 6개의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)를 제작하기 위해, 6개가 연결된 형태로 제작될 수 있다.Prior to spraying the
제작된 유로부 필름(31)을 본체부(10)의 상면에 마련(S310)한다. 유로부 필름(31)이 놓인 본체부(10)의 상면으로부터 약 20~25cm 정도 떨어진 위치에서 유로부 ㅍ필름의 상면에 코팅액(41)을 분사(S320)한다. 이때, 유로부(30)가 형성될 위치에 코팅액(41)이 번지는 것을 방지하기 위해 유로부 필름(31)에 임시 고정액을 도포하여 본체부(10)에 최대한 밀착시킨다. 다만, 전극부(20)가 임시고정액에 의해 본체부(10)로부터 이탈하는 것을 방지하기 위해, 유로부 필름(31)을 전극부(20)의 위치에 살짝만 올려두도록 한다.The manufactured
코팅액(41)이 분사된 후, 코팅액(41)이 유로부 필름(31)의 구멍 뚫린 부분을 통해 본체부(10)에 스며들 수 있도록, 본체부(10)를 상온에서 30분간 건조시킨다. 코팅액(41)은 유로부 필름(31)의 구멍을 뚫린 부분을 통해 패브릭에 스며든 소수성영역의 코팅부(40)를 형성한다.After the
한편, 코팅액(41)은 본체부(10)의 하면까지 스며들지 않는다. 이에, 본체부(10)를 뒤집어 본체부(10)의 하면에도 코팅액(41)을 분사 및 건조하는 과정을 반복하여 수행한다. 코팅액(41)은 유로부 필름(31)의 구멍을 뚫린 부분을 통해 패브릭에 스며들어 소수성영역의 코팅부(40)를 형성한다.On the other hand, the
상술한 제조 방법을 통해 제작된 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 도 9에 도시된 바와 같이, 하나의 본체부(10)에 복수 개가 형성되어 있다. 이에, 도면에 도시된 복수 개가 연결되어 제작된 유체 연료전지를 점선과 같이 절단(S500)하여, 패브릭 기반 유체 연료전지(1)를 형성한다.As shown in FIG. 9 , a plurality of fabric-based
도 10은 패브릭 종류에 따른 시간대별 OCV값을 나타내는 그래프이고, 도 11은 패브릭 종류에 따른 최대전류밀도 값을 나타내는 그래프이고, 도 12는 패브릭 종류에 따른 최대전력밀도 값을 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing OCV values for each time period according to fabric types, FIG. 11 is a graph showing maximum current density values according to fabric types, and FIG. 12 is a graph showing maximum power density values according to fabric types.
이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여 패브릭 종류를 선정하기 위한 시험 결과를 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, test results for selecting a fabric type will be described in detail with reference to FIGS. 10 to 12 .
도 1에서 상술한 5가지 재질(Paper(Fiter paper Cat.1001-150, Whatman, 0.15mm, UK), Cotton(Sixty-naked cotton, 0.12mm, Chungage, Korea), Flannel(Cotton recruitment organization, 0.3mm, 1000nara, Korea), Span blend(Span stretch, 0.3mm, Makefabric, Korea), Polyester blend(Prism stripe, 0.15mm, Decotop, Korea)의 본체부(10)로 패브릭 기반 유체 연료전지(1)를 제작한 후, OCV(Open Circuit Voltage), Linear sweep Voltammetry와 EIS를 측정하여 각각의 패브릭 재질에 따른 성능을 측정 및 비교하였다. 실험에 사용하는 연료와 전해질은 H2O2와HCl의 조합으로 진행하였고, 전극은 제3 실시예의 전극부(20b)로 진행하였다. The five materials described above in FIG. 1 (Paper (Fiter paper Cat.1001-150, Whatman, 0.15mm, UK), Cotton (Sixty-naked cotton, 0.12mm, Chungage, Korea), Flannel (Cotton recruitment organization, 0.3mm , 1000nara, Korea), Span blend (Span stretch, 0.3mm, Makefabric, Korea), Polyester blend (Prism stripe, 0.15mm, Decotop, Korea) fabric-based fluid fuel cell (1) fabrication Then, OCV (Open Circuit Voltage), Linear sweep Voltammetry and EIS were measured to measure and compare the performance according to each fabric material.The fuel and electrolyte used in the experiment were a combination of H2O2 and HCl, and the electrode was It proceeded to the
패브릭 종류에 따른 속도를 살펴보면, 사용한 패브릭의 재질과 두께가 서로 다르기 때문에 연료와 전해질이 만나기 시작해서 끝까지 흐르는데 걸리는 시간이 각각 다르다. 실험 결과, 패브릭 종류에 따른 속도에서 paper는 0.45±0.02, cotton은 0.45±0.04 mm2/s, Flannel은 0.194±0.008mm2/s, Span Blend는 3.23±0.15 mm2/s, Polyester Blend는 0.13±0.00 mm2/s 6으로 측정되었다. Span Blend 기반이 3.23mm2/s로 가장 빠른 속도로 측정이 되었다.Looking at the speed according to the type of fabric, the time taken for the fuel and electrolyte to flow from the beginning to the end is different because the material and thickness of the fabric used are different. As a result of the experiment, the speed according to the type of fabric was 0.45±0.02 for paper, 0.45±0.04 mm 2 /s for cotton, 0.194±0.008mm 2 /s for flannel, 3.23±0.15 mm 2 /s for span blend, and 0.13 for polyester blend. ±0.00 mm 2 /s 6 was measured. The Span Blend base was measured at the fastest speed at 3.23mm2/s.
도 10을 참조하여 패브릭 종류에 따른 시간별 OCV를 살펴보면, 연료전지의 효율을 정확하게 측정을 하기 위해서 유로에 도포되어 있는 전극이 충분히 젖게 된 후 10초마다 OCV값을 측정을 하여 안정된 구간이 나타나게 된 시간에서 Linear sweep등의 측정을 진행을 하였다. 실험 결과, 패브릭 종류에 따른 시간대별 OCV값에서, Paper는 0.695±0.041V, Cotton은 0.802±0.071V, Flannel는 0.534±0.027V, Polyester는 0.392±0.027V, Blend Span Blend는 0.454±0.039V로 측정되었다. 패브릭 종류에 따른 시간대별 OCV값은 패브릭이 cotton일 때 0.821v로 가장 높은 값으로 측정이 되었다.Looking at the OCV by time according to the type of fabric with reference to FIG. 10, in order to accurately measure the efficiency of the fuel cell, after the electrode applied to the flow path is sufficiently wet, the OCV value is measured every 10 seconds, and the time when a stable section appears Measurements such as linear sweep were carried out in . As a result of the experiment, in the OCV value for each time period according to the fabric type, Paper was 0.695±0.041V, Cotton was 0.802±0.071V, Flannel was 0.534±0.027V, Polyester was 0.392±0.027V, and Blend Span Blend was 0.454±0.039V. has been measured The OCV value for each time period according to the fabric type was measured as the highest value at 0.821v when the fabric was cotton.
패브릭 종류에 따른 최대전류밀도와 최대전력밀도를 살펴보면, OCV값이 안정화된 지점에서 Linear sweep Voltammetry 측정법으로 각 패브릭별 최대전력밀도와 최대전류밀도를 측정하였으며, 그 측정값은 표 1과 같을 수 있다. Looking at the maximum current density and maximum power density according to the type of fabric, the maximum power density and maximum current density for each fabric were measured by the Linear sweep Voltammetry measurement method at the point where the OCV value was stabilized, and the measured values can be shown in Table 1 .
[V]OCV
[V]
±0.0010.666
±0.001
±0.0010.743
±0.001
±0.0010.888
±0.001
±0.0040.645
±0.004
±0.0040.352
±0.004
[mA/cm2]Max. Current density
[mA/cm 2 ]
±0.113.32
±0.11
±0.141.09
±0.14
±0.152.39
±0.15
±0.0020.053
±0.002
±0.121.85
±0.12
±0.0530.496
±0.053
±0.0240.181
±0.024
±0.0620.547
±0.062
±0.00090.007
±0.0009
±0.0570.159
±0.057
도 11 및 도 12를 참조하여 최대전류밀도와 최대전력밀도를 설명하도록 한다. OCV값에서 Flannel이 0.888V로 가장 높게 측정이 되었고, 최대전류밀도 값에서도 종이를 제외하고 Flannel이 2.39mA/cm2로 가장 높게 측정이 되었으며, 최대전력밀도 값에서도 Flannel이 0.547mW/cm2로 가장 높게 측정이 되었다. The maximum current density and the maximum power density will be described with reference to FIGS. 11 and 12 . In the OCV value, Flannel was measured the highest at 0.888V, and at the maximum current density value, Flannel was measured the highest at 2.39mA/cm2, excluding paper, and at the maximum power density value, Flannel was the highest at 0.547mW/cm2. has been measured
각 패브릭별 특징을 살펴보면, 재질과 두께가 서로 각각 다르게 구성되어 재질이 Cotton이 100%일 때 성능이 좋게 측정이 되고 두께는 0.3mm일 때 높게 측정이 되어 이 두가지 변수로 인해 성능에 영향을 주었다고 판단한다.Looking at the characteristics of each fabric, the material and thickness are composed of different materials, so when the material is 100% cotton, the performance is measured well, and when the thickness is 0.3mm, it is measured high. These two variables affect the performance. judge
이 결과를 토대로 이후 실험은 마이크로 유체 연료전지의 기반을 Flannel재질로 설정하였다.Based on this result, subsequent experiments set the base of the microfluidic fuel cell as Flannel material.
도 13은 전극부 형상에 따른 시간대별 OCV값을 나타내는 그래프이고, 도 14a는 전극부 형상에 따른 Linear-sweep 측정 그래프이고, 도 14b는 전극부 형상에 따른 최대전력밀도와 최대전류밀도를 나타내는 그래프이고, 도 15는 전극부 형상에 따른 EIS 그래프이다.13 is a graph showing the OCV value for each time period according to the shape of the electrode part, FIG. 14a is a linear-sweep measurement graph according to the shape of the electrode part, and FIG. 14b is a graph showing the maximum power density and maximum current density according to the shape of the
이하, 도 13 및 도 15를 참조하여 전극부에 따른 연료전지 성능에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, fuel cell performance according to the electrode unit will be described in detail with reference to FIGS. 13 and 15 .
제1 실시예 내지 제4 실시예의 전극부(20, 20a, 20b, 20c)의 형상에 따른 연료전지의 성능을 비교하기 위해 Linear-sweep Voltammetry와 EIS 측정을 진행하였다. 전극 형상 별 연료전지의 효율을 확실하게 측정하기 위해서 연료가 존재하는 부분을 전부 적신 후에 10초마다 OCV값을 측정을 하였으며, OCV가 안정화된 부분에서 Linear sweep Voltammetry 측정법과 EIS측정을 시작하였다. Linear-sweep voltammetry and EIS measurements were performed to compare fuel cell performance according to the shape of the
도 13을 참조하여 전극부 형상에 따른 시간별 COV값을 살펴보면, 제1 실시예의 전극부(20)는 0.543±0.019V, 제2 실시예의 전극부(20a)는 0.604±0.059V, 제3 실시예의 전극부(20b)는 0.534±0.027V, 제4 실시예의 전극부(20c)는 0.505±0.041V로 측정되었다. 여기서 제4 실시예에서의 전극부(20c)가 0.575V로 가장 높은 OCV 값을 나타냈다. 이후, 5분 정도 지나게 되면서 OCV 값들이 완만하게 진행이 되면서 안정화가 되었다. 그 이후에 연료전지의 성능을 측정하기 위해 Linear sweep Voltammetry와 EIS를 측정을 하였다.Referring to FIG. 13, looking at the COV values according to the shape of the electrode unit, the
OCV 값이 안정화된 부분에서 Linear sweep Voltammetry를 측정을 하여 연료전지의 성능을 알아보기 위해 각 전극부 형상에 따른 연료전지의 최대전력밀도와 최대전류밀도를 측정하였으며, 그 측정 값은 표 2와 같을 수 있다.In order to find out the performance of the fuel cell by measuring Linear sweep Voltammetry in the part where the OCV value was stabilized, the maximum power density and maximum current density of the fuel cell according to the shape of each electrode were measured, and the measured values are shown in Table 2. can
[V]OCV
[V]
±0.0010.888
±0.001
±0.0070.852
±0.007
±0.0110.921
±0.011
±0.0030.678
±0.003
±0.152.39
±0.15
±0.111.96
±0.11
±0.091.74
±0.09
±0.041.71
±0.04
±0.0620.547
±0.062
±0.0320.416
±0.032
±0.0450.401
±0.045
±0.0470.298
±0.047
도 14를 참조하여 전극부 형상에 따른 최대전류밀도와 최대전력밀도를 살펴보면, OCV값은 제1 실시예의 전극부(20) 형상에서 0.921V로 가장 높게 측정이 되었다. 그러나, 연료전지효율에서 중요한 것인 최대전력밀도와 최대전류밀도는 제3 실시예의 전극부(20b) 형상을 가진 연료전지가 각각 0.547mW/cm2,2.39mA/cm2로 높게 측정이 되었다. 제3 실시예의 전극부(20b) 형상에서 효율이 가장 높게 측정이 되었다.Looking at the maximum current density and maximum power density according to the shape of the electrode unit with reference to FIG. 14, the highest OCV value was measured as 0.921V in the shape of the
이론적으로 전극 간의 거리가 가까울수록 연료전지의 효율이 좋게 나온다. 하지만 가장 가까운 거리를 갖는 제2 실시예에서는 가장 효율이 낮게 측정이 되었는데 그 원인은 전극 간의 거리가 다른 경우에 비해 매우 가깝게 배치가 되다 보니 전극 간의 간섭이 일어나서 전력을 발생하는데 방해를 주게 되어 전력손실이 나타났다고 판단된다. 이에, 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 서로 다른 면에 배치되는 한 쌍의 전극부(20)가 서로 간섭하여 저항이 생기지 않는 최소한의 간격을 갖도록 배치된다.Theoretically, the closer the distance between the electrodes, the better the efficiency of the fuel cell. However, in the second embodiment with the closest distance, the lowest efficiency was measured. The reason is that the distance between the electrodes is very close compared to other cases, so interference between the electrodes occurs and interferes with generating power, resulting in power loss It is believed that this appeared Accordingly, in the fabric-based
도 15를 참조하여 전극부 형상에 따른 EIS 측정법으로 측정된 내부 저항을 살펴보면 표 3과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 15, the internal resistance measured by the EIS measurement method according to the shape of the electrode part can be represented as shown in Table 3.
[Ω](RΩ)Ohmic resistance
[Ω] (R Ω )
±81.14316.32
±81.14
±92.71495.89
±92.71
±31.47385.28
±31.47
±51.71932.65
±51.71
±254.24854.08
±254.24
±141.75537.79
±141.75
±124.17752.83
±124.17
±347.091395.74
±347.09
전극부 형상에 따른 내부 저항 값들을 살펴보면, 제3 실시예에 의한 전극부(20b) 형상에서 내부저항이 316.32Ω으로 제일 낮은 값을 갖게 된다. 제3 실시예는 저항값이 작다 보니 전력을 다른 전극 모양의 연료전지보다 높은 전력을 생산하게 된다. 반면, 제2 실시예에 의한 전극부(20a) 형상에서 내부저항이 932.65Ω으로 가장 높은 값을 갖게 된다. 제2 실시예는 전극 간의 간격이 너무 가깝게 설정이 되어버려서 전극 간의 간섭으로 인해 저항이 커지게 된 것으로 판단된다.도 16a와 도 16b는 산성전해질과 염기성전해질 따른 시간대별 OCV 값을 나타내는 그래프이고, 도 17a와 도 17b는 산성전해질에 따른 Linear-sweep 측정 그래프와 최대전력밀도 및 최대전류밀도를 나타내는 그래프이고, 도 18a와 도 18b는 염기성전해질에 따른 Linear-sweep 측정 그래프와 최대전력밀도 및 최대전류밀도를 나타내는 그래프이고, 도 19a와 도 19b는 산성전해질과 염기성전해질에 따른 EIS 그래프이다.Examining the internal resistance values according to the shape of the electrode unit, the internal resistance has the lowest value of 316.32Ω in the shape of the
이하, 도 16 내지 도 19를 참조하여 연료와 전해질에 따른 성능에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, performance according to fuel and electrolyte will be described in detail with reference to FIGS. 16 to 19 .
앞선 실험에서 사용한 과산화수소와 염산의 조합 외에 선행연구를 바탕으로 마이크로 유체 연료전지의 연료와 전해질을 다르게 하여 연료전지의 성능을 비교 측정을 진행하였다. 연료에 산성 전해질과 염기성 전해질을 조합하였다. 연료와 전해질 간의 조합은 표 4와 같을 수 있다. In addition to the combination of hydrogen peroxide and hydrochloric acid used in the previous experiment, based on previous research, the performance of the microfluidic fuel cell was compared and measured by using different fuels and electrolytes. An acid electrolyte and a basic electrolyte were combined in the fuel. Combinations of fuel and electrolyte may be shown in Table 4.
연료와 전해질의 조합에 따른 연료전지의 성능을 측정하기 위해 Linear-sweep Voltammetry와 EIS 측정을 진행하였다.연료와 전해질별 마이크로 유체 연료전지의 효율을 확실하게 측정하기 위해서 연료가 존재하는 부분을 전부 적신 후에 10초마다 OCV값을 측정을 하였다. OCV가 안정화된 부분에서 Linear sweep Voltammetry 측정법과 EIS측정을 시작하였다. Linear-sweep Voltammetry and EIS measurements were performed to measure the performance of the fuel cell according to the combination of fuel and electrolyte. Afterwards, the OCV value was measured every 10 seconds. Linear sweep Voltammetry measurement method and EIS measurement were started at the part where OCV was stabilized.
도 16을 참조하여 연료와 전해질의 조합별 시간에 따른 OCV 값을 살펴보면, 연료와 산성전해질 조합에 따른 시간대별 OCV 값은 H2O2+HCl이 0.534±0.027V, H2O2+H2SO4이 0.474±0.031V, HCOOH+H2SO4이 0.283±0.015V, KCOOH+H2SO4이 0.397±0.029V, CH3OH+H2SO4이 0.254±0.018V로 측정되었다. Looking at the OCV values over time for each combination of fuel and electrolyte with reference to FIG. 16, the OCV values over time for each combination of fuel and acid electrolyte were 0.534±0.027V for H2O2+HCl, 0.474±0.031V for H2O2+H2SO4, and 0.474±0.031V for H2O2+H2SO4, HCOOH +H2SO4 was measured as 0.283±0.015V, KCOOH+H2SO4 as 0.397±0.029V, and CH3OH+H2SO4 as 0.254±0.018V.
또한, 연료와 염기성전해질 조합에 따른 시간대별 OCV 값은 값은 H2O2+NaOH이 0.474±0.037V, HCOOH+NaOH이 0.265±0.017V, KCOOH+KOH이 0.0397±0.0035V, CH3OH+KOH이 0.0287±0.0017로 측정되었다.In addition, the OCV values for each time period according to the combination of fuel and basic electrolyte were 0.474±0.037V for H2O2+NaOH, 0.265±0.017V for HCOOH+NaOH, 0.0397±0.0035V for KCOOH+KOH, and 0.0287±0.0017 for CH3OH+KOH. was measured as
9가지의 조합 중에서 OCV 값은 기존에 사용하던 과산화수소와 염산의 조합이 0.575V로 가장 높게 측정이 되었다. 보편적으로 산성전해질을 사용한 Solution이 염기성전해질을 사용한 것보다 높게 측정이 되었다.Among the 9 combinations, the OCV value was the highest at 0.575V for the previously used combination of hydrogen peroxide and hydrochloric acid. In general, solutions using acidic electrolytes were measured higher than those using basic electrolytes.
연료와 전해질에 따른 연료전지의 성능을 측정하기 위해서 OCV 값이 안정화된 부분에서 Linear-sweep Voltammetry와 활용을 하여 최대전류밀도와 최대전력밀도를 측정하였다. 표 5는 연료와 산성전해질 조합에 따른 연료전지 성능을 나타내는 표이고, 표 6은 연료와 염기성전해질 조합에 따른 연료전지 성능을 나타내는 표이다.In order to measure the performance of the fuel cell according to the fuel and electrolyte, the maximum current density and maximum power density were measured using linear-sweep voltammetry in the part where the OCV value was stabilized. Table 5 is a table showing fuel cell performance according to fuel and acidic electrolyte combinations, and Table 6 is a table showing fuel cell performance according to fuel and basic electrolyte combinations.
[V]OCV
[V]
±0.0010.888
±0.001
±0.0020.741
±0.002
±0.0040.428
±0.004
±0.0030.471
±0.003
±0.0020.634
±0.002
[mA/cm2]Max. Current density
[mA/cm 2 ]
±0.152.39
±0.15
±0.121.12
±0.12
±0.091.87
±0.09
±0.181.42
±0.18
±0.383.05
±0.38
±0.0620.547
±0.062
±0.0150.212
±0.015
±0.0460.226
±0.046
±0.0140.168
±0.014
±0.0550.484
±0.055
[V]OCV
[V]
±0.0090.351
±0.009
±0.0040.537
±0.004
±0.0020.101
±0.002
±0.0010.061
±0.001
[mA/cm2]Max. Current density
[mA/cm 2 ]
±0.0240.156
±0.024
±0.0150.335
±0.015
±0.110.225
±0.11
±0.0030.03
±0.003
[mW/cm2]Max. Power density
[mW/cm 2 ]
±0.0020.013
±0.002
±0.00490.045
±0.0049
±0.0010.0067
±0.001
±0.000010.00041
±0.00001
도 17 및 도 18을 참조하여 연료와 전해질에 따른 최대전류밀도와 최대전력밀도를 살펴보면, 최대전력밀도는 과산화수소와 염산조합에서 0.888V, 0.547mW/cm2으로 가장 높게 측정이 되었고, 최대전류밀도는 메탄올과 황산조합에서 3.05mA/cm2로 가장 높게 측정이 되었다.Looking at the maximum current density and maximum power density according to the fuel and electrolyte with reference to FIGS. 17 and 18, the maximum power density was measured as the highest at 0.888V and 0.547mW / cm2 in the hydrogen peroxide and hydrochloric acid combination, and the maximum current density was The highest was measured at 3.05 mA/cm2 in the combination of methanol and sulfuric acid.
산성전해질이 사용된 그룹과 염기성전해질을 사용한 그룹을 비교하면, 염기성전해질을 사용한 조합이 산성전해질을 사용한 그룹에 비해 현격히 성능이 떨어진다. 그 이유는 연료전지의 성능이 pH와 상관성이 있다. pH는 측정기(pH testr 30, Eutech, Singapore)를 연료에 반응부분을 담궈서 측정하였다. 산성매질을 사용할 때가 염기성매질을 사용할 때 보다 산소 포화농도가 25% 높기 때문에 산성이 염기성보다 성능을 좋게 나타나는 것으로 판단된다.Comparing the group using an acidic electrolyte and the group using a basic electrolyte, the performance of the combination using a basic electrolyte is significantly lower than that of the group using an acidic electrolyte. The reason is that the performance of a fuel cell is correlated with pH. pH was measured by immersing the reaction part in the fuel using a meter (
염기성전해질을 사용한 그룹에서 포름산과 수산화나트륨을 조합한 것이 OCV, 최대전류밀도, 최대전력밀도가 각각 0.537V, 0.335mA/cm2,0.045mW/cm2로 가장 높게 측정이 되었는데 이것 또한 pH와 연관성이 있다. 이 조합은 Ph 값이 3.4로 측정되어 산성을 띄지만 나머지 3가지 조합에서는 pH값이 12~14로 염기성을 띄게 되면서 산소포화도가 포름산을 사용한 것이 가장 좋은 성능을 보였다고 판단된다.In the group using the basic electrolyte, the combination of formic acid and sodium hydroxide had the highest OCV, maximum current density, and maximum power density of 0.537V, 0.335mA/cm2, and 0.045mW/cm2, respectively, which were also related to pH. . This combination was acidic with a pH value of 3.4, but the remaining three combinations showed a basic pH value of 12 to 14, and it was judged that the use of formic acid for oxygen saturation showed the best performance.
산성전해질을 사용한 그룹에서 연료별 비교를 하게 되면 과산화수소, 메탄올, 포름산, 포름산칼륨 순으로 최대전력밀도가 높게 나와 성능이 좋게 측정이 되었는데 각 연료별로 사용을 하였던 전극의 촉매들의 Oxidation Kinetics에서 영향이 생기게 되어서 Al을 사용하는 과산화수소반응물이 성능이 높게 나왔다고 판단이 된다.When comparing each fuel in the acidic electrolyte group, the maximum power density was high in the order of hydrogen peroxide, methanol, formic acid, and potassium formate, and the performance was measured well. Therefore, it is judged that the hydrogen peroxide reactant using Al has a high performance.
도 19를 참조하여 연료와 전해질에 따른 EIS측정법으로 측정된 내부저항 그래프를 살펴보면, 연료와 산성전해질 조합을 한 그룹에서는 과산화수소와 염산을 조합한 것이 316.32Ω으로 가장 낮은 저항으로 측정되었다. 또한, 연료와 염기성전해질을 사용한 그룹에서는 포름산칼륨과 수산화칼륨을 조합한 것이 240.17Ω으로 가장 낮은 저항으로 측정이 되었다.Looking at the internal resistance graph measured by the EIS measurement method according to the fuel and electrolyte with reference to FIG. 19, in the group in which the fuel and acidic electrolyte were combined, the combination of hydrogen peroxide and hydrochloric acid was measured as the lowest resistance at 316.32Ω. In addition, in the group using fuel and basic electrolyte, the combination of potassium formate and potassium hydroxide was measured as the lowest resistance at 240.17Ω.
도 20은 연료전지의 stop flow 상태의 지속시간 그래프이고, 도 21은 연료전지의 Continuous Flow 상태의 지속시간 그래프이다.20 is a graph of the duration of the fuel cell in the stop flow state, and FIG. 21 is a graph of the duration of the fuel cell in the continuous flow state.
이하, 도 20 내지 도 21을 참조하여 상술한 실험에서 각 연료별 성능이 좋게 나온 전해질의 조합을 사용한 패브릭 기반 마이크로 유체 연료전지와 종래의 종이 기반 마이크로 유체 연료전지와 비교하여 측정한 성능 지속시간을 설명하도록 한다. 패브릭 기반 유체 연료전지(1)와 종이 기반 유체 연료전지의 Continuous Flow상태와 Stop Flow상태일 때 성능 지속시간을 측정하도록 한다. Continuous Flow는 Chronopotentiometry측정법으로 진행하고 인가전류값을 2.2mA(10mA/cm2)이고 Stop Flow는 Chronoamperometry측정법으로 측정을 하고 설정 인가전압값은 OCV의 절반값으로 진행하였다. Hereinafter, the performance duration measured by comparing the fabric-based microfluidic fuel cell using a combination of electrolytes with good performance for each fuel in the above-described experiments with reference to FIGS. 20 to 21 and the conventional paper-based microfluidic fuel cell let me explain Measure the performance duration of the fabric-based fluid fuel cell (1) and the paper-based fluid fuel cell in Continuous Flow and Stop Flow states. Continuous flow was measured by chronopotentiometry, the applied current value was 2.2mA (10mA/cm2), and stop flow was measured by chronoamperometry, and the set applied voltage value was half of OCV.
표 7과 표 8에서 Chronopotentiometry 설정조건과, Chronoamperometry 설정조건을 나타낸다.Tables 7 and 8 show the chronopotentiometry setting conditions and the chronoamperometry setting conditions.
Voltage [V]
Voltage [V]
0.445
0.214
0.236
0.3170.333
0.445
0.214
0.236
0.317
도 20을 참조하여 Chronoamperometry 측정법을 이용한 Stop Flow 상태의 지속시간을 살펴보면, 전극이 전부 적셔진 후부터 측정하여 사용된 연료의 양은 0.039ml이다. 측정을 끝내는 지점을 전류값이 ‘0’으로 도달한 시간까지 실험을 진행하였다. Stop Flow 상태의 지속시간이 Paper(H2O2+HCl)는 25±1.5min, Fabric(H2O2+HCl)은 90±2.5min, Fabric(HCOOH+H2SO4)은 72±3.5min, Fabric(KCOOH+H2SO4)은 48±2.0min, Fabric(CH3OH+H2SO4)은 89±1.5min으로 측정된다. 측정한 결과 H2O2연료를 사용한 패브릭 기반 유체 연료전지(1)가 90분으로 지속시간이 가장 높게 측정이 되었고 비교군으로 측정을 하였던 종이 기반 유체 연료전지는 25분의 지속시간으로 측정되었다. 패브릭을 기반으로 하였을 때 종이를 기반으로 할 때보다 지속시간이 월등히 증가한다는 것을 알 수 있다.Looking at the duration of the Stop Flow state using the chronoamperometry measurement method with reference to FIG. 20, the amount of fuel used was measured after the electrode was completely wet and the amount of fuel used was 0.039 ml. The experiment was carried out until the time when the current value reached ‘0’ at the end of the measurement. The duration of the Stop Flow state is 25±1.5min for Paper (H2O2+HCl), 90±2.5min for Fabric (H2O2+HCl), 72±3.5min for Fabric (HCOOH+H2SO4), and 72±3.5min for Fabric (KCOOH+H2SO4). 48±2.0min, Fabric (CH3OH+H2SO4) is measured at 89±1.5min. As a result of the measurement, the fabric-based fluid fuel cell (1) using H2O2 fuel had the highest duration of 90 minutes, and the paper-based fluid fuel cell measured as a comparison group had a duration of 25 minutes. It can be seen that when the fabric is based, the duration is significantly increased compared to when the paper is based.
도 21을 참조하여 Chronopotentiometry 측정법을 이용한 Continuous Flow상태의 지속시간을 살펴보면, Paper(H2O2+HCl)는 77±8min, Fabric(H2O2+HCl)은 600±21min. Fabric(HCOOH+H2SO4) 220±17min, Fabric(KCOOH+H2SO4) 205±16min, Fabric(CH3OH+H2SO4) 185±21min으로 측정된다. Continuous Flow상태의 지속시간이 H2O2연료를 사용한 패브릭 유체 연료전지가 10시간으로 지속시간이 가장 높게 측정이 되었다. 측정되는 전압값이 초기의 전압값의 절반에 도달한 시간까지 실험을 진행하였고, 패브릭 기반으로 이루어진 것이 종이기반보다 더 긴 지속시간을 가지게 되었다. 패브릭이 종이보다 내구성이 좋아서 더 오랜 지속시간동안 전력을 내었다고 판단이 된다.Looking at the duration of the continuous flow state using the chronopotentiometry measurement method with reference to FIG. 21, Paper (H2O2 + HCl) was 77 ± 8min, Fabric (H2O2 + HCl) was 600 ± 21min. Fabric (HCOOH+H2SO4) 220±17min, Fabric (KCOOH+H2SO4) 205±16min, Fabric (CH3OH+H2SO4) 185±21min. Fabric fluid fuel cell using H2O2 fuel lasted the continuous flow state for 10 hours, and the longest duration was measured. The experiment was conducted until the measured voltage value reached half of the initial voltage value, and the fabric-based product had a longer duration than the paper-based product. Fabric is more durable than paper, so it is judged that it provides power for a longer duration.
실험결과 연료를 H2O2를 연료를 사용을 한 연료전지가 가장 높게 측정되었다. 이에, 표 9에서와 같이, H2O2를 연료로 쓰는 선행연구와 패브릭 기반 유체 연료전지(1)를 비교하였다. 패브릭 기반 유체 연료전지(1)가 선행연구보다 최대전력밀도와 최대전류밀도는 가장 낮게 측정이 되었지만 지속시간의 경우는 월등히 좋은 지속시간을 갖는 것을 알 수 있다.As a result of the experiment, the fuel cell using H2O2 as fuel was measured the highest. Accordingly, as shown in Table 9, previous studies using H2O2 as fuel and the fabric-based fluid fuel cell (1) were compared. It can be seen that the fabric-based fluid fuel cell (1) has the lowest maximum power density and maximum current density measured compared to previous studies, but has a much better duration in the case of duration.
(mW/cm(mW/cm
22
))
(mA/cm(mA/cm
22
))
(Min)(Min)
(Stop flow)50
(Stop flow)
(Continuous flow)3
(continuous flow)
(Continuous flow)600
(continuous flow)
표 10을 참조하여 패브릭 기반 유체 연료전지(1)와 비교를 하게 되면 순번 4는 전기화학 연료전지이고 나머지는 마이크로바이오 연료전지이다. 본 발명의 패브릭 기반 유체 연료전지(1)는 마이크로 바이오 연료전지보다 더 좋은 성능과 지속시간을 갖으며, 순번 선행연구와 비교할 경우 성능은 좋지 못하였지만 지속시간면에서 더 좋은 성능을 나타낸다. Referring to Table 10, when compared with the fabric-based fluid fuel cell (1), sequence number 4 is an electrochemical fuel cell and the rest are micro-bio fuel cells. The fabric-based
(mW/cm(mW/cm
22
))
(mA/cm(mA/cm
22
))
(Min)(Min)
, Fabric-based alkaline direct formate microfluidic fuel cells
5M KCOOH7.3MH 2 O 2
5M KCOOH
(Continuous flow)240
(continuous flow)
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains know that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You will understand. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting.
1, 1a, 1b, 1c: 패브릭 기반 유체 연료전지
10: 본체부
20, 20a, 20b, 20c: 전극부
21, 21a, 21b, 21c: 제1 전극부
22, 22a, 22b, 22c: 제2 전극부
23: 양극 전극액
24: 음극 전극액
25: 필름 어플리케이터
30, 30c: 유로부
31: 유로부 필름
40, 40a, 40b 40c: 코팅부
41: 코팅액1, 1a, 1b, 1c: fabric-based fluid fuel cells
10: body part
20, 20a, 20b, 20c: electrode part
21, 21a, 21b, 21c: first electrode part
22, 22a, 22b, 22c: second electrode part
23: anode electrode solution
24: cathode electrode solution
25: film applicator
30, 30c: flow path part
31: euro part film
40, 40a,
41: coating liquid
Claims (14)
상기 본체부에 형성되며, 유체가 유동하는 유로부;
상기 유로부와 일부가 연결되도록 상기 본체부의 외측면에 인쇄되는 한 쌍의 전극부; 및
유체가 흡수되지 않는 성분으로 구성되며, 상기 본체부의 외측면에 도포되어 상기 유로부를 형성하는 코팅부;
를 포함하는 패브릭 기반 유체 연료전지.A body portion formed of fabric;
a flow path portion formed in the body portion and through which fluid flows;
a pair of electrode parts printed on an outer surface of the main body part so as to be partially connected to the flow path part; and
a coating portion composed of a component that does not absorb fluid and applied to an outer surface of the body portion to form the flow path portion;
A fabric-based fluid fuel cell comprising a.
상기 전극부는 상기 본체부의 상면에 인쇄되는 제1 전극부와 상기 본체부의 하면에 인쇄되는 제2 전극부를 포함하는 패브릭 기반 유체 연료전지.According to claim 1,
The electrode unit includes a first electrode unit printed on an upper surface of the body unit and a second electrode unit printed on a lower surface of the body unit.
상기 제1 전극부와 제2 전극부는 미리 설정된 거리만큼 이격되어 형성되는 패브릭 기반 유체 연료전지.According to claim 2,
The fabric-based fluid fuel cell in which the first electrode part and the second electrode part are formed apart from each other by a preset distance.
상기 한 쌍의 전극부는 상기 본체부의 서로 다른 면에 중첩되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 패브릭 기반 유체 연료전지.According to claim 1,
The fabric-based fluid fuel cell, characterized in that the pair of electrode parts are formed to overlap each other on different surfaces of the body part.
상기 한 쌍의 전극부는 상기 본체부에 상기 유로부를 중심으로 대칭을 이루도록 위치하는 패브릭 기반 유체 연료전지.According to claim 1,
The fabric-based fluid fuel cell wherein the pair of electrode parts are positioned symmetrically around the flow path part in the main body part.
상기 코팅부는 아크릴(Acrylic) 성분을 포함하는 패브릭 기반 유체 연료전지.According to claim 1,
Fabric-based fluid fuel cell wherein the coating portion includes an acrylic component.
상기 코팅부는 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 유성잉크(oiliness ink, Schmierfδhigkeit ink) 성분 중 적어도 하나를 포함하는 패브릭 기반 유체 연료전지.According to claim 1,
The coating unit fabric-based fluid fuel cell comprising at least one of polydimethylsiloxane (PDMS) or oiliness ink (Schmierf δ higkeit ink) component.
상기 본체부의 외측면에 한 쌍의 전극부를 인쇄하는 단계; 및
상기 본체부의 외측면에 코팅액을 분사하여 유체가 유동하는 유로부를 형성하는 단계;
를 포함하는 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법.Preparing a fabric-based main body;
printing a pair of electrode parts on an outer surface of the body part; and
Forming a passage through which the fluid flows by spraying a coating liquid on an outer surface of the main body;
Fabric-based fluid fuel cell manufacturing method comprising a.
상기 전극부를 인쇄하는 단계는,
상기 본체부의 상면에 제1 전극부를 인쇄하고, 상기 본체부의 하면에 제2 전극부를 인쇄하는 패브릭 기반 유체 연로전지 제조방법.According to claim 8,
The step of printing the electrode part,
A fabric-based fluid fuel cell manufacturing method comprising printing a first electrode on an upper surface of the main body and printing a second electrode on a lower surface of the main body.
상기 전극부를 인쇄하는 단계는,
상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부가 미리 설정된 간격을 가지도록 상기 본체부에 인쇄하는 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법.According to claim 9,
The step of printing the electrode part,
A fabric-based fluid fuel cell manufacturing method in which the first electrode part and the second electrode part are printed on the main body part to have a preset interval.
상기 전극부를 인쇄하는 단계는,
상기 한 쌍의 전극부가 상기 본체부의 서로 다른 면에 중첩되도록 인쇄하는 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법.According to claim 8,
The step of printing the electrode part,
A fabric-based fluid fuel cell manufacturing method in which the pair of electrode parts are printed so as to overlap each other on different surfaces of the body part.
상기 전극부를 인쇄하는 단계는,
상기 한 쌍의 전극부가 상기 유로부를 중심으로 상기 본체부의 서로 다른 면에 대칭을 이루도록 인쇄하는 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법.According to claim 8,
The step of printing the electrode part,
A fabric-based fluid fuel cell manufacturing method in which the pair of electrode parts are printed symmetrically on different surfaces of the body part with the flow path part as the center.
상기 유로부를 형성하는 단계에서,
상기 코팅부는 아크릴(Acrylic) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법.According to claim 8,
In the step of forming the flow path,
Fabric-based fluid fuel cell manufacturing method, characterized in that the coating portion comprises an acrylic (Acrylic) component.
상기 유로부를 형성하는 단계에서,
상기 코팅액은 다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 유성잉크(oiliness ink) 성분 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 패브릭 기반 유체 연료전지 제조방법.According to claim 8,
In the step of forming the flow path,
The coating liquid is a fabric-based fluid fuel cell manufacturing method, characterized in that it contains at least one of dimethylsiloxane (polydimethylsiloxane, PDMS) or oil ink (oiliness ink) component.
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US20130341188A1 (en) * | 2012-06-20 | 2013-12-26 | María de les Neus SABATÉ VIZCARRA | Fuel cell and analysis device that comprise it |
KR101877681B1 (en) | 2017-07-14 | 2018-07-13 | 고려대학교 산학협력단 | Flexible electrode, biofuel cell and its preparing method |
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- 2021-09-16 KR KR1020210123589A patent/KR102665550B1/en active IP Right Grant
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