섬유강화 복합재를 사용한 PEM 연료전지 분리판의 전기적.기계적 특성 평가 Evaluation of Mechanical and Electrical Properties of Bipolar Plate Made of Fiber-reinforced Composites for PEM Fuel Cell원문보기
The fuel cell is one of promising environment-friendly energy sources for the next generation. The bipolar plate is a major component of the PEM fuel cell stack, which takes a large portion of stack cost. In this study, as alternative materials for bipolar plate of PEM fuel cells, graphite composite...
The fuel cell is one of promising environment-friendly energy sources for the next generation. The bipolar plate is a major component of the PEM fuel cell stack, which takes a large portion of stack cost. In this study, as alternative materials for bipolar plate of PEM fuel cells, graphite composites were fabricated by compression molding. Graphite particles mixed with epoxy resin were used as the main substance to provide electric conductivity To achieve desired electrical properties, specimens made with different mixing ratio, processing pressure and temperature were tested. To increase mechanical strength, one or two layers of woven carbon fabric were added to the graphite and resin composite. Thus, the composite material was consisted of three phases: graphite particles, carbon fabric, and epoxy resin. By increasing mixing ratio of graphite, fabricated pressure and process temperature, the electric conductivity of the composite was improved. The results of tensile test showed that the tensile strength of the two-phase graphite composite was about 4MPa, and that of three-phase composite was increased to 57MPa. As surface properties, contact an91e and surface roughness were tested. Graphite composites showed contact angles higher than $90^{\circ}$, which mean low surface energy. The average surface roughness of the composite specimens was $0.96{\mu}m$.
The fuel cell is one of promising environment-friendly energy sources for the next generation. The bipolar plate is a major component of the PEM fuel cell stack, which takes a large portion of stack cost. In this study, as alternative materials for bipolar plate of PEM fuel cells, graphite composites were fabricated by compression molding. Graphite particles mixed with epoxy resin were used as the main substance to provide electric conductivity To achieve desired electrical properties, specimens made with different mixing ratio, processing pressure and temperature were tested. To increase mechanical strength, one or two layers of woven carbon fabric were added to the graphite and resin composite. Thus, the composite material was consisted of three phases: graphite particles, carbon fabric, and epoxy resin. By increasing mixing ratio of graphite, fabricated pressure and process temperature, the electric conductivity of the composite was improved. The results of tensile test showed that the tensile strength of the two-phase graphite composite was about 4MPa, and that of three-phase composite was increased to 57MPa. As surface properties, contact an91e and surface roughness were tested. Graphite composites showed contact angles higher than $90^{\circ}$, which mean low surface energy. The average surface roughness of the composite specimens was $0.96{\mu}m$.
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문제 정의
고분자전해질 연료전지 분리판 재료로 사용하고자 전도성 입자와 수지 그리고 탄소섬유를 사용하여 복합재를 제작하고 전기 및 기계적 특성을 확인해 보았다.
본 연구에서는 간단한 제 작공정 으로 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube), 카본블랙(Carbon Black), 흑연입자(GX-15, P-15), 이 네 가지 종류의 전도성이 좋은 입자들과 수지로 혼합된 복합재를 제작하고, 'a) 저항, 인장강도, 접촉각, 표면 조도 등을 측정하여 분리 판 소재로서 의 적용가능성에 대해 평가해 보았다
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지의 분리판으로 활용하고자 다양한 종류의 입 자와 수지, 그리고 탄소섬유를 혼합하여 복합재를 제작하고 그 특성을 평가해 보았다.
본 연구에서는 네 가지 전도성입자와 수지로 복합재를 제작하고 첨가비율, 성형압력, 성형온도 조건을 달리하면서 시편을 제작하고 이에 따른 저항을 측정하여 복합재의 전기적 특성을 평가하였다. 비저항과 전기전도성의 관계는 서로 역수를 취하여 얻을 수 있는 값으로써, 이는 낮은 저 항값이 곧 높은 전기전도성을 의미 한다고 할 수 있다.
제안 방법
그리고 여기에 탄소섬유를 추가하여 3 상 복합재를 제작하고 인장강도를 측정하였다. 탄소섬유를 추가하여 3 상 복합재를 제 작하고 저 항을 측정한 결과 전기적 특성에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
그리고 표면의 거친 정도를 확인하기 위해 복합재의 표면조도는 MarsurfXR20을 사용하여 측정하였고, 접촉각은 마이크로피펫으로 일정양의 물을 떨어뜨리고 현미 경을 통해 측정하였다.
그리고 표면특성을 확인하기 위해 표면조도를 측정하여 표면의 거친 정도를 확인하였고, 접촉각을 측정하여 표면에너지의 정도를 확인할 수 있었다.
네 가지 전도성 입자를 사용하여 복합재를 제작하고 각각의 저 항을 측정하여 분리 판용 재료로서 의 가능성 을 평가해보고, 그 중에서 측정된 저항이 다른 재료에 비해 작은 특성을 보이는 재료에 대해 다양한 조건으로 추가적인 실험을 진행하였다.
마지 막으로 성 형 온도에 따라 변화하는 전기적 특성을 확인하기 위해 첨가비율과 성형압력조건을 90vol%, l0MPa로 하여 실험을 진행하였다.
실험은 고분자전해질 연료전지 분리 판으로서 요구되는 다양한 특성 들을 만족시 키 기 위해 사용하는 재료와 성 형조건의 특성을 변화시 키면서 진행하였다. 이 중에서도 특히 연료전지 전체의 효율을 결정할 수 있는 중요한 성질인 전기적 특성과 다양한 하중에 견딜 수 있는 강도 특성 평가에 초점을 맞추어 실험을 진행하였다.
실험은 마이크로피 펫을 이용하여 2㎕의 물을 재료의 표면에 떨어뜨리고, 40배의 배율을 가진 전자현미경을 통해 재료표면과 물방울 간의 접촉각을 측정하였다. Fig.
이 중에서도 특히 연료전지 전체의 효율을 결정할 수 있는 중요한 성질인 전기적 특성과 다양한 하중에 견딜 수 있는 강도 특성 평가에 초점을 맞추어 실험을 진행하였다.
이처럼 위에서 언급한 내용들을 평가하기 위해 실험을 진행하였으며, 사용된 전도성 입자는 다중벽 탄소나노튜브, 카본블랙, 그리고 흑연입자(GX-15, P-15)를 사용하였으며, 이 중 좋은 전기적 특성을 보이는 재료에 대해 인장강도, 접촉각, 표면조도 등의 특성을 평가해 보았다.
전기 적 특성이 우수한 네 가지 종류의 전도성 입자를 에 폭시 수지 에 80vol%의 첨 가비 율로 혼합하고, 3.5MPa의 압력과 12ITC의 온도에서 30분 동안 경화하여 복합재를 제작하고, 각각의 시편에 대해 저항을 측정하였다.
전기적 특성 실험에서 가장 좋은 전도성을 보인 성형조건으로 복합재를 제작하고, 이 재료에 대해 인장강도를 측정하여 기계적 강도를 확인해 보았다. 그리고 여기에 탄소섬유를 추가하여 3 상 복합재를 제작하고 인장강도를 측정하였다.
제작된 복합재의 성형압력에 따른 전기적 특성을 확인하기 위해, 첨가비율과 성형온도를 90vol%와 120℃로 하고, 성 형 압력을 증가시 키면서 실험을 진행하였다.
제작된 복합재의 전기적 특성을 평가하기 위해 길이, 넓 이, 두께가 각각 80 mm, 20 mm, 2 mm인 시편을 제작하고, Milli-ohm meter장비를 이용하여 저항을 측정 하고 그 값을 비 교하였다.
제조한복합재는 우선 에폭시수지와 경화제 그리고 경화촉진제를 일정한 비율로 혼합한 뒤 전도성 입자를 각각 원하는 비율에 따라 첨가하여 입자와 수지를 혼합하는 방식으로 제조하였다. 이때 수지와 입자들 간의 균질한 혼합을 위해 High shear mixing기법을 사용하였으며, 이렇게 혼합된 재료는 미리 제작된 몰드에 넣고 Hot-press를 이용하여 압축성 형 방법으로 제 작하였다.
탄소섬유가 첨가된 3 상 복합재의 제조 방법 또한, 위의 경우와 마찬가지로 입자와 에폭시수지를 혼합한 뒤, 마지막으로 복합재를 압축성형하기 전에 입자와 에폭시수지 사이에 탄소섬유층을 더 추가하여 금형에 넣고, Hot- press를 이용하여 경화시키는 방법으로 제작하였다. Fig.
하지만 실험에 사용된 전도성 입 자들을 혼합하기 위한 성형성과 저항값을 비교해 볼 때, 다른 입자들에 비해 높은 밀도와 상대적으로 낮은 저항특성을 보인 P-15입자가 본 실험에서 요구하는 높은 전도성을 가져 야 하는 특성에 가장 적합한 성 질을 나타내어, 이 입자에 대해 몇 가지 전기적 특성을 더 알아보기 위한 추가 실험을 진행하였다.
흑연입자(P-15)와 에폭시수지의 첨가비율, 성형압력과 온도 조건을 달리 하여 시편을 제작하고 각각의 조건에 따른 저항특성을 확인해 보았다.
흑연입자와 에폭시수지로 제작된 복합재의 첨가 비율에 따른 전기적 특성을 알아보기 위해 성형압력과 온도를 l0MPa과 120℃로 고정하고, 흑연입자의 첨 가비 율을 80, 85, 90vol%로 증가시 키 면서 시 편을 제작하였다.
대상 데이터
실험은 열경화성 수지인 에폭시(Epoxy)와 전도성 입자를 사용하였다. 에폭시수지(YD-128)와 경화제, 경화촉진제는 (주)국도화학의 제품을 사용하였으며 (Table 1), 전도성 입자는 다중벽탄소나노튜브(MWCNT, CM-95), 카본블랙(CB, Ketjenblack), 그리고 (주)카보닉스의 흑연 분말의 종류인 GX-15(후처리 가공된 흑연분말)와 P-15(후처리 되지 않은 흑연 분말)를 사용하여 실험을 진행하였다(Table 2, Fig.
입자를 사용하였다. 에폭시수지(YD-128)와 경화제, 경화촉진제는 (주)국도화학의 제품을 사용하였으며 (Table 1), 전도성 입자는 다중벽탄소나노튜브(MWCNT, CM-95), 카본블랙(CB, Ketjenblack), 그리고 (주)카보닉스의 흑연 분말의 종류인 GX-15(후처리 가공된 흑연분말)와 P-15(후처리 되지 않은 흑연 분말)를 사용하여 실험을 진행하였다(Table 2, Fig. 1). Table 3은 사용된 (주)KPI의 KN C125 EPC 탄소섬유(Plain weave: 평직)의 특성이다.
인장강도 측정 시편은 Fig. 10과 같은 치수와 형상을 가지며, 측정 장비는 LLOYD Instruments LR 50K를 사용하였다.
이론/모형
혼합하는 방식으로 제조하였다. 이때 수지와 입자들 간의 균질한 혼합을 위해 High shear mixing기법을 사용하였으며, 이렇게 혼합된 재료는 미리 제작된 몰드에 넣고 Hot-press를 이용하여 압축성 형 방법으로 제 작하였다. 압축성 형 방법은 기존의 유동채널과 판을 두 단계로 제작하는 기계식 가공 과정에 비해, 이를 한 번에 압축성형으로 제작할 수 있으므로 비교적 공정 이 간단하다.
제작된 복합재의 기계적 특성을 평가하기 위해 ASTM D638 기준에 의해 시편을 제작하고, 인장강도를 측정하였다.
성능/효과
1) MWCNT, CB, Graphite(GX-15, P-15) 입자들 중 같은 조건에서 성형하였을 때 P-15 입자가 가장 작은 저항 값을 보였다.
2) 흑연입자의 첨가비율과 성형압력, 성형온도를 증가시켜 복합재를 제작할수록 저항이 감소하였다.
3) 흑연입자와 수지로 제작된 복합재에 탄소섬유를 추가하여 제작할 경우 강도가 향상되었다.
4) 다양한 성형조건에서 제작한 복합재의 표면 조도는 0.96μm정도 이다.
5) 성형조건을 120℃C에서 l0MPa의 압력으로 각각 80, 85, 90vol%의 흑연입자 첨가비율로 제작한 복합재의 접촉각은 100° 이상의 값을 나타내었다.
MWCNT와 CB의 경우 상대적으로 낮은 밀도를 가지고 있어서 실제 80vol%의 비율로 혼합하였으나, 무게비로 나타내면 각각 26wt%와 31wt%로 혼합되었다는 것을 알 수 있었다. 이에 비해 흑연입자 (GX-15, P-15)의 경우는 상대 적 으로 MWCNT나 CB에 비해 높은 밀도를 가지고 있어서 70-80wt%의 무게비로 혼합되어 있는 것으로환산할 수 있었다.
SEM 사진에서 관찰할 수 있듯이 80vol%로 혼합하여 제작한 시편의 경우, 상대적으로 에폭시수지의 비율이 높아 수지가 입자를 둘러싸고 있는 모습을 관찰할 수 있었으며, 85와 90vol%로 증가할수록 수지의 비율이 줄고 입자와 입자사이의 간격이 조밀해지는 것을 확인할 수 있었다.
96μm 정도의 표면조도를 얻을 수 있었다. 각각의 성 형 조건에 따라 큰 차이 없이 1μm 정도의 표면 거칠기를 나타내었으며, 이는 압축성형 시 최저압력인 3.5 MPa 이상의 압력으로 제작한다면, 얻을 수 있는 값으로 확인할 수 있었다.
네 종류의 전도성 입자를 가지고 실험을 한 결과 흑연입자 중 후처리 가공을 하지 않은 P-15입자로 제작된 시편이 가장 낮은 저항을 가지고 있음을 확인하였으며(Fig. 3), 이는 분리판이 요구하는 높은 전도성 재료의 특성을 P-15입자가 가지고 있음을 나타내는 것이다.
성형온도를 80, 100, 120℃로 높이면서 복합재를 제작한 결과, 온도가 상승할수록 저항이 감소하는 특성을 확인할 수 있었다(Fig. 8). 이는 온도가 높아질수록 분자들의 이동이 활발해져서 입자들이 고르 게 분포되며, 또한 에폭시수지도 점도가 낮아져서 수지와 입자들이 고르게 분포할 수 있도록 해주기 때문인 것으로 추측할 수 있었다(Fig.
6). 이 또한 첨가비율이 증가하는 경우와 비슷하게, 가하는 압력의 상승으로 인해 흑연입자들의 간격이 조밀해지고, 밀도가 높아져서 저항이 감소하는 것을 알 수 있었다.
이렇게 제작된 시편의 저항을 측정한 결과 성형압력이 3.5, 7, l0MPa로 증가할수록 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 6). 이 또한 첨가비율이 증가하는 경우와 비슷하게, 가하는 압력의 상승으로 인해 흑연입자들의 간격이 조밀해지고, 밀도가 높아져서 저항이 감소하는 것을 알 수 있었다.
입 자와 수지 로만 제 작된 복합재 에 비해 탄소섬 유가 1 장 첨가된 섬유강화 복합재로도 강도는 7배, 강성은 2배 정도 향상됨을 확인할 수 있었다.
제작된 복합재 의 저 항을 측정한 결과 흑연입자를 첨가하는 비율이 높아질수록 저 항이 감소하는 것을 알 수 있었다(Fig. 4). 이는 전기를 전도할 수 있는 특성을 가진 흑연입자의 밀도가 에폭시수지에 비해 상대적으로 높아지 고, 입자간의 간격 이 조밀해져서 저항이 감소한 것으로 추측할 수 있었다(Fi& 5).
제작된 복합재의 표면 거 칠기를 측정한 결과 0.96μm 정도의 표면조도를 얻을 수 있었다. 각각의 성 형 조건에 따라 큰 차이 없이 1μm 정도의 표면 거칠기를 나타내었으며, 이는 압축성형 시 최저압력인 3.
그리고 여기에 탄소섬유를 추가하여 3 상 복합재를 제작하고 인장강도를 측정하였다. 탄소섬유를 추가하여 3 상 복합재를 제 작하고 저 항을 측정한 결과 전기적 특성에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
흑연입자와 수지로만 제작된 복합재는 입자의 첨가비율에 비해 바인더 역할을 해주는 수지의 양이 너무 작아서 취성 이 강한 특성을 보였으나, 가운데 층에 탄소섬유를 추가하여 제작한 복합재의 경우 강도 특성이 좋아지는 결과를 얻을 수 있었다.
12는 각각 다른 첨가비율에서 측정한 복합재의 접촉각이며, 전체적으로 100°가 넘는 높은 접촉각을 보여 주었다. 흑연입자의 첨가비율이 중가함에 따라 물방울과 재료가 접하는 면이 작아지는 즉, 접촉각이 조금씩 커지는 것을 확인할 수 있었다.
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