A comprehensive numerical study of membraneless micro fuel cells with various geometries is carried out with the aim of reducing the mixing of the anode and cathode fluids and increasing their fuel utilization. Designs with blocks or obstacles in the main channel or a main channel with a wavy shape result in very little improvement in these properties or even in their deterioration. However, some designs with other types of channel cross-section exhibit much less mixing of the two fluids in the main channel. The H-shaped cross-section exhibits much less mixing in the main channel and much higher fuel utilization. The fuel cell with a trident-shaped cross-section has two inlets for the anode and cathode fluids and a third inlet for the proton-conducting fluid, and is found to be the best design in that the anode and cathode fluids are more restricted to their respective electrodes (reaction surfaces).
MEMS fabrication and experiment are carried out. H shape membraneless micro fuel cell is fabricated because H shape is easier to fabricate. The H shape increases current density and power density compared with rectangular shape. Mixing region of membraneless micro fuel cell decreases in H shape by flow visualization.
전해질막이 없는 연료전지의 혼합 영역과 고갈 영역을 줄이고 연료 이용률을 높이기 위해 다양한 기하학적인 디자인에 대한 수치해석을 행하였다. 연료전지 안에 블록을 넣어 혼합 영역을 줄이기 위한 시도는 거의 효과가 없었고 채널 단면을 바꾸는 디자인의 경우 혼합 영역을 줄어드는 것을 확인하였다. 그 중 H 단면을 가진 전해질막 없는 연료전지에서 가장 혼합 영역을 줄이고 연료 이용률을 높일 수 있었으며 이 H 단면을 가진 전해질막 없는 연료전지의 최적화를 위해 연료 채널과 산화제 채널의 종횡비, 작은 통로의 높이에 따라 수치해석을 행하여 고갈 영역을 줄이고 연료 이용률을 높여 보다 좋은 연료 전지 성능을 갖는 디자인을 행하였다.
또한 전해질막 없는 연료전지의 낮은 연료 이용률을 대폭 늘리기 위해 연료와 산화제가 직접 접촉하지 않고 양성자 전도성 유체를 가운데에 흘려보내는 U 형태의 단면을 가진 삼지창 형태의 전해질막 없는 연료전지를 디자인하였다. 연료와 산화제는 각각 측면의 작은 통로를 통해 양성자 전도성 유체와 혼합이 일어나 연료와 산화제의 직접적인 접촉을 막고 연료와 산화제를 각각의 전극쪽에 유지될수 있는 장점을 가져 보다 많은 연료 이용률을 가질수 있다. 보다 많은 연료이용률을 갖기 위해 연료 채널과 산화제 채널의 폭과 높이, 작은 통로의 폭가 양성자 전도성 유체 채널의 높이 등의 수치를 바꾸어가며 디자인을 행하였고 연료 채널과 양성자 전도성 유체 채널의 높이비가 성능에 큰 영향을 미치는 인자임을 확인하였다. 또한 전극 위에서 연료의 분포가 일정할 경우, 또 전극 주변에 연료들이 분포할 경우 연료전지의 연료이용률이 더 높아지는 것을 확인하였고, 기존 사각형 채널보다 연료 이용률이 30% 이상 증가하는 것을 확인하였다.
수치해석을 통해 확인한 전해질막 없는 연료전지의 성능 향상을 실험을 통해 확인하기 위해 전해질막이 없는 연료전지의 제작하였다. U 단면을 가진 삼지창 형태의 채널은 제작이 어렵기 때문에 보다 용이한 H 단면의 전해질막 없는 연료전지를 제작하였다. MEMS 공정의 DRIE 공정과 RIE 공정을 사용해 채널을 제작하고 E-beam 공정을 사용하여 전극을 제작하여 결합하였다. 연료전지의 성능을 체크할수 있는 전압-전류밀도 그래프 및 전력밀도-전류밀도 그래프를 통하여 H 단면 연료전지가 보다 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였고 연료와 산화제의 유량, 농도, 종류 등을 바꾸어 가며 기본 성능을 확인하였다. 또한 PDMS를 이용하여 H 단면 전해질막 없는 연료전지를 제작하여 혼합 영역을 관찰하여 기존 사각형 단면보다 혼합 영역의 폭이 줄어드는 것을 확인하였다.
