요철 전극을 이용한 마이크로 유체 연료전지

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. 본 연구에서는 전극의 표면형상을 개선하여 마이크로 유체 연료전지의 성능을 향상하는 방안으로 사용되는 연료 및 산화제의 종류, 전극의 재료에 상관없이 요철형상의 전극을 이용하여 연료 소모 영역을 감소시켜 연료전지의 성능이 향상되는 방법을 제안한다. 세부적으로 요철전극을 이용할 때 전극의 길이와 요철의 형상이 마이크로 채널 안의 미세유동에 미치는 영향을 파악하여 연료전지의 성능에 미치는 영향에 대해서 알아보았다. 요철 전극 마이크로유체 연료전지의 성능 실험을 위해서 요철에 따른 유동 특성을 파악하기 위해 전극의 길이와 요철의 배열 및 각도를 형상변수로 결정하고 상용유체해석 프로그램인 CFD-ACE를 이용하고 마이크로 채널 내의 유동해석을 수행하여 요철전극 위의 미세유동을 분석하였다. 마이크로유체 연료전지는 Y자 형태의 입구가 두 개, 출구가 한 개인 형태로 제작되었으며, 백금전극이 있는 glass층과 마이크로 채널이 있는 PDMS층으로 구성된다. 연료와 산화제로는 과산화수소를 이용하였고, Potentiostate를 사용하여 마이크로유체 연료전지의 전류밀도와 전력밀도를 측정하였다. 요철전극의 성능 평가를 위해 전극의 길이별로 평평한 전극을 가진 연료전지와 요철의 배열과 각도가 다른 연료전지를 제작하여 비교실험을 하였다. 실험을 통하여 전극의 길이별로 요철의 배열과 각도가 마이크로 유체 연료전지의 성능에 미치는 영향을 분석하였다.