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에너지·자원기술개발사업 최종보고서 초록

요약문

목차

제1장 서론 21

제1절 사업의 필요성(중요성) 21

1. 기술개요 및 개발 필요성 21

가. 기술의 개요 21

(1) 개요 21

(2) 발전원리 및 기능 27

(3) 응용분야 29

나. 기술개발의 필요성 29

(1) 기술적 측면 29

(2) 경제적 측면 30

2. 관련 기술의 국내·외 현황 30

가. 국내의 경우 30

나. 국외의 경우 37

다. 국내외 특허 및 현존 기술과의 관련성 45

3. 현존 기술의 문제점 및 해결방안 46

가. 현존 기술의 취약점(문제점) 46

나. 기술개발과정에서의 애로사항 46

다. 문제점 및 애로사항 해결방안 46

4. 기대효과 및 활용방안 47

가. 기대효과 47

나. 활용방안 47

5. 개발기술의 경제성 47

가. 개발기술의 에너지자원 효과 47

나. 개발기술의 보급환경 (제도적, 경제적 여건 등) 48

다. 시장현황 48

(1) 국내시장 48

(2) 국외시장 54

제2장 본론 56

제1절 1차년도 결과 56

1. 시스템 기본 설계 56

가. 시스템 설계 개념 및 부품 선정 56

나. 밀봉 방법과 유로 디자인 56

다. 연료 공급을 위한 manifold design 62

라. 물 회수 시스템 62

2. 연료 카트리지 설계 (20cc 이하) 65

가. 연료 카트리지 개념 65

나. 연료 카트리지 디자인 65

다. 연료 카트리지 설계 65

라. 연료 카트리지 제작 69

3. 제어 회로 (Control circuit) 설계 71

가. 제어 회로 개념 71

나. 제어 회로 구성 소자 71

다. 제어 회로 설계 71

라. 제어 회로 제작 71

4. 마이크로 연료전지용 스택, MEA 제작 기술 81

가. MEA 제작 및 단위전지 성능 평가 81

나. 스택 설계 및 제작 기술 89

5. 마이크로 연료전지 유로 설계 및 해석 99

가. plate 식 유로 설계 및 해석 99

나. serpentine 식 유로 설계 99

(1) single channel식 - 1 cell 99

(2) 2 channel식 - 4 cell - 1 layer 99

(3) 2 channel식 - 4 cell - 4 layer - 1 stack 99

6. 상분리 현상 파악을 위한 가시화 장치 제작 및 상분리 기초 실험 110

가. 상분리 가시화 실험 장치 제작 110

나. 상분리 가시화 실험 110

7. 마이크로 펌프 설계 기초 기술 개발 116

가. 상변화를 이용한 열공압형 펌프 개념 설계 116

나. 열/유체 해석을 통한 액츄에이터 사양 설계 116

다. 유체 해석을 통한 밸브 사양 설계 119

8. 마이크로 펌프 액츄에이터 모듈 제조 125

가. 액츄에이터 모듈 구조 125

나. 액츄에이터 모듈 제작 방법 125

다. 액츄에이터 모듈 제작 결과 126

라. 액츄에이터 모듈 성능시험 126

9. 지지체 개발 135

가. PCB 전지 지지체 개발 135

나. Silicon wafer 전지 지지체 개발 135

다. LTCC 전지 지지체 개발 135

제2절 2차년도 결과 151

1. 연료전지 스택 디자인 151

가. 단위전지 디자인 151

나. 스택 디자인 151

2. 스택 디자인의 성능평가 결과 157

가. 단위전지에서의 성능 결과 157

(1) Square type structure에서의 opening rate에 따른 성능 비교 157

(2) Circle type structure에서의 opening rate에 따른 성능 비교 157

(3) Angular line type structure에서의 opening rate에 따른 성능 비교 157

(4) 각 opening structure별 전력 밀도 결과 157

나. 스택에서의 성능 결과 164

3. 마이크로 DMFC 단위전지 제작 167

가. 단위전지 제작 및 운전 167

(1) 고성능 멤브레인-전극 결합체(MEA) 개발 167

(가) 전극 촉매 슬러리 제조방법에 따른 MEA 성능변화 167

(나) Nafion ionomer의 함량에 따른 MEA 성능변화 167

(다) Catalyst loading에 따른 MEA 성능변화 171

(라) 메탄올 농도와 Nafion membrane의 종류에 따른 MEA의 성능변화 171

(마) 전극과 고체 고분자 전해질 막의 접합 175

① Hot pressing 압력에 따른 MEA 성능변화 175

② Hot pressing 온도에 따른 MEA 성능변화 178

③ Hot pressing 시간에 따른 MEA 성능변화 183

(바) 자체 제조 MEA와 상용 MEA의 성능비교 183

(사) 카본담지체 촉매를 이용한 측매 사용량 저감 190

(2) Bar coating machine을 이용한 기계식 촉매 코팅 190

(가) 실험 방법 190

(나) 실험 결과 및 고찰 194

(3) 금속 Bipolar 사용 단위전지의 제작과 성능 평가 203

나. 단위전지와 스택의 설계 208

(1) DMFC 설계를 위한 전기화학적 수치 분석 프로그램 개발 208

(2) Bipolar plate 유로의 수치해석 결과 및 유로 설계 213

4. 5W급 스택 제작 및 운전 특성 222

5. 마이크로 펌프 정밀 설계 기술 개발 232

가. 응력/변형 해석을 통한 구조 설계 232

나. MEMS 공정을 이용한 펌프 제조 기술 개발 232

6. 마이크로 펌프 정밀 제어 기술 개발 244

가. 상변화형 마이크로 펌프의 구동 244

나. Applied voltage 244

다. Duty ratio 244

라. Frequency 250

마. Operating liqulds in chamber 250

7. 수소저장물질 및 수소발생법 개발 255

가. 서론 255

나. 실험방법 257

다. 실험결과 257

8. 마이크로 연료전지 지지체 개발 및 촉매 성능 평가 265

가. Small fuel cell system 제작 기술 확보 265

나. MEMS 기법을 이용한 Single Cell 구축 265

다. Au PC도금을 통한 메탄올에 의한 Current Collector의 부식 억제 265

라. 연구방법 265

(1) Small fuel cell system 제작 기술 확보 265

(2) MEMS 기법을 이용한 Single Cell 구축 266

(3) Au PC도금을 통한 메탄올에 의한 Current Collector의 부식 억제 266

마. 실험 결과 266

(1) 다양한 flow pattern과 channel width를 가진 single cell 제작 266

(2) 채널 패턴 변화에 따른 single cell test 270

(3) 채널 width 변화에 따른 single cell test 270

(4) Au PC도금을 통한 성능 향상 278

9. 마이크로 연료전지용 LTCC 소재개발 287

10. 연료전지 시스템 295

11. 제어 회로 300

12. BOP 305

제3절 3차년도 결과 308

1. 마이크로 연료전지 시스템 개발 308

가. 마이크로 연료전지 시스템 308

나. 기체 펌프 (Air pump) 308

다. 액체 펌프 (Liquid pump) 309

라. 제어 회로 (Control circuit) 317

2. 마이크로 DMFC 단위전지 제작 325

가. 성능 전해질-전극 결합체(MEA) 개발 325

(1) 전극과 고체 고분자 전해질 막의 접합 325

(가) Hot pressing 압력에 따른 MEA 성능변화 325

(나) Hot pressing 온도에 따른 MEA 성능변화 329

(다) Hot pressing 시간에 따른 MEA 성능변화 329

(2) 카본담지체 촉매를 이용한 촉매 사용량 저감 329

나. 전해질-전극 결합체 (MEA)의 장기성능평가 335

다. Bar coating machine을 이용한 기계식 촉매 코팅 340

(1) PtRu/C 및 Pt/C 촉매를 이용한 MEA제조 340

3. 단위전지와 스택의 설계 및 해석 347

가. Bipolar plate 유로 설계 및 수치해석 347

(1) DMFC 스택 및 유로 설계 347

(2) DMFC 설계를 위한 전기화학적 수치 해석 프로그램 개발 347

(3) Bipolar plate 유로 설계 및 수치해석 결과 353

나. DMFC에서 생성되는 물과 이산화탄소의 배출 효율화 설계 374

(1) 물 및 CO₂상분리 가시화 실험 379

(2) 기포와 액적 거동의 이론적 해석 391

(3) 마이크로 구조물 기공이 천공된 GDL의 적용 400

(4) 5W급 스택 제작 및 운전 특성 403

(가) 5W급 스택의 제작 403

(나) 5W급 Stack I 모델의 설계·제작 및 성능평가 408

① 5W급 Stack I 모델의 설계 및 제작 408

② 5W급 Stack I 모델들의 성능평가 408

(다) 5W급 Stack II모델의 설계·제작 및 성능평가 419

① 5W급 Stack II모델의 설계 및 제작 419

② 5W급 StackII모델들의 성능평가 419

(라) 5W급 StackIII모델의 설계·제작 및 성능평가 441

① 5W급 StackIII모델의 설계 및 제작 441

② 5W급 StackIII모델들의 성능평가 441

(마) 5W급 Stack의 장기 성능평가 451

4. 선형 구동 마이크로펌프 개발 456

가. 선형 구동 마이크로 펌프 456

나. 선형 구동 마이크로 액추에이터 작동 원리 456

다. DMFC 스택 및 측정 시스템 456

라. 상용 체크밸브 성능 461

마. MEMS 체크밸브 제작 461

5. 펌프 성능 최적화 461

가. 구도 주기에 따른 펌프 성능 461

나. 구동 듀티에 따른 펌프 성능 471

다. 저주파 구동이 연료전지에 미치는 영향 475

6. 내구 성능 및 소음 특성 475

가. 내구 성능 475

나. 소음 특성 475

7. 마이크로 연료전지 지지체 개발 484

가. 소형 연료전지 제작 기술 개발 484

(1) 시편준비 484

(2) 니켈 무전해 도금 (Ni electro-less plating) 484

(3) 펼스 전해 금도금(Au pulse electroplating) 484

(4) 특성 조사 488

(가) 부식 전류 측정 488

(나) 부식 속도 측정 488

(다) DMFC 성능 측정 488

나. 소형 연료전지 특성 평가 결과 488

(1) 부식 전류 측정 488

(가) Peak voltage에 따른 효과 488

(나) Frequency에 따른 효과 488

(다) Duty Cycle에 따른 효과 488

(2) Multi cell design 494

(가) Planar type 494

(나) Stack type 494

(3) Multi Cell 성능 측정 결과 494

(가) OCV 494

(나) IV-curve 494

8. 마이크로 연료전지용 LTCC 소재개발 502

가. Li₂O를 첨가한 LTCC 조성 연구 502

(1) Sample ID and compositions 502

(2) Shrinkage variation of each sample 502

(3) Density of each sample 502

(4) SEM images of each samples 502

(5) Dilatometer Data 502

나. Chemical Durability of an Anorthite-Based LTCC 502

(1) Weight loss vs leaching time data graph 502

(2) SEM images of LTCC 509

(3) XRD data of LTCC samples 509

(4) Kinetic analysis vs time data graph 509

다. Diopside 유리 조성을 활용한 LTCC 509

(1) Composition of diopside glass LTCC sample. 509

(2) 고강도 유리를 위한 조성 실험 509

(3) Flexural strength of DuPont 951 tape, D6 and D7 509

라. Fiber-enhanced LTCC (FE-LTCC) 516

(1) XRD data of fiber 516

(2) SEM images of fiber 516

(3) The comparison of dielectric properties of FE-LTCC 516

(4) Property variation of each sample 516

(5) Mechanical strength of FE-LTCC 516

(6) XRD and SEM result of LTCC sample after fired at 850℃ for 30min 516

(7) DTA result of FE-LTCC 523

(8) SEM image of green tapes 523

마. The LTCC tapes with filler, fiber or whisker 523

(1) The comparison of dielectric properties of LTCC tapes 523

(2) Dielectric property (＠ 1MHz) of enhanced LTCC 523

(3) Strength variation of LTCCs 523

(4) SEM images of normal LTCCs 523

(5) SEM images of normal FE-LTCC 523

(6) SEM images of normal WE-LTCC 531

제3장 결론 533

부록 535

표 1-1. DMB폰에 사용되는 배터리의 사양과 주요 성능 23

표 1-2. 마이크로 연료전지의 시장 투입 26

표 1-3. 미국 및 유럽의 DMFC 개발 현황 38

표 1-4. 국내 유·무선 서비스별 가입자 현황 49

표 1-5. 주요 전자부품 및 전자기기의 품목별 수출실적 50

표 1-6. 휴대폰 시장 전망 51

표 1-7. 국내 2차전지 산업동향 52

표 1-8. 국내 2차전지 시장 규모 53

표 1-9. 세계 2차 전지 시장 현황 55

표 2-1. PCB 연료전지의 멤브레인과 계면 저항 138

표 2-2. PCB 연료전지의 멤브레인과 계면 저항 141

표 2-3. 시료 ID와 조성 성분표 146

표 2-4. 각 structure 별 opening rate에 따른 전력 밀도 161

표 2-5. Nafion ionomer의 함량에 따른 MEA 성능변화 (Anode : 1M MeOH, Cathode : air Temp : 60℃ ) 172

표 2-6. Catalyst loading에 따른 MEA 성능변화 (Anode : 1M MeOH, Cathode : air Temp : 60℃ ) 173

표 2-7. 전해질/전극 접합체(MEA)의 hot-press조건 및 특성 177

표 2-8. hot-press 온도변화에 따른 MEA의 특성 185

표 2-9. hot-press 시간변화에 따른 MEA의 특성 187

표 2-10. Bar의 높이에 따라 코팅된 촉매층의 두께와 양의 변화 196

표 2-11. 붓칠과 bar-coating으로 만든 MEA의 전압에 따른 성능 비교 204

표 2-12. 마이크로 액추에이터 모델별 사양 238

표 2-13. 작동유체의 종류별 열역학적 물성치 252

표 2-14. 채널 width에 따른 멤브레인 및 계면 저항 280

표 2-15. Diopslde 유리 조성을 활용한 LTCC 288

표 2-16. 샘플의 조성 및 물리적 특성 294

표 2-17. 제어 회로 (Control Circuit) 성능 304

표 2-18. 제어 회로의 주요 부품 322

표 2-19. 전해질/전극 접합체(MEA)의 hot-press조건 및 특성 326

표 2-20. hot-press 온도변화에 따른 MEA의 특성 330

표 2-21. hot-press 시간변화에 따른 MEA의 특성 331

표 2-22. 각 촉매별 성능비교 338

표 2-23. 5W급으로 설계 제작한 스택들의 특성 409

표 2-24. Stack I의 설계 및 제작 사양 411

표 2-25. Stack II에 사용된 MEA 및 stack의 제작 사양 423

표 2-26. air pump의 물리적 특성 425

표 2-27. Stack 6th의 technical data 432

표 2-28. Stack 7th의 technical data 438

표 2-29. Stack 8th의 technical data 442

표 2-30. StackII에 사용된 MEA 및 stack의 제작 사양 444

표 2-31. Stack 9th의 technical data 447

표 2-32. 본 연구에서 개발한 스택들의 총 부피 및 출력 그리고 출력밀도 450

표 2-33. 선형 구동 마이크로 액추에이터 사양 460

표 2-34. 소형 DMFC 스택의 사양 463

표 2-35. 니켈 무전해 도금 공정 485

표 2-36. 금 펄스 도금 486

표 2-37. Deposition 조건 요약 489

표 2-38. 연료 유량 조절 491

표 2-39. PCB 지지체의 부식 속도에 따른 duty cycle 영향 496

표 2-40. Li₂O를 첨가한 glass의 조성과 sample ID 503

표 2-41. 실험에 사용한 Diopside 조성 연구 513

표 2-42. FE-LTCC의 dielectric property 비교 519

표 2-43. 기존 LTCC와 Fiber 또는 Whisker를 첨가한 LTCC tape의 dielectric property 비교 526

그림 1-1. 휴대용 모바일 기기인 DMB 폰 22

그림 1-2. 2000년까지의 마이크로 연료전지관련 연구개발 이력 25

그림 1-3. 직접메탄올 연료전지의 발전원리 28

그림 1-4. 삼성종합기술원(SAIT)이 개발한 DMFC 장착 휴대폰(2000년) 32

그림 1-5. 삼성종합기술원이 개발한 Note PC용 DMFC 시스템. 33

그림 1-6. 삼성종합기술원이 개발한 DMB폰용 충전기(a)와 PDA용 Hybrid 전원(b) 34

그림 1-7. 삼성 SDI가 개발한 Note PC용 DMFC 시스템 35

그림 1-8. 200W급 무선 청소기용 DMFC 시스템 36

그림 1-9. Motorola사의 DMFC 시스템 Diagram(a)과 1W FC charger의 내부(b) 39

그림 1-10. MTI사의 PDA용 micro fuel cell 41

그림 1-11. KDDI가 Toshiba사(a) 및 Hitachi사(b)와 공동으로 개발한 시제품 42

그림 1-12. Toshiba사의 0.1W급 마이크로 DMFC 43

그림 1-13. NTT DoCoMo와 Fujitsu는 FOMA handset charger 시제품 44

그림 2-1. 연료 전지 시스템 설계 개념도 및 부품도 57

그림 2-2. DMFC 시스템 모식도 58

그림 2-3. Integrated DMFC 시스템 모식도 59

그림 2-4. silicone 밀봉 개념도 60

그림 2-5. semi-serpentine 유로 디자인 61

그림 2-6. manifold design 63

그림 2-7. water management 시스템 모식도 64

그림 2-8. 연료 카트리지 디자인 모식도 66

그림 2-9. 연료 카트리지 부품리스트 67

그림 2-10. 카트리지 밸브의 작동 원리 모식도 68

그림 2-11. 연료 카트리지 제작물 70

그림 2-12. 제어 회로 개념 구성도 72

그림 2-13. 8 Bit AVR Microcontroller (ATmega 8) 73

그림 2-14. 제어 회로 설계 74

그림 2-15. PCB 배선도 (전면) 75

그림 2-16. PCB 배선도 (후면) 76

그림 2-17. 제어 회로 전면부 77

그림 2-18. 제어 회로 후면부 78

그림 2-19. 제어 회로 연결 모습 (Passive Type) 80

그림 2-20. 연료극(a)과 공기극(b)의 나피온 함량에 따른 MEA의 성능 변화(60℃) 82

그림 2-21. 전극용 촉매 종류(a)와 멤브레인 두께(b)에 따른 MEA의 성능 변화(60℃와 80℃) 83

그림 2-22. 나피온 레진 멤브레인과 상용 나피온115 멤브레인을 각각 사용한 MEA의 성능 결과 84

그림 2-23. MEA 성능 측정용 단위전지(a)와 성능 측정용 test station(b) 85

그림 2-24. 스택용 MEA 86

그림 2-25. MEA의 전극 코팅용 스크린 프린터(a)와 코터(coater)(b) 87

그림 2-26. 대상 금속 재료의 Potentiometry test (0.001M 황산, sweep rate : 0.2mV), 88

그림 2-27. 0.8V 의 정전압에서 측정한 금속의 Chronoamerrometry test (at 0.8V, 24 hr) 결과 90

그림 2-28. 마이크로 연료전지 스택의 구성도와 스택 사이즈 91

그림 2-29. 스택 구성용 유로(a)와 금속/플라스틱 유로 플레이트(b : 바이폴라형, c : 모노폴라형) 92

그림 2-30. 금속/플라스틱 유로 플레이트 사용 스택 93

그림 2-31. 금속/플라스틱 유로 플레이트 사용 단위전지의 전류/전압/출력 특성 95

그림 2-32. 금속/플라스틱 유로 플레이트 사용 4 layer스택의 전류/전압/출력 특성 96

그림 2-33. 4 layer스택의 OCV와 일정 부하 상태에저 측정한 셀 전압 97

그림 2-34. 일정 전류(1.8A)에서 유지한 4 layer 스택의 전압 특성(35℃) 98

그림 2-35. Plate 식 유로 설계 100

그림 2-36. Plate 식 유로 해석 101

그림 2-37, 4 layer - 1stack 구조의 3차원 매니폴더 구조에 따른 유동 및 압력 분포 102

그림 2-38. 채널에서의 압력 분포 103

그림 2-39. GDL에서의 속도 분포 104

그림 2-40. 채널에서의 압력 분포 105

그림 2-41. GDL 에서의 속도 분포 106

그림 2-42. 2상 유동 해석을 통한 cathode 채널에서의 물의 거동 107

그림 2-43. cathode측 입구 매니폴더 및 출구 주위의 유동 108

그림 2-44. 4 layer 전체 cathode 채널에서의 유동장 109

그림 2-45. 상분리 가시화 장치 111

그림 2-46. 상분리 가시화 실험에 사용한 MEA 장착 유로 112

그림 2-47. MEA의 I-V curve 113

그림 2-48. 1-채널식에서의 CO₂ 거동 114

그림 2-49. 2-채널식에서의 CO₂ 거동 115

그림 2-50. 상변화를 이용한 열공압형 마이크로 펌프 개념도 117

그림 2-51. 상변화를 이용한 열공압 펌프의 열균형 118

그림 2-52. DMFC 시스템의 수력학적 개념도 120

그림 2-53. 디퓨저 형상설계변수(깊이 tv(이미지참조)) 및 손실계수 121

그림 2-54. Total valve efficiency and pressure drop as a function of Diffuser Inlet Roundness. D₁, D₂, tv(이미지참조), and θ is 100, 250, 100 ㎛, and 10˚ respectively 122

그림 2-55. Total valve efficiency and pressure drop as a function of Diffuser Inlet Width. D₂, tv(이미지참조), θ, and r₁/D₁ is 250, 100 ㎛, 10˚, and 0.2 respectively 123

그림 2-56. 수치해석을 이용한 멤브레인의 변형 및 응력 분포 (FEMLAB) 124

그림 2-57. 제작된 Micro Actuator의 개략도 및 실제 사진 127

그림 2-58. 마이크로 펌프 액츄에이터 모듈 MEMS 공정도 128

그림 2-59. 엑츄에이터 모듈의 가열 냉각 특성 실험 장치 개략도 129

그림 2-60. 듀티 변화에 의한 히터 전력에 따른 액츄에이터 모듈의 가열/냉각 특성(Voltage 24 V, Ambient T 22 ℃) 130

그림 2-61. 듀티 변화에 의한 히터 전력에 따른 액츄에이터 모듈의 가열/냉각 특성(Voltage 24 V, Ambient T 50 ℃) 131

그림 2-62. 전압 변화에 의한 히터 전력에 따른 액츄에이터 모듈의 가열/냉각 특성(Duty 50%, Ambient T 50 ℃) 133

그림 2-63. 동일 히처 전력에서 전압과 듀티에 따른 액츄에이터 모듈의 가열/냉각 특성(Power 0.08 W, Ambient T 50 ℃) 134

그림 2-64. PCB 마이크로 연료전지 디자인 136

그림 2-65. 성능 평가 및 impedance 분석 결과 137

그림 2-66. PCB 연료전지의 표면 139

그림 2-67. 성능 평가 및 impedance 분석 결과 140

그림 2-68. PCB 연료전지의 표면 142

그림 2-69. Silicon wafer 마이크로 연료전지 디자인 143

그림 2-70. 다공성 sillicon의 SEM 이미지 144

그림 2-71. 각 시료의 수축 변화율 147

그림 2-72. 각 시료의 밀도 148

그림 2-73. L02의 SEM 이미지 (a) 650℃, (b) 750℃, (c) 850℃과 LOO의 SEM 이미지 (d) 850℃ 149

그림 2-74. Dilatometer 데이터 150

그림 2-75. Cathode 유로판 사진- Ver. 2(좌) & Ver. 3(우) 152

그림 2-76. 단위셀 구성 및 단위셀 stack 체결 모습 153

그림 2-77. Open area가 다른 공기극판의 디자인 154

그림 2-78. 6 planar cell의 디자인 155

그림 2-79. 공기극 end plate 156

그림 2-80. square type structure의 opening rate별 전력밀도곡선 158

그림 2-81. circle type structure의 opening rate별 전력밀도곡선 159

그림 2-82. angular line type structure의 opening rate별 전력밀도곡선 160

그림 2-83. 각 opening 형태와 비율 별 최대 전력 밀도 162

그림 2-84. water flooding의 영향 163

그림 2-85. 6 cell 스택의 전력 밀도 곡선 165

그림 2-86. Aluminum과 PEEK의 성능 비교 166

그림 2-87. Membrane-Electrode Assembly(MEA) 제조공정 168

그림 2-88. 전극 촉매슬러리 제조방법 169

그림 2-89. Conventional method와 New method을 이용해 제조한 촉매 슬러리의 성능비교 (Anode : 1M MeOH, Cathode : air Temp : 60℃) 170

그림 2-90. 메탄올 농도에 따른 MEA의 성능변화 174

그림 2-91. Nafion membrane의 종류에 따른 MEA 성능변화 (Cathode : air Temp : 60℃) 176

그림 2-92. hot-press 압력변화에 따른 각 온도에서의 최고출력 179

그림 2-93. Hot pressing 압력에 따른 Anode GDL (Toray)의 구조변화 180

그림 2-94. Hot pressing 압력에 따른 Cathode GDL(SGL Carbon)의 구조변화 181

그림 2-95. hot-press한 MEA의 단면사진 182

그림 2-96. Hot pressing 온도에 따른 MEA 성능변화 (Hot pressing 압력 : 94kg/㎠, Anode : 1M MeOH, Cathode : air Temp : 60℃) 184

그림 2-97. Hot pressing온도에 따른 Electrochemical Impedance Spectroscopy 186

그림 2-98. Hot pressing 시간에 따른 MEA 성능변화 (Hot pressing 압력. 44kg/㎠, Anode : 1M MeOH, Cathode : air Temp : 60℃) 188

그림 3-99. 자체 제조 MEA와 상용 MEA의 성능비교 189

그림 2-100. Nafion ionomer의 함량에 따른 MEA 성능변화 (Anode : 1M MeOH, Cathode : Air Temp : 60℃) 191

그림 2-101. 카본 담지체 촉매(60wt% PtRu/Vulcan XC72, 6owt% Pt/vulcan XC72)와 블랙촉매(PtRu black, Pt black)의 촉매 loading양 변화에 따른 MEA성능비교 192

그림 2-102. 카본 담지체 촉매(75wt% PtRu/Activated Carbon, 75wt% Pt/Activated Carbon)를 사용한 MEA성능평가 193

그림 2-103. Bar를 이용하여 촉매를 코팅하는 Bar coating machine 사진 195

그림 2-104. PtRu black 촉매를 붓칠하여 carbon paper에 올린 단면(a)과 표면(b)의 SEM 사진과 bar를 이용하여 PtRu black촉매를 carbon paper에 올린 단면(c)과 표면(d)의 SEM 사진 197

그림 2-105. Pt black 촉매를 붓칠하여 carbon paper에 올린 단면(a)과 표면(b)의 SEM 사진과 bar를 이용하여 Pt black 촉매를 carbon paper에 올린 단면(C)과 표면(d)의 SEM 사진 199

그림 2-106. Anode의 나피온 이오노머의 함량을 달리하고, bar를 이용하여 촉매를 코팅한 단위전지의 성능 곡선 200

그림 2-107. cathode의 나피온 이오노머의 함량을 달리하고, bar를 이용하여 촉매를 코팅한 단위전지의 성능 곡선 201

그림 2-108. Anode극의 촉매 코팅에 붓과 bar를(bar로) 사용했을 때의 단위전지 성능 곡선 202

그림 2-109. Carbon BP와 각종 금속 BP를 사용한 단위전지의 전압/전류밀도와 출력밀도 곡선 205

그림 2-110. 카본 혹은 각종 금속 BP를 사용한 단위전지의 임피던스 곡선 206

그림 2-111. Carbon BP와 각종 금속 BP를 사용한 단위전지의 셀 저항 207

그림 2-112. Operating Temp. 40℃ (Simulation) 209

그림 2-113. 실험 데이터 210

그림 2-114. Water liquid Mole fraction 211

그림 2-115. DMFC의 Cathode 측의 water liquid 가시화 실험 212

그림 2-116. Serpentine type (Pgage [Pa]) 214

그림 2-117. Straight type(Pgage [Pa]) 215

그림 2-118. Spot type(Pgage [Pa]) 216

그림 2-119. diamond post type (Pgage [Pa]) 217

그림 2-120. Serpentine type (Mwl [kg/m³]) 218

그림 2-121. Straight type(Mwl [kg/m³]) 219

그림 2-122. Spot type(Mwl [kg/m³]) 220

그림 2-123. diamond post type (Mwl [kg/m³]) 221

그림 2-124. 카본(a), 금속(b) 혹은 플라스틱 프레임(c) 등의 다양한 재료로 제작한 BP 223

그림 2-125. MEA 성능 측정용 단위전지(a)와 성능 측정용 test station(b) 224

그림 2-126. 카본 BP사용 5셀 스택(a) (스택 1)과 전류/전압/출력 특성(b) 225

그림 2-127. 5셀 스택의 OCV와 일정 부하(1.5, 2A)에서 측정한 셀 전압(a)(48℃)과 일정 전류(1.8A)에서 유지한 5 셀 스택의 전압 특성(b)(52℃) 226

그림 2-128. 카본 BP사용 4셀 스택(a) (스택 2)과 전류/전압/출력 특성(b) 227

그림 2-129. 4셀 스택의 OCV와 일정 부하(1.5, 2A)에서 측정한 셀 전압(a) (54℃)과 일정 전류(1.9A)에서 측정한 스택의 전압 특성(b) (54℃) 228

그림 2-130. 그림 2-126의 스택을 상온 유지 상태에서 부하를 1.9A로 가하여 측정한 스택의 전압, 출력과 온도의 변화 230

그림 2-131. 공기 공급용 소형 팬이 설치된 카본 BP 4셀 스택 231

그림 2-132. 수치해석을 이용한 멤브레인의 변형 및 응력 분포 (FEMLAB) 233

그림 2-133. 두께에 따른 실리콘 멤브레인 변형량 (5 kPa) 234

그림 2-134. 두께에 따른 PDMS 멤브레인 변형량 (5 kPa) 235

그림 2-135. 챔버 압력에 따른 다양한 형상의 실리콘 멤브레인의 변형량 236

그림 2-136. 다양한 형상의 실리콘 멤브레인에 대하여 최대 응력 대비 변형량의 관계 237

그림 2-137. 액추에이터 모델별 투시도 (좌로부터 모델 #1, #2, #3) 239

그림 2-138. 마이크로 액추에이터 모델 #2의 제작공정도 240

그림 2-139. 완성된 액추에이터 모델 #2의 사진 243

그림 2-140. 전력 공급에 따른 주기적인 온도 및 멤브레인 변위 변화 (Water, 1 Hz,Duty 50%, 1.6 W, Room Temp.) 245

그림 2-141. 주기적으로 변화하는 액추에이터 사진 246

그림 2-142. 소비전력(전압) 증가에 따른 특성 (Water, 1 Hz, Duty 50%, Room Temp.) 247

그림 2-143. 소비전력(듀티) 증가에 따른 특성 (Water, 1 Hz, 12 V, Room Temp.) 248

그림 2-144. 동일소비전력에서 전압/듀티 비에 따른 특성 (Water, 1 Hz, 1.5 W, Room Temp.) 249

그림 2-145. 구동주파수에 따른 특성 (Water, 1.5 W (3 W x 50%), Room Temp.) 251

그림 2-146. 작동유체의 종류별 포화증기압 곡선 253

그림 2-147. 작동유체의 종류별 온도, 온도변화량 및 변위량 특성 (1 Hz, Duty 50%, Room Temp.) 254

그림 2-148. 다양한 수소저장물질의 수소저장용량 및 미국 DOE의 목표값 256

그림 2-149. NH₃BH₃로부터의 수소발생을 위한 실험 개략도 258

그림 2-150. 순수한 NH₃BH₃로부터의 수소발생 (90℃) 259

그림 2-151. 합성된 SiO₂의 SEM 사진(a)과 XRD 패턴(b) 261

그림 2-152. NH₃BH₃/Si0₂로부터의 수소발생 (90℃) 262

그림 2-153. NH₃BH₃/Triglyme으로부터의 수소발생 (90℃) 263

그림 2-154. PEMFC 단위셀의 성능 곡선 264

그림 2-155. lithography 공정 267

그림 2-156. PCB(Printed-circuit board) 공정을 이용한 마스크 268

그림 2-157. 전해도금의 모식도 : (a) Direct current electroplating (b) Pulse current electroplating 269

그림 2-158. 다양한 채널 width (200, 300, 400um)를 가지는 마이크로 연료전지 제작 271

그림 2-159. 다양한 유로 패턴을 가지는 마이크로 연료전지 제작 272

그림 2-160. Ni 도금 (20, 40, 60분) 273

그림 2-161. Ni 도금 시간에 따른 두께 변화 274

그림 2-162. 다양한 채널 패턴에 따른 I-V 곡선 (80℃) 275

그림 2-163. 다양한 채널 패널에 따른 Impedance plots (80℃) 276

그림 2-164. 다양한 채널 width에 따른 I-V 곡선 (80℃) 277

그림 2-165. 다양한 채널 width에 따른 Impedance plots 279

그림 2-166. PCB 연료전지 (type1)에서 DC plating의 작동 시간에 미치는 메탄올 영향 281

그림 2-167. PCB 연료전지 (type3)에서 DC plating의 작동 시간에 미치는 메탄올 영향 282

그림 2-168. 3M CH₃0H. 1M H₂S0₄용액에서 DC plating한 Au 표면의 SEM images : (a) initial (b) 24hr (c) 100hr. 283

그림 2-169. 3M CH₃0H. 1M H₂S0₄용액에서 DC Plating한 Au 표면의 SEM images : (a) initial (b) 24hr (c) 100hr. 284

그림 2-170. 펄스 전기도금한 PCB 셀 성능 (-●-) 과 DC 전기도금한 PCB 셀 성능(-○-) 285

그림 2-171. 100Hz 펄스 전기도금한 PCB 셀 성능과 1Hz 펄스 전기도금한 PCB 셀 성능 286

그림 2-172. 기본 Diopside 유리(위쪽) 와 Na₂O를 첨가한 Diopslde 유리 (아래쪽) 289

그림 2-173. D6와 D7을 사용한 LTCC의 flexural strength 측정 결과 비교 290

그림 2-174. Fiber의 SEM사진과 XRD 분석 data 291

그림 2-175. Fiber를 사용한 LTCC의 flexural strength 292

그림 2-176. F2, F3, F5의 SEM 사진과 그 각각에 대한 flexural strength의 비교 293

그림 2-177. 삼성전자 블랙잭 폰 296

그림 2-178. 블랙잭 핸드폰용 마이크로 연료전지 시스템 설계안 297

그림 2-179. 삼성전자 블랙잭 핸드폰용 마이크로 연료전지 시스템 298

그림 2-180. Orientation이 스택 성능에 미치는 영향 299

그림 2-181. 제어 회로 (Control Circuit) 블록다이어 그램 301

그림 2-182. 제어 회로 사진 302

그림 2-183. 제어 회로 (Control Circuit) 성능 평가 구성도 303

그림 2-184. 액체 펌프 및 외곽 치수 306

그림 2-185. 액체 점프의 압력과 유량 307

그림 2-186. 삼성전자 블랙잭(Blackjack) 핸드폰 309

그림 2-187. 블랙잭 핸드폰용 마이크로 연료전지 시스템 설계안 310

그림 2-188. 블랙잭 핸드폰용 마이크로 연료전지 시스템 외곽 사이즈 311

그림 2-189. 핸드폰용 마이크로 연료전지 시스템 312

그림 2-190. 핸드폰용 마이크로 연료전지 시스템 313

그림 2-191. 기체 펌프 실물 및 외곽 치수 314

그림 2-192. 기체 펌프의 전압과 유량 315

그림 2-193. 기체 소비 전류 및 전력 316

그림 2-194. 액체 펌프의 전압과 유량 318

그림 2-195. 기체 펌프의 소비 전류 및 전력 319

그림 2-196. 초기 구동 및 연속 구동 타임도 320

그림 2-197. 제어 회로 (Control Circuit)부품 배치도 323

그림 2-198. 제작된 제어 회로 (Control Circuit) PCB 324

그림 2-199. hot-press 압력변화에 따른 각 온도에서의 최고출력 327

그림 2-200. hot-press한 MEA의 단면사진 328

그림 2-201. Hot pressing 시간에 따른 MEA 성능변화(Hot pressing 압력 : 44kg/㎠, Anode : 1M MeOH, Cathode : air Temp : 60℃) 332

그림 2-202. Nafion ionomer의 함량에 따른 MEA 성능변화(Anode : 1M MeOH, Cathode : Air Temp : 60℃) 333

그림 2-203. 카본 담지체 촉매(60wt% PtRu/Vulcan XC72, 60wt% Pt/vulcan XC72)와 블랙 촉매(PtRu black, Pt black)의 촉매 loading양 변화에 따른 MEA성능비교 334

그림 2-204. 카본 담지체 촉매(73wt% PtRu/Activated Carbon, 72wt% Pt/Activated Carbon)를 사용한 MEA성능평가 336

그림 2-205. 카본 담지체 촉매(73.1wt% PtRu/Acetylene Black, 66.9wt% Pt/Acetylene Black)를 사용한 MEA성능평가 337

그림 2-206. MEA 장기 성능 평가; 운전온도-60℃, 운전방식- 152㎃/㎠의 정전류 운전 (촉매-73wt% PtRu/Activated Carbon, 72wt% Pt/Activated Carbon) 339

그림 2-207. 장기성능평가에 따른 MEA의 전류-전압 곡선 341

그림 2-208. 장기성능평가에 따른 셀 저항 변화 342

그림 2-209. PtRu/C 촉매를 붓칠하여 carbon paper에 올린 단면(a)과 표면(b)의 SEM 사진과 bar를 이용하여 PtRu/C 촉매를 carbon paper에 올린 단면(c)과 표면(d)의 SEM 사진 344

그림 2-210. Pt/C촉매를 붓칠하여 carbon paper에 올린 단면(a)과 표면(b)의 SEM사진과 bar를 이용하여 Pt/C 촉매를 carbon paper에 올린 단면(C)과 표면(d)의 SEM 사진 345

그림 2-211. 나피온 이오노머의 함유량에 따른 MEA의 Single cell의 성능 곡선 346

그림 2-212. 나피온 이오노머의 35 wt%를 함유한 MEA의 Single cell의 성능 곡선 (bar-coating method) 348

그림 2-213. bar-coating method와 burshing method의 Single cell 성능 비교 곡선 349

그림 2-214. DMFC 스택 모식도 350

그림 2-215. Serpentine type (압력 [Pa]) 354

그림 2-216. Straight type(압력[Pa]) 355

그림 2-217. Spot type(압력 [Pa]) 356

그림 2-218. diamond post type (압력[Pa]) 357

그림 2-219. Serpentine type (Mwl [kg/m³]) 359

그림 2-220. Straight type(Mwl [kg/m³]) 360

그림 2-221. Spot type(Mwl [kg/m³]) 361

그림 2-222. diamond post type (Mwl [kg/m³]) 362

그림 2-223. Schematic of serpentine DMFC module 363

그림 2-224. pressure distribution in anode and cathode channel 364

그림 2-225. magnitude of velocity in anode and cathode channel 365

그림 2-226. pressure distribution in anode and cathode channel 366

그림 2-227. magnitude of velocity in anode and cathode channel 367

그림 2-228. pressure distribution in anode and cathode channel 368

그림 2-229. magnitude of velocity in anode and cathode channel 369

그림 2-230. water liquid mole fraction (Vcell(이미지참조)=0.5v) 370

그림 2-231. water liquid mole fraction (Vcell(이미지참조)=0.3v) 371

그림 2-232. Distribution of water liquid mass fraction in the GDL and the Channel 372

그림 2-233. CO₂bubble fraction in anode Channel 373

그림 2-234. Distribution of velocity vector 375

그림 2-235. pressure distribution in anode and cathode channel 376

그림 2-236. magnitude of velocity in anode and cathode channel 377

그림 2-237. Distribution of velocity vector and Pressure 378

그림 2-238. 가시화를 위한 단위 셀의 제작 380

그림 2-239. 가시화 실험 장치의 구성 381

그림 2-240. 가시화 단전지(I-channel vs. 2-channel serpentine type) 382

그림 2-241. 단전지의 I-V curve 383

그림 2-242. 1-channel 단전지의 연료극에서 CO₂의 거동 384

그림 2-243. 2-channel 단전지의 연료극에서 CO₂의 거동 386

그림 2-244. 가시화 단전지의 I-V curve 387

그림 2-245. 연료극의 가시화 결과 (I=0.27A) 388

그림 2-246. 연료극의 가시화 결과 (I=0.40A) 389

그림 2-247. 연료극의 가시화 결과 (I=0.80A) 390

그림 2-248. 연료극 GDL을 이루는 carbon fiber 사이에 붙잡힌 CO₂기포의 확대 사진(약 100배 확대) 392

그림 2-249. 공기극의 가시화 결과 (I=0.8A) 393

그림 2-250. 공기극 GDL을 이루는 carbon fiber에 부착된 H₂O 액적의 확대 사진 (약 100배 확대) 394

그림 2-251. 해석에 사용된 단순화 문제; 하나의 평면에 부착되거나(왼쪽) 마주보는 평행한 평면 사이에 형성된(오른쪽) 두 유체(P₁, P₂)의 계면 396

그림 2-252. 체적과 접촉각의 영향;V/VL(이미지참조)=0.8 401

그림 2-253. 체적과 접촉각에 따른 표면에너지의 변화 402

그림 2-254. 기포와 액적의 배출 경로 404

그림 2-255. Cone-shape의 모세관 내에서 액적의 거동 405

그림 2-256. GDL 마이크로 천공장치 406

그림 2-257. 가시화 및 GDL 천공 장치 407

그림 2-258. 5cell로 구성된 5W급 stack I (a)과 카본 bipolar plate (b) 410

그림 2-259. 카본 BP사용 5셀 스택(a) (Stack 3rd)와 전류/전압/출력 특성(b) 412

그림 2-260. 5셀 스택의 OCV와 일정 부하(2.8A)에서 측정한 셀 전압(a) (45℃)과 일정 전 (2.8A)에서 측정한 스택의 전압 특성(b) (45℃) 413

그림 2-261. Stack 3rd을 상온 유지 상태에서 부하를 2.8A로 가하여 측정한 스택의 전압, 출력과 온도의 변화 415

그림 2-262. 공기 공급용 소형 팬이 설치된 카본 BP 5셀 스택 (a)과 이 스택에 사용된 parallel채널 (b)과 spot채널 (c) 416

그림 2-263. 소형 공기 공급용 팬과 cathode에 parallel채널을 적용해 제작한 스택(Stack 4th)의 전류/전압/출력 특성 417

그림 2-264. 5셀 스택의 OCV와 1.9A에서 측정한 셀 전압(a) (42℃ )과 일정 전류(2.8A)에서 측정한 스택의 전압 특성(b) (46℃) 418

그림 2-265. 소형 공기 공급용 팬과 cathode에 spot채널을 적용해 제작한 스택(Stack 5th)의 전류/전압/출력 특성 420

그림 2-266. 5셀 스택의 일정 전류(1.9A)에서 측정한 스택의 전압 특성 (46℃) 421

그림 2-267. 6cell 또는 7cell로 구성된 5W급 stackII 422

그림 2-268. 카본 BP사용 6셀 스택(a) (Stack 6th)와 전류/전압/출력특성(b) 424

그림 2-269. air pump의 사진(a)과 성능곡선(b) 426

그림 2-270. OCV와 2.4A의 정전류에서 얻은 스택의 셀 전압 분포(a)와 스택을 일정한 전류에서 유지할 때 나타나는 스택의 전압/출력 특성(b~d) 428

그림 2-271. 2.22A의 정전류 운전에서 메탄올과 공기 유량 변화에 따른 스택의 성능변화 429

그림 2-272. Stack 6th의 고온 운전에서의 전류/전압/출력 특성 431

그림 2-273. 카본 BP 사용 6셀 스택(a) (Stack 7th)와 전류/전압/출력 특성(b) 433

그림 2-274. OCV와 2.4A의 정전류에서 얻은 스택의 셀 전압 분포(a)와 스택을 일정한 전류에서 유지할 때 나타나는 스택의 전압/출력 특성(b) 434

그림 2-275. Air pump를 이용한 스택의 성능측정 시 압력손실에 따른 공기유량 성능변화 435

그림 2-276. Stack 7th의 고온 운전에서의 전류/전압/출력 특성 437

그림 2-277. 카본 BP사용 7셀 스택(a) (Stack 8th)와 전류/전압/출력 특성(b) 439

그림 2-278. OCV와 2.6A의 정전류에서 얻은 스택의 셀 전압 분포(a)와 스택을 일정한 전류에서 유지할 때 나타나는 스택의 전압/출력 특성(b~c) 440

그림 2-279. 6cell 또는 7cell로 구성된 5W급 stackIII 443

그림 2-280. 카본 BP 사용 6셀 스택(Stack 9th)의 전류/전압/출력 특성 444

그림 2-281. OCV와 1.8A의 정전류에서 얻은 스택의 셀전압 분포(a)와 스택을 일정한 전류에서 유지할 때 나타나는 스택의 전압/출력 특성(b~c) 446

그림 2-282. 카본 BP 사용 7셀 스택(Stack 10th)의 전류/전압/출력 특성 448

그림 2-283. Stack 10th을 일정한 전류에서 유지할 때 나타나는 스택의 전압/출력 특성 449

그림 2-284. Stack 7th을 이용한 2.4V 정전압에서의 스택장기성능평가 452

그림 2-285. 2.4V 정전압운전에서의 스택온도변화에 따른 스택성능변화 453

그림 2-286. 장기 성능평가에 따른 Stack 7th의 전류-전압 곡선 454

그림 2-287. 장기성능평가에 따른 Stack 7th의 전압 분포 455

그림 2-288. 선형 구동 엑츄에이터 457

그림 2-289. 마이크로펌프 성능 실험 장치 셋업 458

그림 2-290. ultrasonic 선형 엑츄에이터를 이용한 펌핑 장치의 구조 459

그림 2-291. 마이크로 DMFC 스택 (KIER) 462

그림 2-292. 마이크로 펌핑 장치의 hydraulic 성능 측정을 위한 실험장치의 모식도 464

그림 2-293. 상용 체크밸브의 압력 손실 465

그림 2-294. 펌핑 스트로크에 따른 상용 체크밸브 효율 466

그림 2-295. 상용 체크밸브(첵크밸브)(Veribore) 사용시 선형 구동 펌프의 최대 유량-압력 선도 467

그림 2-296. MEMS 체크밸브의 사양 및 완성된 MEMS 체크밸브 468

그림 2-297. MEMS 체크밸브를 장착한 마이크로펌프 및 실험장치 셋업 469

그림 2-298. MEMS 체크밸브(첵크밸브) 사용시 선형 구동 펌프의 최대 유량-압력 선도 470

그림 2-299. 피스톤 구동 주파수에 따른 유량 변화 472

그림 2-300. 피스톤 구동 주파수에 따른 피스톤 속도 변화 473

그림 2-301. 피스톤 구동 주파수에 따른 밸브 효율 변화 474

그림 2-302. 구동비에 따른 유량 변화 특성 476

그림 2-303. 구동비에 따른 펌프 양정 효율 특성 477

그림 2-304. 연료 공급 주기에 따른 DMFC 성능 특성 478

그림 2-305. 연료의 맥동 공급에 따른 DMFC 출력 안정성 479

그림 2-306. 선형 구동 펌프 내구 성능 테스트 결과 480

그림 2-307. 무향실 소음 테스트 사진 482

그림 2-308. 무향실 소음 테스트 결과 483

그림 2-309. 전해도금 시스템의 모식도 487

그림 2-310. 마이크로 연료전지 스테이션의 모식도 490

그림 2-311. PCB 지지체의 부식 전류에 따른 peak voltage 영향 492

그림 2-312. PCB 지지체의 부식 전류에 따른 frequency 영향 493

그림 2-313. PCB 지지체의 부식 속도에 따른 duty cycle 영향 495

그림 2-314. Planer type 497

그림 2-315. Stack type 498

그림 2-316. Open Circuit Voltage [Type1 (Stack 3 cell), Type2 (Planer 4 cell)] 499

그림 2-317. IV-curve : Type1 (Stack 3 cell) 500

그림 2-318. IV-Curve : Type2 (Planer cell) 501

그림 2-319. 소성 온도에 따른 sample들의 shrinkage 504

그림 2-320. 소성 온도에 따른 sample들의 밀도 505

그림 2-321. SEM image of LO2 at (a) 650℃, (b) 750℃, (c) 850℃, and LOO at (d) 850℃ 506

그림 2-322. Dilatometer data of each samples 507

그림 2-323. Weight loss variation of LTCC samples as a function of time of leaching in 10vol.% concentration of (a) HC1, (b) H₂S0₄ and (c) KOH solutions respectively 508

그림 2-324. SEM images of LTCC samples. (a) as-sintered state; (b), (c) and (d) respectively shows the samples after leaching In 10 vol.% of HC1, H₂S0₄, and KOH. The leaching duration was 300 min and bath temperature was 80℃ 510

그림 2-325. X-ray diffraction spectra of LTCC samples before and after leaching in 10vol.% HC1, H₂S0₄, and KOH solutions. Duration of leaching was 300 min and bath temperature was 80℃ 511

그림 2-326. Kinetic analysis using 1-(1-X)1/3 vs time plot ; where X represents the fractional conversion of LTCC sample at any time 512

그림 2-327. 기본 Diopside유리(왼쪽) 와 Na2O를 첨가한 Diopside유리 (오른쪽) 514

그림 2-328. D6과 D7을 사용한 LTCC의 flexural strength측정 결과 비교 515

그림 2-329. fiber의 XRD data 517

그림 2-330. 열처리 하지 않은 fiber(왼쪽)와 850도에서 열처리를 거친 fiber(오른쪽) SEM 사진 518

그림 2-331. Filler양에 따른 Density, Shrinkage, Dielectric constant 특성 그래프 520

그림 2-332. Dupont 951 tape와 FE-LTCC 와의 Flexural strength 비교 521

그림 2-333. 850℃에서 30분간 가열한 sample의 XRD data와 SEM 사진 522

그림 2-334. DTA data 524

그림 2-335. LTCC에 2종류의 fiber를 첨가한 tape의 SEM 사진 525

그림 2-336. Fiber를 첨가한 LTCC와 whisker를 첨가한 LTCC의 Dielectric property 그래프 527

그림 2-337. Fiber를 사용한 LTCC의 flexural strength 528

그림 2-338. Glass-Al₂O₃ 조성의 LTCC tape 단면 SEM 사진 529

그림 2-339. Glass-Al₂O₃-fiber조성의 LTCC tape 단면 SEM사진 530

그림 2-340. Glass-Al₂O₃-whisker조성의 LTCC tape 단면 SEM 사진 532

I. 제목 : 모바일기기용 마이크로 연료전지 시스템 개발

II. 기술개발목적 및 중요성

최근 환경 문제에 관한 관심이 고조되면서 새로운 에너지원으로 연료전지에 대한 연구가 활발히 시도되고 있으며, 이런 연료전지는 이용하는 전해질에 따라 고분자 전해질 연료전지 (polymer electrolyte fuel cell), 직접 메탄올 연료전지 (direct methanol fuel cell), 용융탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell) 그리고, 고체 산화물 연료전지 (solid oxide fuel cell)가 있다. 또한, 연료전지는 휴대용 전원에서 발전용 전원의 모든 분야에 적용할 수 있는 것으로 보고되고 있다.

현재 휴대용 소형기기인 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, Note PC 등이 고성능화 되면서 휴대용 전원의 소비 전력에 대한 요구량이 급격히 증가되고 있다. 이에 비해 현재 개발된 리튬 이온 배터리 (Li-ion battery)는 3.6 V에서 약 1.5 Ah, 140 Wh/kg의 최고 용량을 보이고 있어 이러한 요구를 만족시켜 줄 수 없으며, 출력 에너지 밀도가 이론적인 한계치에 도달함에 따라 소형 정보 기기의 휴대성과 편의성을 제공하지 못하고 있다. 배터리 성능 향상의 정체는 배터리 기술 자체뿐만 아니라 새로운 기술과 서비스의 보급마저 어렵게 만들고 있다. 특히, DMB (Digital Multimedia Broadcasting) 서비스가 시작되면서 휴대폰을 통해 이를 제공하려는 공급자뿐만 아니라 서비스를 이용하려는 사용자들 모두가 현재의 배터리 성능 부족을 절실히 느끼고 있으며, 전원 장치의 성능에 대한 불만족이 DMB서비스의 보편화를 가로막는 장애가 되고 있다. 이에 보다 장시간사용 가능하고 높은 출력을 낼 수 있는 새로운 전원에 대한 요구(needs)가 확산되고 있다.

최근에는 마이크로 연료전지 전원으로서 셀룰라폰, DMB폰 등의 배터리를 대체하는 마이크로 DMFC를 개발하여 미국의 MTI사, Polyfuel사, Scientific사가 상용화 가능성을 시사하고 있기 때문에 배터리 업계에서는 개발 상황에 촉각을 곤두세우고 있는 실정이다. 특히 최근 일본의 배터리, 전자회사 등이 마이크로 DMFC를 기존 전원시스템 및 배터리 대체 전원으로 개발에 박차를 가하고 있는 점은 주지할 사항이다. 이 분야에서 아직 핵심 원천 기술이 부족한 한국에서는 국가 주도적으로 기업이 참여하는 공동 연구 개발이 시작되어야 한다고 판단된다.

마이크로 DMFC 개발의 핵심은 마이크로 연료전지의 스택, 단위전지(MEA)와 시스템의 BOP 기술 개발이다. MEA 기술에는 메탄올 산화에 적합한 촉매개발 즉 반응중간 생성물인 CO2의 흡착에 기인된 촉매 독을 최소화할 수 있는 고활성 촉매 개발, 메탄올에 영향을 받지 않는 산소환원 촉매개발, 촉매를 사용한 전극 및 MEA 공정 개발, 메탄올이 음극에서 양극으로 이동해 가는 현상을 최소화할 수 있는 전극 구조의 최적화 및 동작조건의 최적화 기술 개발이 필요하다. 그리고 스택에서는 발생열과 물의 관리를 잘할 수 있는 스택과 시스템 구조의 설계 등이 필수적으로 해결되어야 할 기술 들이다. 또한 스택을 이용하여 발전하는데 필요한 주변설비 즉 BOP도 개발되어야 한다. 그러므로 본 연구에서는 여러 가지 장점이 많아 개발 실용화에 따른 기술의 파급효과가 크며 그 이용범위도 넓은 마이크로 BMFC의 제작기술을 개발함을 목표로 하고 이에 필요한 요소기술, 제조기술 응용기술들을 제시할 것이다.

현재 이 기술은 주로 미래산업의 지향적 입장에서 외국의 사례에서도 국가 주도형으로 국가 연구소나 국방관련 연구기관에서 연구를 수행하고 있고 현실적인 입장에서 상용화에 관한 문제점, 민간기업으로의 기술이전의 시기상조 때문에 국가적 차원에서 선행 연구가 요구되는 기술이다.

마이크로 DMFC를 응용하기 위한 기술 개발은 연료의 수급 및 취급이 간단한 메탄올을 발전용 연료로 사용하여 전류 밀도를 높이고 운전시간을 장수명화하는데 초점을 두고 있다. 특히 NOx 및 SOx의 배출이 없고 소음이 없는 이동용 전원 및 소형 비상 발전용 전원으로 활용이 가능하기 때문에 이를 가정용 비상전원, 이동용 현지 발전전원, 특수 목적용 군사용 전원으로의 개발이 된다면 국가산업에 미치는 영향은 매우 크다 할 것이다. 특히 마이크로 DMFC를 휴대용 전자기기 시장에 응용할 수 있는 분야는 ① 휴대용 셀룰라폰 혹은 DMB폰, ③ 휴대용 정보 단말기 (PDA), ③ 휴대용 비디오, ④ 이동용 공구전원(드릴, 톱, 진공청소기)등이 기대되고 있다.

배터리 성능 향상의 정체는 배터리 기술 자체뿐만 아니라 새로운 기술과 서비스의 보급마저 어렵게 만들고 있다. 특히, DMB (Digital Multimedia Broadcasting) 서비스가 시작되면서 휴대폰을 통해 이를 제공하려는 공급자 뿐만 아니라 서비스를 이용하려는 사용자들 모두가 현재의 배터리 성능 부족을 절실히 느끼고 있으며, 이러한 전원 장치의 성능에 대한 불만족이 DMB 서비스의 보편화를 가로막는 장애가 되어 새로운 부가 가치의 창출을 가로막고 있다. 이에 보다 장시간 사용 가능하고 높은 출력을 낼 수 있는 새로운 전원에 대한 요구가 확산되고 있다.

III. 기술개발내용 및 범위

5W급 모바일 기기용 마이크로 연료전지 개발의 최종 목표를 달성하기 위하여 1~2차 년도에는 마이크로 연료전지로 구성된 3W, 5W급 시스템 연구를 수행하고 이를 바탕으로 3차 년도에는 배터리와의 하이브리드 시스템 개발, 종합 시스템 구성 및 운전, 시스템최적화 및 내구성 확보를 달성하고자 한다.

최종 개발 목표: 모바일 기기용 5W급 마이크로 연료전지 시스템 개발

- Field test: DMB폰 시연 (3차년 중)

- 스택 출력: 5W (100mW/㎠)

- 총부피: 100cc 이하

- 발전시간/연료탱크: 2시간 이상 (내구성: 1,500 시간 이상)

※ 연차별 기술내용

1) 1차년도

목표

● 3W급 마이크로 연료전지 시스템 설계 및 제작 핵심 기술 개발

- 마이크로 연료전지 시스템 (200cc이하)기본 설계 및 제작 기술 개발

- 스택 출력 : 3W (60mW/㎠)

- 마이크로 펌프 설계 기초 기술 개발 (두께 3 mm 이하 박형)

- 마이크로 연료전지용 전지 지지체의 개발

- 물회수 및 이산화탄소 분리를 위한 microchannel 구조 설계

주요연구내용

● 마이크로 연료전지 운전 시스템 기본 설계 및 제작 기술 개발

- 연료전지 시스템 (200cc이하)설계 및 제작 기술 개발

- 연료 카트리지 (20cc)설계 및 제작

● 마이크로 연료전지 스택 설계 및 제작 기술 개발(3W급)

- 단위전지: 60mW/㎠

- 3~4셀 stack 제조, 성능 평가(연료 농도, 공기량, 농도, 온도)

- MEA의 제조공정 개발 및 성능 평가

- 스택내 액체/기체 유동 simulation및 유로 설계

● 마이크로 연료전지 유로 설계를 위한실험 관계식 도출

- 유로의 wettability 변화에 따른 이상 유체 저항간의 상관 관계식 도출

- 연료전지 작동에서 요구되는 유체 유량, gas-to-liquid phase ratio를 포함한 기초 실험

- 모세관력을 애용한 상 분리 (phase separation) 구조물 설계

- 전지지지체로 사용가능한 소재의 특성 평가, 분리판 재료/구조 설계

(전지 지지체의 개발, 지지체를 이용한 단위 셀의 구성 및 평가)

● 전산모사(Computational Fluid Dynamics)를 응용하여 마이크로 펌프 설계

사업수행방법

● 시스템 설계/제작

- 3W급 200cc 이하의 연료전지 시스템 설계 및 연료 카트리지(20cc) 설계.

- 분리판 형상과 공기공급 방법을 고려한 설계 및 제작

● 마이크로 스택 설계 및 고성능 MEA제조

- 단위전지 Data를 바탕 MEA 수량 계산, 스택 설계

- 3W급 마이크로 시스템용 연료전지 스택의 제조 기술 확립.

● 2상 유체 가시화 및 유체 저항 장치 및 설비 제작.

- 이상 유동 압력 강화와 유체 조건에 관한 상관관계식 이용

● 적용가능한 지지체 소재의 검색

- LTCC, Silicon wafer, PCB 소재의 특성 비교 분석 및 소재 선정

- 선정된 전지지지체로 단위셀의 구성 및 성능 측정

● 마이크로 펌프를 MEMS 기반으로 설계, 제작 및 성능시험 수행

- 실험 결과를 바탕으로 한 모델링 수정 및 정밀 설계 기술 개발

2) 2차년도

목표

● 5W급 마이크로 연료전지 시스템 설계/제작 기술 개발

- 150cc 이하 연료전지 시스템 설계 및 제작 기술 개발

- 5W (80mW/㎠)출력 스택 제작

- 마이크로 펌프 정밀 설계/제어 기술 개발 (두께 2mm 이하 박형)

- 전지지지체에 따른 적층기술 개발과 촉매 제조 및 평가

- 모세관력을 이용한 상 분리 (phase separation) 구조물 제작 및 실험

주요연구내용

● 마이크로 연료전지 운전시스템 설계 및 제작 기술 개발

- 연료전지 시스템 설계 및 제작 (150cc 이하).

- 물 회수를 위한 연료 순환 저장 시스템 제작/시험

- 시스템 내구성 향상 기술 개발

● 마이크로 연료전지 스택 설계 및 제작 기술 개발 (5W급)

- 스택 출력 : 80mW/㎠

- 스택 내구성 향상 및 장기 운전 성능 평가 (연료 농도, 공기량, 농도, 온도)

- MEA의 내구성 향상 및 장기 성능 평가

- 스택내 액체/기체 유동 simulation, 유로 설계

- 모세관력을 이용한 상 분리 (phase separation) 구조물에 대한 성능 평가 실험

- 유로의 모양 변화에 따른 이상 유체 저항간의 상관관계식 도출

- 분리판 재료 선정 및 제조

- 전극지지체 개량(단위셀의 적충기술 개발, 지지체 특성에 따른 촉매제조, 평가)

● 모델링 및 전산모사 응용으로 설계된 펌프의 제작 및 성능 시험

사업수행방법

● 협력연구기관의 개발 기술을 적용한 시스템 설계/제작

- 5W급 150cc 이하의 연료전지 시스템 설계

● 1차년도 개발기술 이용 마이크로 연료전지 스택 및 고성능 MEA 제조

- 협력연구기관의 분리판 기술 이용 스택 제작

- 5W급 시스템용 연료전지 스택의 제조 기술 확립함.

- 전극 지지체의 물성 측정 및 개선 실험(bonding meterial, 방법 검색 및 실험, 촉매 조성, 제조방법 검색, 지지체 특성에 따른 촉매제조로 성능개선)

- 연료전지 유로 구조를 모사한 microchannel network을 micro fabrication 기법을 사용하여 제작함, 상분리 효과를 가시적으로 분석

● 마이크로 펌프를 소형화하기 위하여 전산모사와 실험을 병행함

- 마이크로 펌프의 정밀 제어를 위한 성능 실험 수행

3) 3차년도

목표

● 5W급 마이크로 연료전지 시스템 제작/운전 기술 개발

- 마이크로 연료전지 운전시스템 제작 기술 개발 (Field test: DMB폰 시연) (총부피: 100cc이하, 발전시간/연료탱크: 2시간 이상)

- 시스템 내구성 확보 및 신뢰성 향상 기술 개발 (내구성: 1500시간 이상)

- 마이크로 연료전지 스택 제작 기술 개발 (스택 출력: 5W (100mW/㎠))

- 작동유체에 대한 마이크로 엑튜에이터의 성능/소재 최적화를 통한 장수명(1500hr 이상),저소음 (30dB 이하)의 펌프 개발

- 조업조건과 공정 개선을 통한 단위 셀의 성능향상

- 마이크로 연료전지 유로 변화를 포함한 단위전지 작동/성능 평가

주요연구내용

● 마이크로 연료전지 종합시스템 설계/제작 및 운전 기술 개발

- 5W급 100cc 이하 연료전지 시스템 설계 및 제작 (시스템 구성 부피비(%): stack(40), fuel cartridge(10), 연료혼합조(5), BOP(35), battery(10))

- 시스템 내구성 확보 및 신뢰성 향상 기술 개발

● 마이크로 연료전지 스택 설계 및 제작 기술 개발(5W급)

- stack (100mW/㎠) 제작 및 성능 평가 (연료 농도, 공기량, 농도, 온도)

- 스택 실링기술 개발 및 스택 모듈화 제작

- MEA의 내구성 확보 및 장기 성능 향상 기술 개발

- 스택내 액체/기체 유동 simulation, 유로 설계

● Anode 와 Cathode 면의 유로에 상분리 구조를 적용하여 단일 셀 stack에 적용(개발된 기술 적용 셀과 비적용 셀간의 연료전지 성능을 비교측정)

● 작동유체, 경제성, 내구성을 고려한 마이크로 펌프의 멤브레인 소재 선정

- 맴브레인 제조 기술 개발, 마이크로 펌프의 성능 최적화 및 소음, 내구성 개선

사업수행방법

● 협력연구기관의 개발 기술을 적용한 시스템 설계/제작

- 5W급 100cc 이하의 연료전지 시스템 설계/제작(참여기관 기술 종합/적용)

- 외장형 카트리지 장착, 발생물 회수/순환 시스템과 혼합조 작용 active 혹은 passive로 공기 공급, BOP를 제어 콘트롤 회로 구현

● 2차년도 개발 기술을 활용하여 스택과 MEA의 성능 및 내구성 향상

- 5W급 마이크로 연료전지 스택의 내구성 및 성능 향상 기술 확립.

- 지지체 특성에 맞게 전극제조/성능개선, 조업조건에 따른 성능 측정/향상

● 과제에서 채택된 요소 (Bi-polar plate, MEA, Gas Diffusion Layer포함)들을 이용하여 단위전지를 제작. (실험 결과를 통해서 상관관계식 및 상분리 구조물을 보완 발전시킴, 도출된 기술에 의해 설계된 유로 형상셀과 도출 기술 적용전의 유로 형상셀의 polarization curve를 단위전지 측정으로 비교하여 검토함)

● 마이크로 펌프 시제품 제작

- 내구 열화 테스트 및 소음 측정, System 구성 및 적용

IV. 기술개발결과 및 활용에 대한 건의

모바일 기기 (휴대폰)에 적용하여 사용할 수 있는 100cc 이하 부피로 최대 5W 이상의 출력을 가지는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 개발하였으며, 이를 위하여 고성능 MEA 및 stack 개발, SW급 연료 공급을 위한 마이크로 액체 펌프 개발, 그리고 기존 분리판 재료를 대체할 수 있는 새로운 지지체인 PCB나 세라믹 재료를 이용한 지지체를 개발하였다. 또한 자문을 통하여 기·액 분리를 위한 기술을 확보하였다.

본 기술 개발을 통한 연구 성과로는 30건의 특허를 출원하였으며, 2건의 특허를 등록하였고, 1건의 특허가 등록 예정이며, 3건이 특허 출원 준비 중이다. 또한 총 23건의 논문을 발표하였으며 이 중 7건은 SCI 논문으로 발표하였고, 4건이 SCI 논문으로 발표 예정이다. 학술 발표는 총 55건이며, 이 중 24건은 국내 학술 발표이고, 31건은 국제 학술 발표이다.

본 연구 개발을 통하여 얻어진 기술 개발 결과는 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, Note PC 등 모바일 정보 기기의 고용량 전원 장치로 활용 가능하기 때문에, 기술이 성숙되는 2008년을 기점으로 상용화를 이루어 주관기관이 주축이 되어 사업화할 것을 목표로 한다. 또한 개발 기술은 전자기기용 휴대 전원, Computer backup 메모리 전원, 유무선 통신 기기용 전원, 군작전용 이동 및 비상 전원 (기존 배터리 대체) 등으로 활용이 가능하다.

V 기대효과

- 휴대 전자기기용 연료전지 시스템 상용화 기술 확보

- 초소형 연료전지 시스템 기반기술 확보 및 신시장 개척

- 연료전지용 구성요소 상업화 기반 확보

- 고성능, 고용량화 첨단 전자기기에 필요한 새로운 전원 개발

- 미래형 최첨단 신발전기술 및 이용기술 확보

- 무선 통신장비 고성능화를 통한 군사기술의 발전에 기여

- 박막화 기술의 전지 응용 기술 확보

- 전자기기 산업의 활성화 기여