랩온어칩 전원공급을 위한 튜브형 고분자전해질 연료전지와 일회용 수소발생기에 관한 연구 = Tubular PEMFC and Disposable Hydrogen Generator for the Power Source of Lab-on-a-Chips
저자
발행사항
춘천 : 강원대학교 대학원, 2009
학위논문사항
학위논문(석사)-- 강원대학교 대학원 일반대학원 : 기계메카트로닉스공학과 2009. 8
발행연도
2009
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
강원특별자치도
기타서명
Tubular PEMFC and Disposable Hydrogen Generator for the Power Source of Lab-on-a-Chips
형태사항
vii, 79 p.p. 26cm
일반주기명
강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수:서영호
참고문헌 : p.
소장기관
본 연구에서는 기존의 다층 평판형 고분자전해질 연료전지에서 사용되었던 이극판과 가스확장층이 없는 단순한 구조의 튜브형 고분자전해질 연료전지를 제안하였고, 튜브형 고분자전해질 연료전지를 일회용 수소발생기와 결합하여 랩온어칩(Lab-on-a-Chips; LOC)의 전원공급을 위한 파워소자를 개발하였다. 튜브형 고분자전해질 연료전지의 단위셀은 상용 전해질-전극 접합체(PRIMEA -5510, Gore Inc.)를 사용하여 그 크기가 약 0.033cc(직경-1.52㎜, 길이-14㎜)가 되도록 제작하였다. 연료로 사용되는 수소는 알루미늄과 수산화나트륨 수용액의 반응을 이용한 수소발생기를 통하여 공급하였으며, 환원제인 산소는 대기중 공기를 사용하도록 설계하였다. 튜브형 고분자전해질 연료전지 단위셀은 은 페이스트를 이용한 은(Ag) 집전 전극과 진공 증착 공정을 이용한 박막 금(Au) 집전 전극 두 가지로 제작하였다. 브러싱(brushing) 공정으로 제작된 은 집전 전극을 가진 단위셀은 집전 전극의 면적이 증가됨에 따라 최대전력밀도가 증가되었으며, 전해질-전극 접합체 면적과 집전 전극 면적의 비가 40%인 경우에서 최대 전력을 생산하였다. 진공 증착 공정으로 전해질-전극 접합체에 직접 박막 금 집전 전극이 형성된 단위셀은 성능의 재현성이 은 집전 전극보다 우수하였으며, 또한 24℃의 온도, 5㎖/min의 수소 유량에서 0.88V의 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV)과 0.38V에서 16.1㎽/㎠의 최대전력밀도를 나타내었다. 아크릴로 제작된 수소발생기는 92㎎의 알루미늄을 소모하면서 약 27분간 총 57㎖의 수소를 생성하였다. 실험결과에 따르면 수소발생기를 통해 생성된 수소는 박막 금 집전 전극이 형성된 단위셀에 공급되어 4.01㎽(0.46V)의 전력을 27분 동안 일정하게 유지함을 확인하였다. 튜브형 고분자전해질 연료전지의 직렬연결실험에서는 3개의 은 집전 전극이 형성된 단위셀을 직렬로 연결하여 PDMS(polydimethylsiloxane)로 제작된 수소발생기를 통해 약 10분간 LED(2.5㎽@1.8V)를 동작시켜, 랩온어칩의 전력원으로써의 가능성을 확인하였다. 결과적으로 본 연구에서는 실험을 통해 제안하는 튜브형 고분자전해질 연료전지와 일회용 수소발생기가 외부의 부가적인 에너지공급 없이 25분 이상 수 ㎽의 전력을 생산하여 랩온어칩과 같은 일회용 미세종합분석시스템의 전력원으로 사용가능함을 검증하였다.
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