This thesis describes the fabrication and testing of a micro PEM fuel cell using glass wafer by means of MEMS technology. Micro fuel cells have been recognized as promising electrochemical power sources for applications on portable microelectronic devices due to their safety, high efficiency, renewable fuel and environmental compatibility. In fact, micro fuel cells are expected to attain higher energy density than that of lithium batteries by converting hydrocarbon fuel to electric power at several percentage or higher efficiency [8-9]. Especially, micro PEM fuel cells are good candidates for portable electronics applications due to their low operation temperature, fast response to load variation, and easy refueling.
The energy density of the fuel cell system is related with the total weight of the stack; that is, the volume and mass that the stack occupies directly affects the performance(energy density) of the portable system. One of the major components that occupies the mass of the fuel cell stack is the bipolar plates, and mass reduction of this is important. A new material - photosensitive glass - was proposed as the material for bipolar plates of micro PEM fuel cells. The advantages of glass bipolar plates lie in relatively low fabrication cost, easily attainable high aspect ratio micro structure, and high chemical resistivity. Photosensitive glass is a useful material for the production of components for a wide variety of micro systems [10]. Examples are micro solid thrusters, micro fuel cells, or micro hydrogen reformers [10-11]. Compared to conventional graphite, photosensitive glass is non-porous, has high chemical resistivity, and can yield high-aspect ratio micro structures using MEMS technology.
In this study, the fabrication process consisting of UV exposure, anisotropic wet etching, thermal bonding, metal deposition, etc. were fully established. Mass production is possible and each step is easily controllable. The micro PEM fuel cell using glass bipolar plates consisted of a middle layer, channel layer, and a sealing layer. This micro fuel cell is a consecutive version of the previous one in which no sealing layer existed; external gaskets were used to fixate the anode, cathode, and MEA into one. In the previous model, high performance in terms of power density was obtained; but a low OCV level was obtained due to gas cross over. So the idea of improving performance was to make an additional layer so that gas leak could be prevented.
Once the micro fuel cell is fabricated, performance evaluation will be carried out. If the output is successful, stacking will be done to make 2, 4, 6 cells forming a multi-stack structure. The current size of the micro fuel cell is only 1$cm^2$, which will yield only a minimal amount of power. If we could stack many cells and probably increase the size of the bipolar plates, we might gain sufficient amount of power applicable for portable electronics applications(1~5W).
연료전지는 청정 에너지원인 수소를 주 연료로 사용하는 동력장치로서 화석연료의 고갈과 새로운 대체 에너지에 대한 수요의 증가로 인해 많은 연구소에서 개발되고 연구되고 있는 분야다. 연료전지의 기본 작동원리는 수소와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 전기를 생성하는 것이며 그 종류로는 수소 공급원에 따라 DMFC(메탄올), SOFC(산화금속) 등으로 나뉘고 고체 전해질을 사용하는 PEM 연료전지 등이 있다. 여러 연료 전지 중에서도 특히 PEM 연료전지는 그 구조가 간단하고 작동 온도가 상대적으로 낮아서 이동식 전자기기에 적용하기 쉽다는 장점을 지니고 통상적으로 사용되는 2차 전지를 대체할 가능성을 지녔다는 점에서 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 이러한 이동식 전자기기에 적용 가능한 PEM 연료전지를 마이크로 단위로 제작하고 성능 측정을 수행하여 미래형 동력원으로서의 가능성을 타진하였다. 마이크로 단위의 연료전지는 전 세계 많은 연구 그룹에서 이미 연구를 수행하고 있는 분야며, 미세한 기계 가공을 의미하는 MEMS 가공 기술을 이용하여 제작한다. 이러한 MEMS 가공 기술에는 리소그라피 공정, 식각 공정, 그리고 열 접합 공정 등이 포함된다. 마이크로 연료전지는 흔히 실리콘을 이용한 MEMS 공정을 통해 제작되는데 반해, 본 연구에서는 감광성 유리를 이용한 MEMS 공정을 통해 마이크로 PEM 연료전지를 제작하였다. 실리콘은 미세한 구조를 쉽게 제작할 수 있다는 장점을 지니고 있어서 MEMS 분야에서는 전통적으로 실리콘을 오래 사용하여 왔으나, 실리콘의 비싼 공정 단가로 인해 한계점을 지니고 있다. 그 반면에 감광성 유리는 투명하고 내화학성이 뛰어나며 또한 공정 단가가 실리콘에 비해 싸다는 장점을 가지고 있다. 여기에 착안하여 본 연구에서는 감광유리의 MEMS 마이크로 연료전지의 제작 공정을 확립하고 단일, 다중 셀의 성능 측정 수행을 통해 유리 웨이퍼를 이용한 마이크로 PEM 연료전지의 가능성을 타진하였다.
본 연구의 또 다른 차별성으로는, 기존의 마이크로 연료전지는 성능 측정 자체에 초점을 맞추어서 연료전지 자체의 부피 감소는 고려하지 않았으나, 본 연구에서는 마이크로 연료전지를 완전히 접합된 형태로 제작함으로써 부피를 감소시켰으며 나아가 에너지 밀도를 높였다는 점이다. 이러한 형태의 마이크로 연료전지는 다중 셀을 쉽게 제작할 수 있고 나아가 마이크로 동력원으로서 바로 동작할 수 있다는 장점을 지닌다.
성능 측정 결과, 단일셀의 단위 면적당 전력은 약 175mW/$cm^2$로 state of the art마이크로 연료전지 기술에 비해 성능이 우수함이 나타났다. 이는 가스 누수를 막는 커버 레이어의 제작으로 인한 것으로 생각된다. 향후 과제로는 이러한 마이크로 PEM 연료전지의 성능 개선을 위한 파라미터 스터디와 더불어 수소 발생기와의 통합을 통해 파워팩을 제작하는 일이다.
