마이크로유체 연료전지의 전력량 향상을 위한 최적 평면 병렬스택구조에 관한 연구

Abstract

Recently, Electronics device industry with the development of the IT industry is rapidly growing. Because of it, interest about portable power source has increased. One of them is the micro fuel cell. The existing micro fuel cell was used for proton exchange membrane. A proton exchange membrane has several disadvantages such as humidification, fuel crossover, expensive. The microfluidic fuel cell solve lots of the problem about proton exchange membrane. Because this type of fuel cell is operated without a physical barrier. So sometime it is called membraneless fuel cell. However commercialization of microfluidic fuel cell is still difficult. For commercialization was not secure sufficient power. So many research for improving performance have been conducted. In this study, we propose a microfluidic fuel cell applied parallel stack structure as a way to improve power. We expect that microfluidic fuel cell of parallel structure will improve the total power.|현대에 들어 IT 산업의 비약적인 발전으로 휴대용 전자기기 산업에 많은 변화를 가져왔다. 소비자의 욕구에 부응하기 위해 휴대용 전자기기는 경박단소화 되고 고성능화 및 다기능을 갖춤으로써 전력소모량이 급증 하였고 이를 충족하기 위한 전력원으로써 마이크로 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 마이크로 연료전지는 직접 메탄올(DMFC, direct methanol fuel cell)연료전지와 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC, polymer electrolyte fuel cell)를 통해 개발되고 있다. 두 연료전지의 전해질로는 양성자 교환막(proton exchange membrane)을 사용하고 있다. 양성자 교환막을 사용하는 연료전지는 에너지 밀도가 높고 다양한 분야에 쉽게 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 제작공정이 복잡하고 비용이 많이 들며 교환막을 통해 연료가 역류하는 연료역류현상(fuel crossover)이나 연료전지의 성능저하를 막기 위해 교환막을 수화상태로 유지해야 하는 구조적 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점의 해결방안으로 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)가 연구되고 있다. 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)는 미세유로(micro channel)에서 서로 다른 두 유체가 흐르면 일반적으로 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number)로 인하여 혼합되지 않고 층류(laminar flow)로 흐르는 성질을 이용한다. 즉, 미세유로내에 서로 다른 유체인 연료 및 산화제를 흘려주면 두 유체는 섞이지 않고 액액계면(liquid-liquid interface)이 형성된다. 액액계면은 양성자 교환막의 역할을 대체하며 양성자 교환막이 가졌던 문제점을 개선 할 수 있다. 하지만 아직까지 생성되는 전력량(power)과 전력밀도(power density)가 낮아 실용화 하기에는 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 스택(stack) 및 배열(array)구조를 적용한 마이크로유체 연료전지가 연구되고 있다. 다수의 마이크로 채널을 병렬구조로 배열하거나 스택구조로 연결하여 공간을 최소화하는 연구가 진행되었고, 최소한의 공간에 더욱 높은 효율을 내기 위해 산화 니켈(nickel hydroxide)과 산화 은(silver oxide) 촉매를 평면상에 배열하는 마이크로유체 연료전지에 대한 연구도 진행되었으며, 세 개의 단일연료전지를 병렬구조로 연결하는 마이크로유체 연료전지도 연구되었다. 이러한 선행연구를 통하여 간단한 구조에 많은 수의 마이크로유체 연료전지를 집적시켜 최소한의 공간에 높은 효율을 이끌어 낼 수 있는 결론에 도달할 수 있었다. 그러나 아직까지는 실용화 하기에 효율성이 떨어지며 이를 향상시키기 위한 연구가 필요하다. 그리하여 간단하고 최소화된 구조에서 높은 효율을 낼 수 있는 마이크로유체 연료전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 마이크로유체 연료전지의 실용성을 향상시키기 위해 최적화된 스택구조를 적용하여 실용성을 향상하고자 한다. 선행연구에서 개발된 단일연료전지(single fuel cell)를 기반으로 직렬스택구조를 적용하여 전압차(voltage)을 높여 전력량을 향상시킨 선행연구를 착안하여 본 연구에서는 병렬스택구조(parallel stack structure)를 적용함으로써 전류량(current)을 증가시켜 성능을 향상시키고자 한다. 그리고 제작된 병렬스택구조 연료전지는 선행연구와 비교분석에 용이하도록 선행연구에서 사용된 과산화수소(H2O2, hydrogen peroxide) 기반의 연료(fuel)와 산화제(oxidant)를사용하여 실험을 진행한다. 그러나 선행연구에서 과산화수소 기반 연료 및 산화제는 많은 기포가 발생하며 이는 미세유로 내의 유동흐름에 치명적인 문제점으로 작용할 수 있다는 것을 언급하였기 때문에 이러한 문제점을 해결하고 선행연구에서 사용한 좀 더 안정적인 포름산(HCOOH, formic acid) 연료와 과망간산칼륨(KMnO4, potassium permanganate) 산화제를 사용하고 전해질로는 황산(H2SO4, sulfuric acid)를 혼합한 연료와 산화제를 이용하여 추가적인 실험을 진행한다. 최종적으로 최적평면병렬스택구조(optimal plane parallel stack structure)를 적용한 마이크로유체 연료전지 제작하여 선행연구에서 개발된 단일연료전지와 비교분석을 통해 최적의 구동조건을 도출하고 성능을 검증한다. 그리하여 휴대용 전원(portable source)으로 사용이 가능한 최소한의 크기를 가지며 높은 전력량(power, W)를 내는 초소형 마이크로유체 연료전지 개발을 목표로 한다.; Recently, Electronics device industry with the development of the IT industry is rapidly growing. Because of it, interest about portable power source has increased. One of them is the micro fuel cell. The existing micro fuel cell was used for proton exchange membrane. A proton exchange membrane has several disadvantages such as humidification, fuel crossover, expensive. The microfluidic fuel cell solve lots of the problem about proton exchange membrane. Because this type of fuel cell is operated without a physical barrier. So sometime it is called membraneless fuel cell. However commercialization of microfluidic fuel cell is still difficult. For commercialization was not secure sufficient power. So many research for improving performance have been conducted. In this study, we propose a microfluidic fuel cell applied parallel stack structure as a way to improve power. We expect that microfluidic fuel cell of parallel structure will improve the total power.