마이크로유체 연료전지를 위한 전극 형상 및 재료에 관한 연구

Abstract

한정된 화석에너지 고갈에 대한 불안이 고조되고 있는 가운데, 친환경적이면서 충분한 부존자원이 확보된 신에너지 산업에 관심이 집중되고 있다. 또한, 최근 IT산업의 발전과 더불어 휴대용 전자기기가 고성능화 및 다기능화 되어 휴대용 전자기기의 전력 소모량이 급증하고 있는 추세이다. 따라서 2차 전지를 대체할 새로운 휴대용 전자기기의 전원 공급 장치로서 마이크로 연료전지가 기대를 모으고 있다. 그러나 아직 출력증대, 부피감소, 가격절감, 내구성 향상, 연료공급 인프라 구축 등의 많은 과제가 남아있다. 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)는 미세유로에서 흐르는 유체들은 층류를 형성하여 잘 섞이지 않는다는 성질을 이용하여 교환막의 파손 및 막힘 현상 등의 양성자 교환막 연료전지에서의 문제점들을 쉽게 해결할 수 있다. 본 연구의 목표는 마이크로 유체 연료전지 실용성을 향상시키는 것이며, 이를 위해 전력밀도 향상과 제작비용 절감의 두 가지 세부목표를 설정하였다. 첫 번째 목표인 전력밀도 향상을 위해서 마이크로유체 연료전지의 마이크로 채널에서 발생하는 연료 소모 경계층의 두께를 감소시켜 전력밀도를 상승시키고자 하였으며 두 번째 목표인 제작비용 절감을 위해서 마이크로유체 연료전지의 전극에 적용할 수 있는 가격이 저렴하고 미세가공이 가능한 재료를 선정하였다. 첫 번째 연구에서는 백금으로 된 요철 전극이 있는 마이크로유체 연료전지를 구상하고 제작하였다. 다양한 각도와 배열의 요철이 있는 마이크로유체 연료전지에 대해 유동해석과 전류밀도 측정을 진행하였다. 제작은 다양한 재료 및 공정을 적용하여 진행하였다. 연료와 산화제로서 과산화수소를 이용하는 경우와 포름산 및 과망간산칼륨을 이용하는 경우 두 가지로 나누어 실험을 하였다. 연료와 산화제를 과산화수소로 이용한 경우는 편평한 전극의 연료전지와 요철 전극의 연료전지의 성능차이를 보이지 않았다. 포름산과 과망간산칼륨을 사용한 경우는 요철전극 연료전지의 전류밀도 및 전력밀도가 편평한 전극의 연료전지보다 상승한 것을 확인하였다. 두 번째 연구에서는 전극의 재료로서 전도성 폴리머를 이용하는 경우와 열분해한 감광제를 이용하는 경우로 나누어 진행하였다. 연료와 산화제로서 과산화수소를 이용하여 진행하였다. 각각의 재료를 이용한 전극제작 공정 조건을 도출하였고 이를 이용하여 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다. 실험 결과 전도성 폴리머 전극 연료전지는 전류밀도를 측정할 수 없었지만 열분해한 감광제를 이용한 연료전지의 경우 전류밀도 측정에 성공하여 열화 감광제 박막의 연료전지 전극에 대한 적용 가능성을 확인할 수 있었다.