The paper presents a MEMS-based portable Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), featured by a platinum sputtered microcolumn electrode and a built-in fuel chamber containing a limited amount of methanol fuel. Microcolumns are formed on the front-side of the electrode to increase the power density of the micro-DMFC, while the window frames on the back-side of the electrode increase the electrode stiffness to enhance the contact between electrodes and polymer electrolyte.
We design and fabricate five different types of electrodes including the single window microcolumn electrode with the projection area of 5mm × 5mm (ME1), the single window planar electrode with the projection area of 5mm × 5mm (PE1), the 4-window microcolumn electrode with the projection area of 10mm × 10mm (ME4), the 16-window microcolumn electrode with the projection area of 10mm × 10mm (ME16) and the 16-window planar electrode with the projection area of $10mm × 10mm$ (PE16). In order to verify the microcolumn effect on the front-side of the electrodes and the window frame effect on the back-side of the electrodes, we measure and compare the average value and standard deviation of the maximum power density in single micro-DMFCs having 5 different electrodes.
For single micro-DMFCs with ME1 and PE1 electrodes at room temperature with limited fuel source, the average values of the maximum power density are 43.26±30.16μW/㎠ and 3.24±1.66μW/㎠, respectively. Single micro-DMFCs with ME16, ME4 and PE16 electrodes at room temperature with the fuel flow of $5μl/min$ show the maximum power density of 31.04±0.29μW/㎠, 25.23±2.7μW/㎠ and 9.75±0.29μW/㎠, respectively.
The microcolumn electrodes show at least 258% of the power density obtained by the conventional planar electrodes.
Comparing the standard deviation in the power density of single micro-DMFC with ME16 electrodes to that of single micro-DMFCs with ME1 and ME4 electrodes to verify the window frame effect, we find that the window frames in the built-in fuel chamber reduce the normalized standard deviation (standard deviation over average value) of the power density in device to device to 0.01 of the single micro-DMFC with ME16 electrodes from 0.11 and 0.70 of the single micro-DMFC with ME4 and ME1 electrodes.
From the experimental results of the different fuel flow rate conditions, single micro-DMFCs with ME16 electrodes at room temperature with limited fuel source and fuel flow of 5ml/min show the maximum power density of 21±0.28μW/㎠ and 31.4±0.29μW/㎠, respectively. Single micro-DMFCs based on ME16 electrode with fuel flow of 5μl/min at 20℃ and 80℃ show the maximum power density of 31.4±0.29μW/㎠ and 69.6±0.34μW/㎠, respectively. The maximum power density of single micro-DMFCs with ME16 electrodes at room temperature with limited fuel source show 30% of that obtained by single micro-DMFCs with ME16 electrodes at 80℃ with fuel flow of 5μl/min. The power capacity per the fuel weight of the single micro-DMFCs with ME16 electrodes at room temperature with limited fuel source (0.0386g) is measured as 5.9mWh/g during 720min operation at the voltage of 150mV with the load resistance of 800Ω. The lifetime of the platinum catalyst in single micro-DMFCs with ME16 electrodes at room temperature with fuel flow of 5μl/min is up to 1,040min.
For the stack test, 2-cell stacks and 4-cell stacks of single micro-DMFCs with ME16 electrodes at room temperature with limited fuel sources show the maximum power density of 92.6±0.31μW/㎠, and 329.8±0.47μW/㎠, respectively. The power capacity of the 4-cell stacks is measured as 20.3mWh/g during 980min operation at the voltage of 450mV and the load resistance of 800Ω.
Consequently, we find that the microcolumn electrodes show at least 258% of the power density obtained by the conventional planar electrodes, and that the 16-window microcolumn electrodes show 1.4% of the normalized standard deviation of the maximum power density obtained by in single micro-DMFCs with single window microcolumn electrodes. We improve the power density and the voltage-current uniformity of the micro-DMFCs using the multi-window microcolumn electrodes.
본 논문에서는 백금 촉매가 증착된 미소돌기 전극과 유한연료를 저장할 수 있는 연료챔버가 내장된 전극을 이용한 극소형 휴대용 직접메탄올 연료전지를 설계, 제작, 시험하였다. 전극의 전면에 형성된 미소돌기는 극소형 직접메탄올 연료전지의 전력밀도를 향상시키고, 전극의 후면에 형성된 챔버지지대 (window frame)는 전극의 stiffness를 증가시켜 전극과 고분자전해질의 접합특성을 향상시키기 위해서 제안하였다.
미소돌기구조의 효과와 챔버지지대의 효과를 확인하기 위해서 5mm × 5mm 의 투명면적을 가진1-window 미소돌기전극 (ME1), 5mm × 5mm의 투명면적을 가진 1-window 평면전극 (PE1), 10mm × 10mm 의 투명면적을 가진 4-window 미소돌기전극 (ME4), 10mm × 10mm의 투명면적을 가진 16-window 미소돌기전극 (ME16), 그리고 10mm × 10mm 의 투명면적을 가진 16-window 평면전극 (PE16)의 5가지 서로 다른 시편을 설계하였다. 실험에서는 미소돌기구조의 효과와 챔버지지대의 효과를 확인하기 위해서 서로 다른 5가지 시편으로 제작된 단위 미소 직접메탄올 연료전지의 최대전력의 평균값과 표준편차를 측정, 비교하였다.
상온과 유한연료조건에서 시험된 ME1과 PE1 전극으로 구성된 단위 미소 직접메탄올 연료전지는 최대전력의 평균값으로 43.26 ± 30.16μ W/㎠ 와 3.24± 1.66μ W/㎠ 을 각각 나타내었다. 상온과 5μ l/min 의 연료유량에 대해서 ME4, ME16그리고 PE16 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지는 25.23± 2.7μ W/㎠, 31.04± 0.2μ W/㎠ 그리고, 9.75± 0.29μ W/㎠ 를 최대전력 평균값으로 각각 나타내었다. 모든 실험에서는 2M 메탄올을 연료로 사용하고, 공기중의 산소를 환원제로 사용하였다.
실험을 통해서 미소돌기 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지는 평면전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지의 최대 전력밀도 평균값의 258%를 적어도 나타냄을 확인하였다. 또한, ME16 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지에서 측정된 최대 전력밀도의 표준편차와 ME1과 ME4 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지에서 측정된 최대 전력밀도의 표준편차를 비교해 보면 표준화 표준편차 (표준편차/평균)가 챔버지지대에 의해서 0.11과 0.7에서 0.01로 줄었음을 확인하였다.
ME16 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지를 각각 4단계의 연료유량과 동작온도 조건에서 수행한 실험결과를 살펴보면, 상온(20℃) 과 유한연료 조건에서 21.0± 0.28μ W/㎠ 의 최대전력을, 상온과 5μ l/min 의 연료유량 조건에서 31.04± 0.29μ W/㎠ 의 최대전력을 나타내었다. 또한, 5μ l/min 의 연료유량 조건에서 상온과 80℃ 의 동작온도에서$31.04 ± 0.29μ W/㎠ 와 69.6± 0.34μ W/㎠ 의 최대 전력밀도를 각각 나타내었다. ME16 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지를 이용해 상온과 유한연료 조건에서 측정된 최대 전력밀도는 80℃ 와 5μ l/min 의 연료유량 조건에서 측정된 최대 전력밀도의 30%에 해당하였다. 상온과 유한연료 (0.0386g) 조건에서 ME16 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지를 이용해 연료무게당 최대 전력량을 측정한 결과, 720분간 150mV의 전압과 800Ω 의 저항에서 5.9mWh/g로 측정되었다. 또한, 상온과 5μ l/min 의 연료유량 조건에서 ME16 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지의 백금 촉매의 수명은 1,040분 이상임을 확인하였다.
ME16 전극으로 구성된 단위 직접메탄올 연료전지의 2셀 스택과 4셀 스택을 상온과 유한연료 조건에서 각각 92.6± 0.31μ W/㎠ 와 329.8± 0.47μ W/㎠ 의 최대 전력밀도를 나타내었고, 단위전지보다 2셀 스택이 약 3.4배, 4셀 스택이 약 14.7배 큰 최대 전력밀도를 보였다. 4셀 스택의 연료챔버에 채워진 0.1542g의 연료의 소모시간은 450mV와 800Ω 의 저항에서 약 980분이었고, 약 800분간 일정하게 출력을 유지하였다. 이때 4셀 스택의 최대 전력용량은 연료무게에 대해 약 20.3mWh/g 이었다.
본 연구에서는 실험적으로 전극의 전면에 형성한 미소돌기가 기존의 평면전극에 대해 단위 직접메탄올 연료전지의 최대 전력밀도를 258% 향상시킴을 확인하였고, 전극의 후면에 형성한 챔버지지대가 챔버지지대가 없는 단위 직접메탄올 연료전지에서 측정된 최대 전력밀도에 대한 표준편차의 1.4%만을 차지함을 확인하였다. 결론적으로 본 연구에서는 챔버지지대를 가진 미소돌기 전극을 이용하여 단위 직접메탄올 연료전지의 전력밀도를 향상시키고, 전압-전류 특성의 균일성을 향상시켰다.
