[논문]복합재료 샌드위치 엔드플레이트의 연료전지 냉시동성 향상에 미치는 효과

서정도; 고재준; 안병기; 유하나; 이대길

doi:10.7316/khnes.2011.22.6.859

복합재료 샌드위치 엔드플레이트의 연료전지 냉시동성 향상에 미치는 효과
Effect of Composite Sandwich Endplates on the Improvement of Cold Start Characteristics for PEMFC 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.6, 2011년, pp.859 - 867

서정도 (현대자동차) , 고재준 (현대자동차) , 안병기 (현대자동차) , 유하나 (한국과학기술원) , 이대길 (한국과학기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

The cold start problem is one of major obstacles to overcome for the commercialization of fuel cell vehicles. However, the cold start characteristics of fuel cell systems are very complicated since various phenomena, i.e. ice-blocking, electro-chemical reactions, heat transfer, and defrosting of BOP components, are involved in them. This paper presents a framework to approach the problem at a full stack scale using Axiomatic Design (AD). It was characterized in terms of Functional Requirements (FRs) and Design Parameters (DPs) while their relations were established in a design matrix. Considering the design matrix, the endplates should have low thermal conductivity and capacity without increase in weight or decrease in structural stiffness. Consequently, composite sandwich endplates were proposed and examined both through finite element analyses and experiments simulating cold start conditions. From the examinations, it was found that the composite sandwich endplates significantly contributed to improving the cold start characteristics of PEMFC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 냉시동 특성 개선을 스택 수준에서 고찰하고 엔드플레이트에 대하여 공리설계(axiomatic design)에 의한 설계 방법론을 제시 하였다. 무게를 증가시키지 않으면서 강성을 유지하여야 하고, 열전도도 및 열관성이 작을 것이 요구되므로 복합재료를 이용한 샌드위치 구조가 제안되었다.
본 연구에서는 연료전지 냉시동 특성 향상을 위하여 공리설계의 방법을 이용하여 열관성이 작고 열전도 저항이 큰 복합재료를 이용한 샌드위치 구조의 엔드플레이트를 제안하고 실제로 제작하여 냉 시동 및 경량화에 미치는 효과를 시험적으로 검증 하였다.
영하의 저온에서는 스택을 구성하는 이온 교환막(membrane)의 이온 전도도가 떨어질 뿐만 아니라, 전기화학반응이 일어나는 촉매 표면으로 수소 또는 공기를 공급하는 경로가 얼음에 의하여 차단되는 빙결차단(Ice-Blocking) 현상이 일어나기도 한다¹⁾. 이에 미국 에너지성(DOE)에서는 2010년까지 -20˚C 저온 시동 시 30초 내에 최대 출력을 발생하는 연료전지 개발을 목표로 하였었다. 따라서 각국의 자동차 업체들에서는 연료 전지 냉시동 관련 기술개발에 매진하고 있으며 시동정지(shut-down), 퍼징(purging)등 운전기술뿐만 아니라 냉시동에 적합한 이젝터(ejector), 수소 재순환 블로워(recirculation blower)등의 개발을 통하여 -20˚C에서 냉시동을 성공시키고 보다 저온에서의 냉시동을 위한 기술개발을 진행하고 있다.

가설 설정

해석조건은 스택 및 엔드플레이트의 온도가 -20℃ 인 상태에서 엔드플레이트-분리판 경계면이 전기 화학반응에 의하여 80℃로 순간적으로 올라가서 유지되며, 엔드플레이트 외면은 -20℃ 외기에 노출된 상태에서 대류열전달에 의하여 열손실이 발생한다고 가정하였다. Fig.

제안 방법

300×300×20mm 치수를 갖는 샌드위치 시편의 두께방향 열전도도는 열전도도계(HFM 436, NETZSCH, USA)를 이용하여 25°C and 70°C에서 각각 측정하였다.
개발된 복합재료 샌드위치 엔드플레이트와 기존 스테인레스계 금속 엔드플레이트의 기계적 강성은 ASTM D790의 3점 굽힘시험을 통하여 비교하였다.
면재와 폼을 포함한 코어의 접합에는 에폭시 접착제(aladite AW 160)를 사용하였고 면재와 하니콤의 접합에는 필름 접착제(FM305M, cytec, USA)을 사용하였다. 굽힘 강성, 강도의 측정은 Fig. 4와 같이 ASTM D 7903 의 3점 굽힘시험 방법으로 인스트론(Instron4469, USA)의 헤드 속도 2.5mm/min에서 시험하였다.
무게를 증가시키지 않으면서 강성을 유지하여야 하고, 열전도도 및 열관성이 작을 것이 요구되므로 복합재료를 이용한 샌드위치 구조가 제안되었다. 또한 복합재료 샌드위치 구조에서 스킨과 코어 재질에 따른 기계 및 열적 특성을 시험적으로 확인하고, 실제 엔드플레이트를 설계 및 제작하였다. 개발된 복합재료 샌드위치 엔드플레이트는 냉시동시 열손실에 대한 유한요소 해석과 냉시동시 셀전압 측정 시험을 통하여 성능향상에 큰 효과가 있음을 검증하였고, 경량화에도 크게 기여 할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 이러한 기능적 요구조건들을 만족시키는 설계 개념으로 내부에 열전도 저항이 크고 비중이 작은 폼 코어, 면재에 비강성이 우수한 복합재료를 사용한 샌드위치 구조를 통하여 공리설 계의 분리 개념을 구현하였다. 이로부터 얻어진 기능적 요구조건과 설계 변수를 이용하여 Table 1의 하단 삼각행렬(lower triangular matrix)로 표현되는 분리 설계를 얻을 수 있다.
Table 4는 일반적으로 엔드플레이트에 사용되는 재료들의 물성표이다. 엔드플레이트에 금속재를 사용하는 경우와 복합재료 샌드위치 구조를 사용하는 경우에 대하여 재료 열물성 및 구조 차이에 따른 열전달 특성 변화 대하여 유한요소해석 (FEM)을 통하여 상대비교 하였다.
엔드플레이트의 재료 및 구조 변화에 따른 냉시 성능영향 평가를 위하여 복합재료 샌드위치 엔드플레이트를 적용한 스택과 기존 금속재 엔드플레이트를 적용한 스택의 저온 시동시 특성을 비교하였다. 스택은 15개의 단위셀로 구성하였으며, 수시간 동안 정상상태(steady state)로 운전한 후 정지하고 (shut-down) -20˚C에서 20시간 이상 경과한 후 냉시동을 시도하였다.

대상 데이터

시험용 샌드위치 시편의 면재는 스테인레스(SUS)와 탄소 섬유강화 에폭시 복합재료(URN 300, SK chemical, Korea)를 사용하였고 코어는 폴리우레탄 폼(PUF, Finetech, Korea), 아라미드 섬유 하니콤(aramid fiber honeycomb, hexcel, UK), 폴리우레탄 삽입 아라 미드 섬유 하니콤(aramid fiber honeycomb filled with PUF)의 3종류를 사용하였다. 면재와 폼을 포함한 코어의 접합에는 에폭시 접착제(aladite AW 160)를 사용하였고 면재와 하니콤의 접합에는 필름 접착제(FM305M, cytec, USA)을 사용하였다. 굽힘 강성, 강도의 측정은 Fig.
샌드위치 구조는 강성이 큰 두개의 면재(face) 사이에 비중이 작은 코어(core)를 접합하여 구성되며 다양한 재료의 조합으로 제작이 가능하다. 시험용 샌드위치 시편의 면재는 스테인레스(SUS)와 탄소 섬유강화 에폭시 복합재료(URN 300, SK chemical, Korea)를 사용하였고 코어는 폴리우레탄 폼(PUF, Finetech, Korea), 아라미드 섬유 하니콤(aramid fiber honeycomb, hexcel, UK), 폴리우레탄 삽입 아라 미드 섬유 하니콤(aramid fiber honeycomb filled with PUF)의 3종류를 사용하였다. 면재와 폼을 포함한 코어의 접합에는 에폭시 접착제(aladite AW 160)를 사용하였고 면재와 하니콤의 접합에는 필름 접착제(FM305M, cytec, USA)을 사용하였다.

성능/효과

1) 샌드위치 복합재료 엔드플레이트는 기존의 금속재 엔드플레이트에 비하여 열관성은 약 60% 정도로 감소하였고, 열전도 저항은 40% 정도 증가하였다. 이를 통하여 -20˚C, 15셀 냉시동 시험에서 빙결차단이 지연되거나 발생하지 않음을 관찰하였고 연료전지 냉시동 특성 향상에 크게 기여할 수 있을 것이 기대된다.
2) 복합재료 샌드위치 엔드플레이트는 높은 비강성, 비강도 특성을 가져 기존 금속 엔드플레이트 대비 55%정도의 경량화를 실현하면서 14% 의 강성 증대 효과를 얻었다.
또한 복합재료 샌드위치 구조에서 스킨과 코어 재질에 따른 기계 및 열적 특성을 시험적으로 확인하고, 실제 엔드플레이트를 설계 및 제작하였다. 개발된 복합재료 샌드위치 엔드플레이트는 냉시동시 열손실에 대한 유한요소 해석과 냉시동시 셀전압 측정 시험을 통하여 성능향상에 큰 효과가 있음을 검증하였고, 경량화에도 크게 기여 할 수 있음을 확인하였다.
10의 하중-변위 선도에서 복합재료 샌드위치 엔드플레이트가 금속 엔드플레이트에 비하여 큰 기울기를 보여주는데 이는 높은 기계적 강성을 의미한다. 복합재료 샌드위치 엔드플레이트는 높은 비강성 특성으로 인하여 기존 금속재 엔드플레이트에 비하여 무게를 55% 경량화 하면서 강성은 14% 증가하는 효과를 나타냈다.
이상의 결과로부터 복합재료 엔드플레이트의 경우 단위 부피당 열용량이 작고, 전체적인 온도상승이 느리므로 냉시동 초기에 엔드플레이트로의 열손실이 작음을 알 수 있다.
반면 열관성 및 열전도도가 작은 복합재료 샌드위치 엔드플레이트를 적용한 경우 냉시동 초기 엔드플레이트로의 열확산량이 작으므로 빙결 차단은 거의 일어나지 않으며 단시간내에 정상작동 상태에 도달하였다. 즉 복합재료 엔드플레이트의 적용에 의하여 연료전지 스택의 냉시동 성능을 크게 향상 시킬 수 있었다.

후속연구

1) 샌드위치 복합재료 엔드플레이트는 기존의 금속재 엔드플레이트에 비하여 열관성은 약 60% 정도로 감소하였고, 열전도 저항은 40% 정도 증가하였다. 이를 통하여 -20˚C, 15셀 냉시동 시험에서 빙결차단이 지연되거나 발생하지 않음을 관찰하였고 연료전지 냉시동 특성 향상에 크게 기여할 수 있을 것이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 업체들이 수소 연료 전지 개발에 박차를 가하고 있는 이유는 무엇인가?	최근 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 CO2를 배출하지 않는 새로운 에너지원에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 자동차 배기가스는 환경오염의 주요 원인 중 하나이기 때문에 세계 각국의 자동차 업체들에서는 미래의 자동차용 동력원으로 수소 연료 전지 개발에 박차를 가하고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 제공하므로 반응에 의하여 생성되는 순수한 물과 반응열 이외의 오염물질을 전혀 배출하지 않는 미래의 청정 에너지원이다.
	연료전지란 무엇인가?	특히 자동차 배기가스는 환경오염의 주요 원인 중 하나이기 때문에 세계 각국의 자동차 업체들에서는 미래의 자동차용 동력원으로 수소 연료 전지 개발에 박차를 가하고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 제공하므로 반응에 의하여 생성되는 순수한 물과 반응열 이외의 오염물질을 전혀 배출하지 않는 미래의 청정 에너지원이다. 그러나 연료전지의 상용화를 위하여 기술적으로 극복하여야 하는 과제들은 많이 남아있다.

참고문헌 (5)

Barbir, F.: "PEM fuel cells : Theory and Practice", Elsevier academic press, US New York, 2005, pp. 197-200.
Ha Na Yu, Seong Su Kim, Jung Do Suh, Dai Gil Lee, "Axiomatic design of the sandwich composite endplate for PEMFC in fuel cell vehicle", Composite Structures, Vol. 92, Issue 6, 2010, pp. 1504-1511.
김상현, 최영민, 황기호, 심지현, 황인철, 임태원, "연료전지자동차의 고압수소저장시스템국부화재 신뢰성 평가", 한국수소 및 신에너지학회논문집, Vol. 22, No. 4, 2011, pp. 520-526.
Jung Do Suh, Dai Gil Lee, "Thermal characteristics of composite sandwich structure for machine tool moving body applications", Composite Structures, Vol. 66, Issue 1-4, 2004, pp. 429-238.
Dai Gil Lee, Nam Pyo Suh: "Axiomatic Design and Fabrication of Composite Structures", Oxford, 2006.

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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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