전력밀도 향상을 위한 마이크로유체 연료전지 직렬구조에 관한 연구

Abstract

최근 휴대용 전자기기의 고성능화로 휴대용 전자기기의 전력 소모량이 급증하고 있다. 이에 따라 휴대용 전자기기의 전력공급장치로써 마이크로 연료전지의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 마이크로 연료전지는 양성자 교환막을 사용하기 때문에 anode dry-out, cathode flooding 현상, 크로스오버(cross-over) 현상, 교환막의 파손 및 변형현상 등의 많은 문제점이 생긴다. 이런 문제점을 극복하기 위해서 양성자 교환막을 사용하지 않는 마이크로 유체 연료전지가 연구되었다. 기존의 연구에서 새로운 마이크로유체 연료전지를 개발하고 성능을 향상하기 위해서 연료와 산화제를 포함한 전해질 용액의 종류, 전극의 재료, 마이크로 채널의 형상 및 구성 등을 변화하였다. 하지만 현재 마이크로유체 연료전지는 낮은 전력밀도로 인하여 실용화되기가 어려우며 이를 극복하기 위한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 마이크로유체 연료전지의 전력량을 향상시키는 방안으로써 스택(stack)구조를 적용한 마이크로유체 연료전지를 제안한다. 전력의 향상을 위해 직렬 또는 병렬로 연결하는 스택 타입의 연료전지를 제작함으로써 총 전력밀도의 향상을 기대해 볼 수 있다. 또한 스택구조의 집적화를 통해 작은 크기의 연료전지에서 높은 전력을 생산함으로써 연료전지의 효율을 높이고자 한다. 스택구조를 갖는 마이크로유체 연료전지의 제작을 위해 우선 상용유체해석 프로그램인 CFD-ACE+를 통해 마이크로 채널 내의 유동해석을 수행하여 채널형상 및 전극의 크기 및 간격 등을 설계하였다. 마이크로유체 연료전지는 Y자 형태의 입구가 네 개, 출구가 한 개인 형태로 제작되었으며 백금전극이 있는 glass층과 그 위에 마이크로채널을 형상하는 SU-8층, 이것을 덮어주는 PDMS층으로 구성된다. 연료와 산화제로는 과산화수소를 이용하였고 Potentiostate를 사용하여 마이크로유체 연료전지의 전력밀도와 총 전력량을 측정하였다. 마지막으로 사전연구를 통해 제작되었던 단일연료전지와 이번 스택구조를 갖는 연료전지와의 비교를 통해 마이크로유체 연료전지의 스택구조화를 통해 생성되는 총 전력이 향상되었고 추가적인 연구 및 보완을 통해 실용화의 가능성이 있음을 보였다.