MicroDMFC

B I O M E D I C A L A P P L I C A T I O N

Micro DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

Fig 1. The structure of the micro poser source using the micro DMFC (direct methanol fuel cell).

Fabrication of Micro Power Source (MPS. using Micro Direct Methanol Fuel Cell (uDMFC. for the Medical Application
W. Y. Sim, G. Y. Kim, and S. S. Yang

ABSTRACT
This paper presents the fabrication and test of a micro power source (MPS) using a micro direct methanol fuel cell (mDMFC). Micro power sources are essential for cellular phones, portable electronics and MEMS devices to be miniaturized. The mDMFC has a simple structure. The mDMFC consists of one proton exchange membrane (PEM) and two silicon substrates with channels. The width and the depth of the micro channel are 250 mm and 50 mm, respectively. The dimension of one unit of mDMFC is 16 mm ´ 16 mm ´ 1.2 mm. When fuel (methanol : water = 1 : 1) is supplied to the fabricated cell, the measured output voltage is 100 mV at 25 °C and the atmospheric pressure.

INTRODUCTION
So far, several power supply methods, such as the microwave [1], solar cells [2] and micro batteries (lithium ion batteries) [3] have been investigated. In this paper, we chose the fuel cell technology because of the following advantages as a MPS.
(1) New type: The fuel cell technology has never been applied to MEMS for the past several decades.
(2) Small size: A fifth size of lithium ion batteries.
(3) Powerful source: The mDMFC specific energy is potentially 30 times that of other power sources.
(4) Simple fabrication: The fabricated process is simpler than other batteries.
(5) Clean environment: Batteries have an environmental problem. Most batteries contain hazardous materials that could leak. When alcohol fuels are used, they are converted to carbon dioxide and water.
(6) High efficiency: The efficiency is 50 % for several years.

Fuel cells are described as continuously operating batteries or an electrochemical engine. Like batteries, fuel cells produce power without the combustion or a rotating machinery. Fuel cells make electricity by combining hydrogen ions, drawn from a hydrogen- containing fuel (H₂ (g), methanol (l), ethanol (l), etc.), with oxygen atoms (O₂ (g), Air). Batteries must be recharged periodically. Fuel cells, however, utilize these key ingredients supplied from the outside of the system and produce the power continuously, as long as the fuel supply is maintained [4, 5].
Recently, some types of fuel cells, e.g. phosphoric acid, carbonate, solid oxide, polymer electrolyte membrane, etc., approach commercial feasibility. Fuel cell technology is now becoming applicable for a large variety of technical areas, such as on-site integrated energy systems, industrial cogeneration, military system, aerospace system and electric vehicles [5, 6].


Fig 2. Schematic diagram of the DMFC single cell with solid polymer electrolyte.	Fig 3. The implantable MPS consisting of a uDMFC and a check valve.

KOREAN ABSTRACT

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

본 연구는 휴대폰과 같은 소형의 전자 기기에 장착하거나 인체에 삽입하여 전원 공급 장치로 사용할 수 있는 초소형 연료전지 및 그를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 마이크로머시닝 기술(MEMS Technology)을 이용하여 소형화를 이루었다는 특징이 있다.
기존의 휴대전원에는 1차 전지와 충전을 할 수 있는 2차 전지(Li-ion) 등이 주로 이용되어 왔으며, 핸드폰, 노트북 등의 수요가 급증하면서 휴대전원의 수요 또한 폭발적으로 증가하였다. 하지만, 이러한 1차 전지와 2차 전지는 사용 후 폐기할 때 심각한 환경오염을 유발하며, 빈번한 교체 혹은 충전시간이 필요하다. 이에 반하여 연료전지는 고효율, 무공해의 전기 화학적 에너지 변환 장치이다. 연료전지는 수소와 산소의 연소반응 없이 전기 화학적인 반응으로 전기를 공급한다. 반응 후 폐기물은 단지 물과 이산화탄소이며, 충전시간 없이 연료 주입 즉시 전기를 발생한다. 종래의 연료전지는 주 응용 분야가 전력 발전, 가정용 전원, 하이브리드 전기 자동차용 전원 등의 중형/대형 전력 응용분야에 국한되었다. 이에 본 발명에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 연료전지를 소형화하고 대량생산이 가능하도록 그 구조를 설계하고 제작 공정을 개발하였다. 일반적으로 쓰이는 연료전지는 수소와 산소를 연료로 사용한다. 수소와 산소를 연료로 직접 이용할 경우 에너지 밀도가 크다는 장점이 있으나, 취급이 어렵고 위험하며, 저장과 공급 등을 위한 특별한 부속 장치가 필요하다. 이러한 부속 장치 때문에 연료전지를 휴대하거나 소형화하는데 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 최근 메탄올 등의 액체 연료를 이용한 연료전지 개발이 이루어지고 있다. 도 2는 수소 대신 메탄올 수용액과 산소 대신 공기중의 산소를 연료로 하는 초소형 직접메탄올연료전지(DMFC: Direc Methanol Fuel Cell)의 작동원리를 보여준다. 수소에 비해 상대적으로 다루기 쉽고 안전하며, 부속 장치가 상대적으로 적다. 수소와 산소 가스를 이용하는 연료전지보다는 장치가 상대적으로 간단하지만, 히터와 메탄올을 공급하기 위한 펌프 등의 부속 장치가 존재한다.
본 연구에서는 액체상태의 연료를 사용하지만, 부속 장치를 제거하고 상온에서 동작하도록 하였으며, 미세 유로를 제작하여 증발력과 모세관력으로 연료를 공급하도록 하였다. 기존의 기계가공 기술로는 이러한 액체연료전지의 제작에는 한계가 있으며, 수 cm이하의 크기로 제작 및 대량생산하기 위해서는 차세대 기술인 반도체 제조 공정을 통한 마이크로머시닝 기술이 필수적이다.

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S. S. Yang, W. Y. Sim and G. Y. Kim," A micro power source using micro fuel cell and the
manufacturing method" Korea patent, 2001. (in progress)
W. Y. Sim, G. Y. Kim and S. S. Yang," Fabrication of Micro Power Source (MPS) using Micro Direct Methanol Fuel Cell (uDMFC) for the Medical Application,"IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2001), Interlaken, Switzerland, Jan. 2001, pp. 341-344.