[논문]고분자 전해질 연료전지 막의 변형 및 피로수명

양정환; 박정선

doi:10.5139/jksas.2011.39.5.400

고분자 전해질 연료전지 막의 변형 및 피로수명
Study for the Deformation and Fatigue Life of a PEMFC 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.39 no.5, 2011년, pp.400 - 407

양정환 (한국항공대학교 대학원) , 박정선 (한국항공대학교 항공우주및기계공학부)

초록
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전해질 막의 응력 및 변화폭의 분포는 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)의 피로수명의 중요한 인자이다. 본 논문에서는 연료전지 운전조건의 hygro-thermal 조건에 의해 전해질 막에 발생하는 기계적 응력 해석을 모델링 하였다. 기체확산층과 전해질 막 사이의 접촉해석이 여러 가지 온도, 습도 조건에 대하여 수행되었다. 구조 모델은 온도와 상대습도에 의존하는 비선형 재료물성을 적용하였다. 몇 가지 기하학적 조건들이 모델에 적용되었다. 구조해석 결과는 전해질 막의 변형이 체결조건에 크게 의존함을 보여주었다. 실험 데이터와의 비교를 통해 운전 조건에 대하여 피로수명 예측이 수행되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The stress distribution and stress amplitude of a membrane are major factors to decide the mechanical fatigue life of PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). In this paper, mechanical stresses under operating hygro-thermal condition of the membrane are numerically modelled. Contact analysis between gas diffusion layer (GDL) and the membrane is performed under various temperature-humidity conditions. The structural model has nonlinear material properties depending on temperature and relative humidity. Several geometric conditions are applied to the model. The numerical analysis results indicate that deformations of the membrane are strongly related with assembly conditions of the fuel cell. The fatigue life is predicted for practical operating condition through experimental data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이들은 반복적인 하중에 의해 초기 상태와 변형 상태를 반복적으로 거치게 된다. 그렇다면 이러한 현상들이 막의 내구성에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보기 위하여 응력분포 및 변화 경향을 살펴보았다.
따라서 온도 및 습도에 의해 달라지는 전해질 막의 물성을 여러 가지 온도, 습도 상태에 대해 정의하였다. 전해질 막의 탄성계수(E)가 작동 온도 및 습도에 따라 최대 197 MPa에서 최소 46 MPa까지 변화하며 항복응력 및 소성 거동 또한 온도, 습도에 따라 크게 변화한다[7].
전해질막의 피로 시험 자료의 적용에 있어서 피로특성을 운전조건에 따라 동일하다고 가정하였다. 본 연구에서는 연료전지 내부의 복잡한 온도/습도 환경변화에 대해 응력 해석을 통해 살펴보고 그것을 피로시험 데이터를 통해 수명을 예측하는 일련의 과정에 대한 가능성을 검증해 보았다. 이 과정에서 피로하중이 집중되는 부위의 균열발생에 대한 상대적인 예측을 할 수 있었다.
본 연구에서는 연료전지의 운전조건(온도, 습도)을 고려하여 유한요소해석을 이용한 방법으로 막의 응력 분포를 예측하고 피로하중 스펙트럼을 산출하여 피로수명에 대해 알아보고자 한다. 실제 사용되고 있는 연료전지의 구성 요소 및 체결 조건을 고려하여 좀 더 자세한 해석 모델을 수립할 필요가 있다.
본 연구에서는 전해질 막과 기체확산층 간의 상호작용 및 기체확산층의 전해질막 지지(membrane support) 성능 등을 확인하는 것을 목적으로 수직방향과 수평방향의 탄성계수(Ex, Ey) 그리고 전단계수(G) 및 포아송 비(ν) 를 따로 정의한다.
그렇지만 전해질막과의 상호 작용에 대한 고려만을 목적으로 단일 재료로 정의하였으며 이에 대한 물성 데이터는 몇 가지 유형의 기체확산층에 대하여 실험을 통해 얻어졌다. 이러한 재료물성들을 이용하여 단위전지 내에서 연료전지 운전조건에 대한 전해질 막의 거동에 대해 고찰해 보기 위하여 구조해석을 수행하였다. 단위전지 적층 단면 구조에 대하여 Fig.

가설 설정

이러한 재료물성들을 이용하여 단위전지 내에서 연료전지 운전조건에 대한 전해질 막의 거동에 대해 고찰해 보기 위하여 구조해석을 수행하였다. 단위전지 적층 단면 구조에 대하여 Fig. 3 과 같은 단일채널 단위전지를 가정하였다. 각각 요소 간에는 접촉거동이 정의되었다.
나피온의 피로 특성에 대한 실험적 연구결과와 본 해석 결과와 비교하여 수명을 예측하여 본다. 본 연구에서는 나피온의 피로 특성은 운전조건에 따라 달라지지 않는다고 가정하였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화 (chemial degradation) 는 고려하지 않았으며, 운전조건에 의한 hygrothermal stress의 영향에 대하여 기계적 피로수명을 예측 하였다.
이로써 기체확산층의 강성과 전해질 막의 수명이 일관되게 정비례 또는 반비례 하지 않으며 적절한 수준의 강성이 요구되는 것을 알 수 있었다. 전해질막의 피로 시험 자료의 적용에 있어서 피로특성을 운전조건에 따라 동일하다고 가정하였다. 본 연구에서는 연료전지 내부의 복잡한 온도/습도 환경변화에 대해 응력 해석을 통해 살펴보고 그것을 피로시험 데이터를 통해 수명을 예측하는 일련의 과정에 대한 가능성을 검증해 보았다.

제안 방법

또한 온도, 습도에 의한 막의 팽창을 모사하기 위해 ABAQUS user subroutine이 사용되었다. ABAQUS 에서는 기본적으로 습도를 고려할 수 없기 때문에 Field variable 의 형태로써 적용하여 해석 하였다. 온도, 습도에 따른 팽창 거동에 대한 재료 시험 데이터를 그래프로 나타내면 Fig.
그래프에 나타난 응력변화 폭(∆σ)-수명(N) 경향을 이용하여 3가지 해석모델에 대한 피로 수명을 예측한다.
기체확산층은 carbon fiber와 poly tetra fluoro ethylene(PTFE) 및 micro porous layer(MPL)층으로 구성되어 있는 다공성 물질이다. 그렇지만 전해질막과의 상호 작용에 대한 고려만을 목적으로 단일 재료로 정의하였으며 이에 대한 물성 데이터는 몇 가지 유형의 기체확산층에 대하여 실험을 통해 얻어졌다. 이러한 재료물성들을 이용하여 단위전지 내에서 연료전지 운전조건에 대한 전해질 막의 거동에 대해 고찰해 보기 위하여 구조해석을 수행하였다.
나피온의 피로 특성에 대한 실험적 연구결과와 본 해석 결과와 비교하여 수명을 예측하여 본다. 본 연구에서는 나피온의 피로 특성은 운전조건에 따라 달라지지 않는다고 가정하였다.
7에 나타내었다. 대체로 큰 굽힘강성(bending stiffness)을 갖고 있는 carbon felt 계열의 경우와 상대적으로 작은 굽힘강성을 갖는 carbon paper 계열의 경우를 비교하여 나타내었다. 이들이 전해질 막의 내구성에 미치는 영향은 현재도 많은 연구자들에 의해 연구되어 지고 있다.
먼저 비교적 강도가 작은 carbon paper와 강도가 큰 carbon felt계열로 분류하였다. 또한 carbon felt 에 대해서 제작과정에서 굽힘하중을 받지 않고 생산된 경우에 대해 carbon felt-A, 대량생산 방식에 따라 roll-good 형태로 제작되어 굽힘하중을 받게 되는 것을 carbon felt-B로 분류하였다. 이 재료들은 서로 기계적 물성 및 전기, 화학적 특성에 차이를 보인다.
연료전지 운전-정지 사이클에 대해 전해질 막의 피로 수명을 예측하였다. 또한 어떤 기체확산층을 사용하는지에 따라 결과를 비교 하였다. 이로써 기체확산층의 강성과 전해질 막의 수명이 일관되게 정비례 또는 반비례 하지 않으며 적절한 수준의 강성이 요구되는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 나피온의 피로 특성은 운전조건에 따라 달라지지 않는다고 가정하였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화 (chemial degradation) 는 고려하지 않았으며, 운전조건에 의한 hygrothermal stress의 영향에 대하여 기계적 피로수명을 예측 하였다. Fig.
실험을 통해 여러 가지 기체확산층의 기계적 거동을 확인하고 물성을 해석 모델에 적용 하였다. 또한, 셀 내부의 channel, land 부분 및 edge seal joint 부분 등의 여러 가지 상황에 대해 전해질 막(MEA)과 기체확산층(GDL, gas diffusion layer) 간의 비선형 접촉해석을 수행하였다. 해석은 상용 프로그램 ABAQUS 를 이용하여 수행하였으며, 전해질 막의 수화-열팽창을 구현하기 위하여 ABAQUS user subroutine UEXPAN 이 사용되었다.
대상 재료들로는 국내외에서 현재 많이 사용되고 있는 종류 들을 선정하였다. 먼저 비교적 강도가 작은 carbon paper와 강도가 큰 carbon felt계열로 분류하였다. 또한 carbon felt 에 대해서 제작과정에서 굽힘하중을 받지 않고 생산된 경우에 대해 carbon felt-A, 대량생산 방식에 따라 roll-good 형태로 제작되어 굽힘하중을 받게 되는 것을 carbon felt-B로 분류하였다.
실험을 통하여 전해질 막의 운전 중 변형 거동을 구현하였다. 전해질 막(MEA)과 기체확산층(GDL), 분리판을 적층하여 온도, 습도 조건을 해석과 동일한 조건으로 구현하였다.
실제 사용되고 있는 연료전지의 구성 요소 및 체결 조건을 고려하여 좀 더 자세한 해석 모델을 수립할 필요가 있다. 실험을 통해 여러 가지 기체확산층의 기계적 거동을 확인하고 물성을 해석 모델에 적용 하였다. 또한, 셀 내부의 channel, land 부분 및 edge seal joint 부분 등의 여러 가지 상황에 대해 전해질 막(MEA)과 기체확산층(GDL, gas diffusion layer) 간의 비선형 접촉해석을 수행하였다.
연료전지 운전-정지 사이클에 대해 전해질 막의 피로 수명을 예측하였다. 또한 어떤 기체확산층을 사용하는지에 따라 결과를 비교 하였다.
해석은 상용 프로그램 ABAQUS 를 이용하여 수행하였으며, 전해질 막의 수화-열팽창을 구현하기 위하여 ABAQUS user subroutine UEXPAN 이 사용되었다. 유한요소해석을 통하여 얻어진 하중 스펙트럼에 재료의 피로 특성을 비교하였다.
일반적으로 전해질 막은 촉매극이 전사된 상태인 MEA(membrane electrode assembly)의 형태로 사용된다. 이러한 전해질 막의 기계적 거동을 모델링하기 위해 나피온막의 탄성-소성 특성 및 수분-열팽창 특성을 해석에 적용하였다. 전해질 막의 탄-소성 물성들은 고분자 물질인 나피온의 특성상 온도 및 습도에 의해 영향을 받는다.
Carbon felt-A 에 대한 계수들은 Kleemann의 실험을 참고하였으며[8], carbon felb-B 와 carbon paper 에 대해서는 압축시험 및 굽힘시험을 수행하였다. 이렇게 구해진 계수들을 이용하여 기체확산층을 직방성 재료로 모델링 할 수 있었다. 직방성 재료에 대한 후크의 법칙(Hooke's law)은 다음 식 (2)와 같다.
전해질 막(MEA)과 기체확산층(GDL), 분리판을 적층하여 온도, 습도 조건을 해석과 동일한 조건으로 구현하였다. 전자현미경을 이용하여 촬영한 사진을 통해 전해질 막의 변위를 확인하였다. 이 변형 형상을 해석을 통해 얻은 변형 형상과 비교해 보기로 한다.
실험을 통하여 전해질 막의 운전 중 변형 거동을 구현하였다. 전해질 막(MEA)과 기체확산층(GDL), 분리판을 적층하여 온도, 습도 조건을 해석과 동일한 조건으로 구현하였다. 전자현미경을 이용하여 촬영한 사진을 통해 전해질 막의 변위를 확인하였다.
각각 요소 간에는 접촉거동이 정의되었다. 채널 및 서브개스킷(Edge seal) 부위에서의 거동을 각각 확인하기 위하여 단일 채널 양쪽으로 서브개스킷을 두었다.
해석상에서 분리판(Bipolar plate) 부분은 실제 모델링하지 않고 경계조건으로 대체하였다.

대상 데이터

기체확산층의 차이에 의한 결과를 비교하기 위하여 3종류의 기체확산층을 선정하였다. 대상 재료들로는 국내외에서 현재 많이 사용되고 있는 종류 들을 선정하였다.
기체확산층의 차이에 의한 결과를 비교하기 위하여 3종류의 기체확산층을 선정하였다. 대상 재료들로는 국내외에서 현재 많이 사용되고 있는 종류 들을 선정하였다. 먼저 비교적 강도가 작은 carbon paper와 강도가 큰 carbon felt계열로 분류하였다.

이론/모형

이 재료들은 서로 기계적 물성 및 전기, 화학적 특성에 차이를 보인다. Carbon felt-A 에 대한 계수들은 Kleemann의 실험을 참고하였으며[8], carbon felb-B 와 carbon paper 에 대해서는 압축시험 및 굽힘시험을 수행하였다. 이렇게 구해진 계수들을 이용하여 기체확산층을 직방성 재료로 모델링 할 수 있었다.
또한 온도, 습도에 의한 막의 팽창을 모사하기 위해 ABAQUS user subroutine이 사용되었다. ABAQUS 에서는 기본적으로 습도를 고려할 수 없기 때문에 Field variable 의 형태로써 적용하여 해석 하였다.
또한, 셀 내부의 channel, land 부분 및 edge seal joint 부분 등의 여러 가지 상황에 대해 전해질 막(MEA)과 기체확산층(GDL, gas diffusion layer) 간의 비선형 접촉해석을 수행하였다. 해석은 상용 프로그램 ABAQUS 를 이용하여 수행하였으며, 전해질 막의 수화-열팽창을 구현하기 위하여 ABAQUS user subroutine UEXPAN 이 사용되었다. 유한요소해석을 통하여 얻어진 하중 스펙트럼에 재료의 피로 특성을 비교하였다.

성능/효과

기체확산층 종류별로 전해질 막의 변형이 크게 발생했던 경우에서 응력 변화 폭이 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서 전해질 막의 기계적 내구성 측면에서 기체확산층의 수평방향 강도가 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있었다.
전기-화학적 성능 측면에서 이와 같은 현상은 접촉저항을 커지게 하므로 성능저하를 일으킬 것이다. 반면 전해질 막에 대한 기계적 지지성능으로 보면, 수평방향 탄성계수(E)가 클수록 채널부위 지지성능은 좋고, 서브개스킷 부분 지지성능은 좋지 않은 것으로 나타났다. 이들은 반복적인 하중에 의해 초기 상태와 변형 상태를 반복적으로 거치게 된다.
또한 어떤 기체확산층을 사용하는지에 따라 결과를 비교 하였다. 이로써 기체확산층의 강성과 전해질 막의 수명이 일관되게 정비례 또는 반비례 하지 않으며 적절한 수준의 강성이 요구되는 것을 알 수 있었다. 전해질막의 피로 시험 자료의 적용에 있어서 피로특성을 운전조건에 따라 동일하다고 가정하였다.
이 값을 넘어가게 되면 반복적인 변형으로 인하여 표면에 균열이 발생하고 누설(leak)이 일어난다고 하였다. 해석 결과를 비교해 보면 carbon felt-A 혹은 carbon paper 재질의 기체확산층을 사용할 경우 특정 부위에서 비교적큰 응력 변화 폭을 나타내었다. Felt-A, carbon paper의 경우 각각 서브개스킷 접촉부분과 채널 부분에서 높은 응력변화폭을 보였으며 felt-B 에서 상대적으로 안정적인 내구성이 예측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 전해질 막의 특성은?	고분자 전해질 연료전지에 사용되는 고분자 전해질 막(PEM, polymer electrolyte membrane) 은 온도, 습도의 변화에 따라 수축, 팽창하는 특성이 있다. 일반적으로 고분자 전해질 막의 재료로 PFSA (perfluorosulfonic acid) NAFION®이 사용되고 있으며 이 재료는 습도 및 온도에 따라 수화 및 열팽창 거동을 보인다[2-3].
	고분자 전해질 연료전지의 피로수명에 중요한 인자는?	전해질 막의 응력 및 변화폭의 분포는 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)의 피로수명의 중요한 인자이다. 본 논문에서는 연료전지 운전조건의 hygro-thermal 조건에 의해 전해질 막에 발생하는 기계적 응력 해석을 모델링 하였다.
	기체확산층의 다공성 구조는 어떠한가?	기체확산층은 Fig. 7에서 보는 바와 같이 수많은 carbon fiber와 poly tetra fluoro ethylene(PTFE) 및 micro porous layer(MPL)층으로 구성되어 있는 다공성 물질로써, carbon fiber 들이 수평 방향으로 불규칙하게 얽혀있는 구조를 갖는다. 또한 이 사진으로써 기체확산층의 두께방향 특성이 비선형적일 수 있음을 예측할 수 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
Craig, G., Yeh, H. L. and Daniel, M., “Durability of Perfluorosulfonic Acid Membranes for PEM Fuel Cells”, Fuel Cell Activities, 2005.
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Tang, H. L., Pan, M. and Wang, F., "A Mechanical Durability Comparison of Various Perfluocarbon Proton Exchange Membranes", Journal of Applied Polymer Science 109, pp. 2671？2678, 2008.

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Li, Y., Dillard, D., Case, S., Ellis, M., Lai, Y., Gittleman, C. and Miller, D., "Fatigue and creep to leak tests of proton exchange membranes using pressure-loaded blisters", Journal of Applied Polymer Science 194, pp. 873 -879, 2009.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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