종이기반 마이크로유체 전기화학 연료전지 전력량 향상을 위한 연구

Abstract

스마트폰, 태블릿PC 등 고성능 휴대 전자기기의 사용량이 지속적으로 증가하고 성능 또한 상승하고 있다. 또한 웨어러블 디바이스 등의 차세대 전자기기도 시시각각 발전하고 있기에 리튬 이온 배터리와 같은 2차전지의 한계에서 벗어나 새로운 전력원의 필요성이 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해 저비용, 고효율의 전력원으로 마이크로 유체 연료전지 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이렇게 연구되고 있는 마이크로 유체 연료전지도 아직 여러 단점이 존재하는데, 그 중 가장 큰 문제는 양성자 교환막이다. 양성자 교환막을 이용한 연료전지는 활성화 온도 유지, 막의 수화상태 유지가 필수적이며 교환막이 영구적이지가 않고 제작 공정이 복잡하며 단가가 높다는 단점이 존재한다. 이를 해결하기 위해 양성자 교환막을 사용하지 않는 Membraneless 설계가 시도되었고, 기존 양성자 교환막의 다양한 단점들을 메꾸면서 기기의 소형화 또한 가능케 하였다. 하지만, Membraneless 설계도 여전히 연료전지에 연료와 산화제를 공급하고 부산물을 배출하기 위한 외부펌프를 필요로 하여 디바이스의 초소형화는 여전히 힘든 상태이다. 이러한 점을 해결하기 위해 외부 펌핑 시스템을 제거하고 Self-Pumping에 대한 연구를 진행하게 되었다. 본 연구는 마이크로 유체 연료전지 소형화의 걸림돌인 외부펌프와 배출 시스템을 해결하기 위해 종이의 모세관 작용을 이용한 종이 기반 유체 연료전지를 개발하였다. 또한, 포름산 기반의 연료전지가 갖는 낮은 전력밀도를 해결하기 위해 바나듐을 기반으로 한 연료를 이용하여 전력밀도의 상승을 꾀하였다. 종이 기반 유체 연료전지는 유속이 매우 낮아 적은 양의 연료만을 소모하고도 장시간 전력 발전을 기대할 수 있다. 선행 연구에서 지적되었던 연필 스케치를 통한 전극 형성 방법을 개선하여, 대량 생산이 용이하도록 종이 유로 위에 전극 형상 구멍이 뚫린 필름을 깔고 Carbon Paste를 얇게 펴 발라 전극을 형성하는 스크린 프린팅 방식을 이용하였다. 채널 형상 또한 대량 생산을 위해 SU-8 Photolithography 공정을 통해 일괄적으로 제작하였다. 또한, 선행연구에서 사용된 포름산 기반 연료는 전력밀도가 낮기 때문에 이를 보완하기 위해 연료로는 V2+, 산화제로는 V02+를 제작하였고 전해질로는 황산을 이용하였다. 본 연구에서 제작된 전지를 보다 정확하게 성능 평가 하기 위해 연료와 산화제, 전해질을 다양한 농도로 제작하여 비교 실험을 하였고, 산소 접촉에 영향을 받는 바나듐 연료를 고려하여 산소 접촉을 완전히 차단한 케이스와 그렇지 않은 케이스를 따로 실험하여 성능을 비교하였다. 또한, photo-lithography방식과 screen printing방식을 이용해 제작한 전지의 성능을 측정하기 위해 연필 stroke로 전극을 제작한 선행연구와의 비교실험을 진행하였다. 본 연구를 통해 연필의 탄소성분을 이용해 전극을 제작한 선행연구의 연료전지와 참고, 비교를 통해 성능이 개선된 종이 기반 유체 연료전지를 개발하여 총 전력량 및 전력 밀도의 향상을 기대할 수 있다. 또한 실용화되기 위해 필요한 성능의 연료전지를 개발하는데 있어 방향을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.