[논문]고분자연료전지용 분리판 상용화 기술개발

김정헌

doi:10.7316/khnes.2011.22.3.409

초록
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건물용 고분자연료전지는 저탄소 녹색산업화에 기여할 수 있는 대표적인 신재생에너지원으로, 정부 주도의 보급사업을 통해 초기 시장창출이 이루어지고 있다. 고분자연료전지 산업화 촉진을 위해서는 분리판을 비롯한 구성 부품의 상용화 기술개발과 저가화가 필수적이다. 탄소복합체 몰딩분리판의 적용은 고분자연료전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것이다. 한국타이어에서 개발한 복합체 몰딩분리판은 고분자연료전지 스택 부품으로서의 요구 특성과 성능을 모두 만족시키는 것으로 나타났다. 한국타이어는 분리판 상용화 기술개발과 지속적인 생산능력 확보를 통해 국산 연료전지의 가격 및 성능 경쟁력 향상을 위해 최선의 노력을 다하고 있다.

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To promote the industry of PEMFC, the commercialization of its parts especially bipolar plate is needed. The bipolar plate is one of key parts for PEMFC, which occupies cost portion of 5~8% in the system. To replace the bipolar plate of machined graphite highly costly, the stamped thin matal or the ...

To promote the industry of PEMFC, the commercialization of its parts especially bipolar plate is needed. The bipolar plate is one of key parts for PEMFC, which occupies cost portion of 5~8% in the system. To replace the bipolar plate of machined graphite highly costly, the stamped thin matal or the molded carbon composite has been developed. According to the merits and demerits of each material and its forming process, the stamped metallic plate has been considered to the bipolar plate of PEMFC for automotive, and on the other hand, the molded composite plate has been considered to one for building applications. Hankook Tire Co., Ltd. has developed the carbon composite material and the manufacturing process for the bipolar plates. The developed bipolar plates were proved to be fully applicable to PEMFC of building applications in characteristics and performance, and so government strategic project to develop the mass-production technology for bipolar plates was started and is being conducted by the company. Through the government project for obtaining both the commercialization technology and production capacity for the bipolar plates, the price and the performance of domestic PEMFCs are expected to become competitive in international market.

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문제 정의

분리판 상용화 기술개발 과제는 기 개발된 제품원천기술을 기반으로 하여 성능은 높이면서도 가격은 저감시킬 수 있는 양산 관련 요소기술들을 개발 하는 것이 목표이다.
9에 나타낸 바와 같이 순차적으로 생산능력을 확보할 수 있도록 착실히 준비하고 있다. 이를 통해 고분자연료전지용 탄소복합체 몰딩분리판 분야에서의 글로벌 리더십을 확보하고자 한다.

제안 방법

1∼3kW급 PEMFC 용으로 사용이 가능하게끔 유동장 해석을 통해 유로와 매니폴드를 설계하였고, 활성면적은 200cm2로 설정하였다.
5에는 개발된 기반기술들을 적용하여 한국타이어에서 시험제조한 탄소복합체 몰딩분리판을 나타내었다. 공기/수소 및 냉매 유동장 계산을 통해 유로를 설계하였고, 열경화성 소재를 사용하여 압축성형 방식으로 제조하였다.

성능/효과

60-셀 스택 성능을 평가한 결과로, 연료가스로 수소를 사용할 때 단위셀 기준 0.75V 운전 시 약 210mA/cm²의 전류밀도를 나타내는 것으로 확인되 었다.
탄소복합체 몰딩분리판의 적용은 고분자연료전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것이다. 한국타이어에서 개발한 복합체 몰딩분리판은 고분자연료전지 스택 부품으로서의 요구 특성과 성능을 모두 만족시키는 것으로 나타났다.

후속연구

건물용 고분자연료전지(PEMFC)는 전기효율 36%와 열효율 46%를 합한 총에너지효율 82%를 자랑하는 무공해 열병합 분산 발전기이다. 국가 주도의 모니터링 사업을 통해 성능이 검증되어진 대표적인 저탄소 녹색산업 아이템으로서, Fig. 1에 나타낸 바와 같이 정부의 2020년 10만호 연료전지 그린홈 누적 목표가 달성되면, CO₂ 배출저감과 1차 에너지 절감 뿐 아니라 신규일자리 창출에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이러한 핵심부품들의 상용화 기술개발이 어느 정도 완료되어지는 2012년 이후에는 국산 건물용 연료전지의 가격과 성능 경쟁력이 선진제품 대비하여 대등한 수준으로 향상되어질 수 있을 것으로 기대한다.
국내 탄소복합체 몰딩분리판 기술을 선진제품 수준으로 향상시키기 위해서는 상용화 기술개발과 함께 제품 생산능력 확대도 동시에 이루어져야 할 것으로 사료된다. 지속적인 생산능력 확대를 통해 품질과 가격 경쟁력을 동시에 확보할 수 있을 때, 시장을 주도하는 글로벌 리더가 될 수 있을 것이다.
이에 따라 분리판 양산기술을 개발하여 고성능 저가 분리판 국내 공급체계를 구축하고자 하는 “건물용 연료전지 분리판 상용화 기술개발” 사업이 기획되어져, 한국타이어 주관으로 9개 학연산 기관에서 현재 수행 중에 있다. 지식경제부 산하 한국에너지기술평가원에서 전담하는 신재생에너지 전략기술개발사업의 일환으로 2009년 12월부터 3년간 진행될 예정이다.
탄소복합체 몰딩분리판의 적용은 고분자연료전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것이다. 한국타이어에서 개발한 복합체 몰딩분리판은 고분자연료전지 스택 부품으로서의 요구 특성과 성능을 모두 만족시키는 것으로 나타났다.
현재 셀스택 성능평가가 진행 중이며 평가 결과에 따라 유동장 디자인 및 적용 소재 성분비의 최적화 연구를 계속해서 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물용 연료전지의 보급을 촉진시키기 위해서는 무엇이 필요한가?	건물용 연료전지의 보급을 촉진시키기 위해서는 주요 부품의 성능과 신뢰도를 향상시키고 가격을 저감하여 시스템 가격을 낮추는 것이 무엇보다 중요하다. Fig.
	건물용 고분자연료전지란?	건물용 고분자연료전지(PEMFC)는 전기효율 36%와 열효율 46%를 합한 총에너지효율 82%를 자랑하는 무공해 열병합 분산 발전기이다. 국가 주도의 모니터링 사업을 통해 성능이 검증되어진 대표적인 저탄소 녹색산업 아이템으로서, Fig.
	연료전지에서 분리판은 어떤 물성이 필요한가?	전기전도성과 열전도성이 높은 동시에 내부식성 등 높은 화학적 안정성이 필요하다. 또한 냉매나 기체에 대한 밀폐성이 우수해야 하며 스택을 지지하는 역할을 하므로 기계적 강도가 높아야 한다.

참고문헌 (5)

Orest Adrianowycz, "Next Generation Bipolar Plates for Automotive PEM Fuel Cells", DOE Hydrogen Program Review, 2008, Project ID # FC28.
K. Mitsuda, H. Maeda, M. Matsumura and H. Urushibata, "Technical Issues on Polymer Electrolyte Fuel Cells", 15th World Hydrogen Energy Conference, 2004, 01PL-02.
강경민, 김동묵, 최정식, 차인수, 윤영훈, "PEMFC 용 분리판 표면코팅 및 부식성 평가", 한국수 소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 22, No. 2, 2011, pp. 199-205.

원문보기 상세보기
M. Wu and Leon L. Shaw, "A novel concept of carbon filled polymer blends for applications in PEM fuel cell bipolar plates", Int. Journal of Hydrogen Energy, Vol. 30, 2005, pp. 373-380.
김정헌 등, "고분자연료전지용 분리판 국산화 기술개발", 산업자원부 기술개발 최종보고서, 2004-N-FC12-P-05, 2007

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