Recently, micro scale power sources with energy density that exceeds that of existing secondary batteries would find applications in diverse fields. Due to high electrical efficiency, flexibility with respect to power and capacity, compactness and long lifetime, micro fuel cells have been a major candidate for a micro scale power source, particularly when the demand of power is high. A major constraint in the successful development of the micro scale PEMFC has been the difficulties and hazards involved in the storage and handling of hydrogen, the fuel of this fuel cell. Accordingly, a fuel reformer that can extract gaseous hydrogen from a liquid hydrocarbon fuel is an essential component for a micro PEMFC.
For development of a MEMS-based catalytic reactor the catalyst processing techniques were established. First, one of the important parts is the preparation of the catalyst. In the present study, a Cu/ZnO catalyst was selected for the steam reforming of methanol and prepared by the co-precipitation method. Then we performed characterization of the prepared catalyst. In the powder XRD pattern for the catalyst only the peaks of CuO and ZnO were observed. From SEM analysis it can be seen that the particle of the catalyst was well defined and its size was about 20 nm. Reactivity of the prepared catalyst was tested for the methanol conversion and hydrogen production rate as space time and temperature.
Then, a catalytic microreactor was fabricated by anisotropic wet etching of photosensitive glasses and a typical lithography procedure that incorporates a catalyst coating process developed in the present study. The fabrication process of photosensitive glass consists of Cr mask patterning on the glass wafer, UV exposure, heat treatment and HF etching. On top of the Cr layer, PR was coated using a spin coater rotating, resulting in a 1㎛ thick PR layer. The Cr-patterned photosensitive wafer was exposed to UV light with an energy density of 8J/㎠. During the heat treatment in a furnace crystallization occurred around silver nuclei.
Micro-channel, bottom and cover wafer were bonded by the fusion-bonding method. The fused wafer block is then etched in an etching bath that is made of 10% solution of HF. The UV exposed and heat-treated part of the glass wafer is removed during this process at a rate of 1mm/hr. By precipitation of the catalyst and binder within the micro-channel a catalyst layer with the thickness of 30μm can be obtained.
The fabricated catalytic microreactor was tested for the performance of hydrogen production. The product gas of methanol reforming was analyzed by gas chromatography, and the column in the GC was Porapok-Q. The gas composition was detected by a TCD(thermal conductivity detector) with Argon as a reference gas. The fabricated reactor produced 4.16ml/min hydrogen flow from the 0.2ml/hr feed rate. That means an estimated power output of 350mW for a fuel cell.
최근 휴대용 마이크로시스템의 장점으로 인하여 현재의 2차 전지를 능가하는 에너지 밀도를 갖는 마이크로 스케일의 동력원에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 실정이다. 마이크로 연료전지는 특히 동력요구가 큰 휴대용 전자기기에서 기존의 전지를 대체할 수 있다. 마이크로 PEMFC의 개발에는 연료전지의 연료가 되는 수소의 저장과 운용에 어려움과 위험에 의한 제약조건이 있다. 따라서 액체연료로부터 기체상태의 수소를 추출하는 연료개질기의 개발이 마이크로 연료전지 분야에서 가장 요구되는 기술 분야가 되고 있다.
본 연구에서는 MEMS 기반의 촉매 반응기 개발을 위하여 촉매 처리 기법을 확립하였다. 즉, Cu/ZnO 촉매를 공침법에 의하여 메탄올의 개질에 적용하였다. 또한, XRD패턴 분석과 SEM 분석을 통하여 촉매의 성능과 특성을 연구하였으며 촉매의 반응성 실험을 통하여 메탄올의 전환율과 수소생성율을 파악하였다. 감광유리의 비등방 식각과 촉매 코팅 과정을 통합한 전형적인 식각 공정을 이용하여 마이크로 촉매 반응기를 제작하였다. 기판으로 사용되는 감광유리의 제작과정은 유리 웨이퍼상에 Cr 마스크의 패터닝과 UV 노광, 열처리와 HF 에칭 과정으로 구성되며, Cr 층위에 스핀 코팅에 의하여 1 um의 PR이 코팅 되어지고 패턴되어진 감광 웨이퍼는 8J/cm2의 강도의 UV에 노광되어 산화된 후 열처리를 거치면 내부에 재결정이 형성된다. 이러한 재결정 부분은 HF 용액에 의하여 제거되어 패턴이 형성된다.
제작된 각 층은 열접합에 의하여 접착되고 마이크로 채널 내부에 촉매의 침전에 의하여 30um 두께의 촉매층이 형성된다. 최종 조립된 촉매 반응기를 적용하여 수소 생성을 위한 성능실험을 수행하였다. 메탄올의 개질에 의한 생성가스의 분석은 가스 크로마토그래피를 이용하였으며 사용된 컬럼은 Porapok-Q를 사용하였고 가스 조성은 TCD에 의하여 탐색하였다. 제작된 반응기는 0.2ml/hr의 유량율로부터 4.16ml/min의 수소를 생성하였으며 이 수준은 연료전지의 350mW 정도의 예상동력을 나타낸다고 볼 수 있다.
