[논문]무인항공기용 경량화 직접메탄올연료전지 스택 개발을 위한 복합소재 분리판 제작 및 성능 평가 (I)

강경문; 박성현; 김진수; 지현진; 주현철

doi:10.7316/khnes.2012.23.2.134

무인항공기용 경량화 직접메탄올연료전지 스택 개발을 위한 복합소재 분리판 제작 및 성능 평가 (I)
Evaluation and Fabrication of Composite Bipolar Plate to Develop a Light Weight Direct Methanol Fuel Cell Stack for Small-scale UAV Application (I) 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.2, 2012년, pp.134 - 142

강경문 (인하대학교 기계공학과) , 박성현 (인하대학교 기계공학과) , 김진수 ((주) 일도에프엔씨 기술연구소) , 지현진 (국방과학기술연구소) , 주현철 (인하대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A bipolar plate is a major component of a fuel cell stack, which occupies 50~60% of the total weight and over 50% of the total cost of a typical fuel cell stack. In this study, a composite bipolar plate is designed and fabricated to develop a compact and light-weight direct methanol fuel cell (DMFC) stack for a small-scale Unmanned Aerial Vehicle (UAV) application. The composite bipolar plates for DMFCs are prepared by a compression molding method using resole type phenol resin as a binder and natural graphite and carbon black as a conductor filler and tested in terms of electrical conductivity, mechanical strength and hydrogen permeability. The flexural strength of 63 MPa and the in-plane electrical conductivities of 191 S $cm^{-1}$ are achieved under the optimum bipolar plate composition of phenol : 18%; natural graphite : 82%; carbon black : 3%, indicating that the composite bipolar plates exhibit sufficient mechanical strength, electrical conductivity and hydrogen permeability to be applied in a DMFC stack. A DMFC with the composite bipolar plate is tested and shows a similar cell performance with a conventional DMFC with graphite-based bipolar plate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 무인항공기용 연료전지 시스템 개발을 위해 분리판 경량화 및 성능향상에 초점을 두고 있다. 이를 위해 본 연구에서는 흑연 분말 원료를 기초로 하여 페놀 수지 및 첨가제로 사용된 카본블랙의 함량에 따른 전기적, 기계적 특성 상관관계를 분석하였다.
본 연구에서는 분리판의 특성을 확인한 후 연료전지 성능과의 관계를 확인하기 위해 직접메탄올 연료 전지(direct methanol fuel dell, DMFC)용 MEA를 제작하여 단위전지 측정 실험을 진행하였다. 제작된 MEA의 면적은 88cm² (10cm x 8.
본 연구에서는 이러한 문헌을 통해 알려진 사실을 기반으로 무인항공기용 연료전지 시스템에 적용될수 있는 분리판의 경량화 및 성능향상에 초점을 두고 있다. 이를 위해 본 연구에서는 흑연 분말 원료를 기초로 하여 첨가되는 수지 및 첨가제로 사용된 카본블랙과의 최적 혼합비 조건을 산출하고 도출된 결과를 통해 분리판을 제작하여 기계적인 물성 및 전기전도도를 측정하였다.
본 연구에서는 전도성 충진제인 흑연, 열경화성 수지 및 카본블랙을 이용하여 제조된 복합소재를 이용하여 UAV에 적합한 분리판을 제작하였으며 그에 따른 기계적, 전기적 성능 평가를 수행하였다. 본 연구에서는 전도성 향상을 위한 카본 블랙의 함량은 흑연 함량의 3wt%로 고정하여 추가적으로 혼합하였고, 수지의 함량은 각각 15, 18, 21, 24wt%로 변화를 주며 성능을 측정하였다.

제안 방법

3은 DMFC 단위전지 성능 측정을 위해 제작된 MEA와 분리판의 개략도이다. MEA와 분리판을 체결한 후 단위전지 성능 측정장비(Scitech Korea Inc.)와 연결하여 성능 측정을 진행하였다.
2(b)는 분리판의 전기전도도를 측정하는 장비의 개략도이다. 가스투과도 시험은 50 x 50 x 3.0t 의 크기의 시편을 제작하여, 80℃에서 수소압력 3 bar 의 실험기준에 따라 가스투과도 장비(BT-1, Toyoseki, Japan)를 이용하여 가스투과도를 측정하였다.
, Ltd)이며, 이를 1:1의 함량비로 사용하였다. 그리고, 천연 흑연 소재와 페놀 수지의 함량을 각각 85/15, 82/18, 79/21, 76/24wt%로 적용하여 기계적, 전기적 특성을 실험하였다. 또한 첨가제로 사용된 카본 블랙(Vulcan^® XC 72R carbon black, Cabot, USA)의 함량은 흑연 함량의 3wt%로 고정하였다.
두 분리판은 모두 88cm² MEA를 기준으로 제작되었으며 기존의 그래파이트 소재 분리판의 무게는 장당 132g 인 반면, 경량화된 복합소재 분리판은 장당 48g 으로 측정되 었다. 두 단위전지는 다음과 같은 동일 조건에서 측정되었다; 셀 온도는 60℃로 유지하였고 공급 메탄올 농도는 2M 이다; 공급하는 메탄올과 유량은 연료극 (anode)과 공기극(cathode)에 각각 당량계수(stoichiometry) 3/3으로 조절하여 공급하였다. Fig.
또한 첨가제로 사용된 카본 블랙(Vulcan® XC 72R carbon black, Cabot, USA)의 함량은 흑연 함량의 3wt%로 고정하였다.
이를 위해 본 연구에서는 흑연 분말 원료를 기초로 하여 첨가되는 수지 및 첨가제로 사용된 카본블랙과의 최적 혼합비 조건을 산출하고 도출된 결과를 통해 분리판을 제작하여 기계적인 물성 및 전기전도도를 측정하였다. 또한, 제작된 분리판이 연료 전지 시스템에 적용 가능 여부를 판단하기 위하여 막-전극접합체(membrane electrode-assembly, MEA) 를 제작하여 단위전지 측정 실험을 수행하였다.
또한 첨가제로 사용된 카본 블랙(Vulcan^® XC 72R carbon black, Cabot, USA)의 함량은 흑연 함량의 3wt%로 고정하였다. 본 연구에서는 1차적으로 천연흑연, 페놀 수지와 카본블랙을 혼합하고 컴파운드 형태로 제작하여 몰드 성형판을 이용한 분말 압축 성형을 진행하였다. 원료혼합 및 제작공정을 Fig.
본 연구에서는 전도성 충진제인 흑연, 열경화성 수지 및 카본블랙을 이용하여 제조된 복합소재를 이용하여 UAV에 적합한 분리판을 제작하였으며 그에 따른 기계적, 전기적 성능 평가를 수행하였다. 본 연구에서는 전도성 향상을 위한 카본 블랙의 함량은 흑연 함량의 3wt%로 고정하여 추가적으로 혼합하였고, 수지의 함량은 각각 15, 18, 21, 24wt%로 변화를 주며 성능을 측정하였다. 표 1은 전도성 충진제인 흑연과 수지의 함량에 따른 분리판의 밀도를 비교한 결과이다.
본 연구에서는 이러한 문헌을 통해 알려진 사실을 기반으로 무인항공기용 연료전지 시스템에 적용될수 있는 분리판의 경량화 및 성능향상에 초점을 두고 있다. 이를 위해 본 연구에서는 흑연 분말 원료를 기초로 하여 첨가되는 수지 및 첨가제로 사용된 카본블랙과의 최적 혼합비 조건을 산출하고 도출된 결과를 통해 분리판을 제작하여 기계적인 물성 및 전기전도도를 측정하였다. 또한, 제작된 분리판이 연료 전지 시스템에 적용 가능 여부를 판단하기 위하여 막-전극접합체(membrane electrode-assembly, MEA) 를 제작하여 단위전지 측정 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 무인항공기용 연료전지 시스템 개발을 위해 분리판 경량화 및 성능향상에 초점을 두고 있다. 이를 위해 본 연구에서는 흑연 분말 원료를 기초로 하여 페놀 수지 및 첨가제로 사용된 카본블랙의 함량에 따른 전기적, 기계적 특성 상관관계를 분석하였다. 최종적으로 도출된 최적 혼합비 조건으로 분리판을 제작하고 MEA를 제작하여 단위전지 측정 실험을 병행하였다.
1에 나타내었다. 제작된 분리판의 특성은 다음과 같은 물리･전기화학적 방법을 통하여 분석하였다.
이를 위해 본 연구에서는 흑연 분말 원료를 기초로 하여 페놀 수지 및 첨가제로 사용된 카본블랙의 함량에 따른 전기적, 기계적 특성 상관관계를 분석하였다. 최종적으로 도출된 최적 혼합비 조건으로 분리판을 제작하고 MEA를 제작하여 단위전지 측정 실험을 병행하였다. 본 연구에서 도출된 결과를 정리하면 다음과 같다.
4는 성형 압력에 따른 분리판의 밀도 및 전기적, 기계적 특성을 평가한 결과이다. 흑연과 수지의 함량을 75, 25wt%로 각각 고정하고 성형압력을 50～300kgf/cm²로 증가시키며 전기전도도 및 굽힘강도를 측정하였다. 성형 압력이 증가할수록 전기전도도 및 굽힘강도는 증가한다.
6은 카본 블랙 함량에 따른 기계적, 전기적 특성을 평가한 결과이다. 흑연의 함량과 수지의 함량은 82, 18wt%로 고정을 하고 카본 블랙의 함량을 추가적으로 흑연 함량의 0, 1, 3, 5wt%로 첨가하여 성능을 측정하였다. 카본 블랙을 첨가하지 않았을 경우 (0wt%) 전기전도도가 93S/cm로 측정되었다.

대상 데이터

본 연구에서 분리판 제작을 위해 적용된 흑연 소재는 25㎛(NG 25), 40㎛(NG 40)의 천연흑연(Btr Energy Materials Co., Ltd)이며, 이를 1:1의 함량비로 사용하였다. 그리고, 천연 흑연 소재와 페놀 수지의 함량을 각각 85/15, 82/18, 79/21, 76/24wt%로 적용하여 기계적, 전기적 특성을 실험하였다.
제작된 MEA의 면적은 88cm2 (10cm x 8.8cm) 이며 전해질 막은 나피온(Nafion 115, DuPont®)이 사용되었다.

이론/모형

본 연구에서 제작된 분리판의 굴곡강도 시험은 ASTM D790 규정에 따라 3점 굽힘 방식을 통해 측정되었다. 전기전도도는 KS C IEC 60093의 규정에 따라 4-포인트 프로브(FPP-5000, 4-Point Probe) 기법을 통해 측정되었다.
본 연구에서 제작된 분리판의 굴곡강도 시험은 ASTM D790 규정에 따라 3점 굽힘 방식을 통해 측정되었다. 전기전도도는 KS C IEC 60093의 규정에 따라 4-포인트 프로브(FPP-5000, 4-Point Probe) 기법을 통해 측정되었다. 4-포인트 프로브 기법은 시편의 양단에 전류를 흘려준 후 그 사이의 전압 값을 측정하여 시편의 저항 값을 전기 전도도 값으로 환산한 방법이다.

성능/효과

1) 첨가되는 수지의 함량이 증가할수록 흑연 간 층간 거리가 증가하게 되어 전기전도도가 하락하지만 굽힘강도는 증가한다. 하지만, 수지가 최적의 조건 이상으로 혼합되었을 때 더 이상 굽힘강도는 증가하지 않는다.
2) 전기전도도의 향상을 극대화하기 위해 첨가되는 카본 블랙은 흑연과 흑연 사이에 충진되어 전자가 이동할 수 있는 터널을 제공하는 역할을 한다. 이것은 복합소재 분리판의 전기적 특성을 향상시키지만 과다한 투입은 오히려 굽힘강도를 저감시켜 기계적 안정성에 영향을 줌을 실험결과를 통해 알 수 있다.
3) 최적의 성형조건을 통해 개발된 분리판의 가스투과도는 1.781 x 10-6 cm³/cm²･s로 측정되었다. 이러한 가스 투과도 값은 기존에 흑연 블록에 적용되었던 열분해 코팅(pyrolytic coating) 열처리 및 표면 처리 없이도 우수한 특성을 보여주고 있음을 입증하며, 복합소재를 적용하였을 경우 분리판 공정 단계가 간단해지고 그로 인하여 생산 단가가 절감될 수 있음을 암시한다.
두 단위전지는 다음과 같은 동일 조건에서 측정되었다; 셀 온도는 60℃로 유지하였고 공급 메탄올 농도는 2M 이다; 공급하는 메탄올과 유량은 연료극 (anode)과 공기극(cathode)에 각각 당량계수(stoichiometry) 3/3으로 조절하여 공급하였다. Fig. 8의 성능곡선을 비교할 때 복합소재 분리판의 성능은 기준전위 0.4V 에서 전력밀도가 110mW/cm²로 측정이 되었고, 그래 파이트 소재의 성능은 96mW/cm²로 측정되어 경량화된 복합소재 분리판이 적용된 DMFC의 성능이 오히려 약 15% 정도 향상됨을 알 수 있다. 또한, 순수 그라파이트 소재로 제작된 분리판의 두께가 2.
성형 압력이 증가할수록 전기전도도 및 굽힘강도는 증가한다. 그리고, 성형압력이 150kgf/cm²이상에서는 굽힘강도 및 전기전도도의 증가폭이 점점 줄어들어, 성형 압력이 250kgf/cm² 이상에서는 더이상 성능 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. Fig.
7(a)는 첨가되는 수지 함량에 따른 가스투과도를 측정한 결과이다. 수지 함량이 증가할수록 가스 투과도는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 수지 함량이 15wt%일 때 상대적으로 수지 함량이 부족하여 수지, 흑연 및 충진제 사이에 공극이 증가하게 되어이 공극 사이로 수소기체가 투과되어 가스투과도가 높다.
5(a)를 통해 수지 함량이 감소할수록 In-plane 방향의 전기전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 수지의 함량이 18wt%일 때 전기전도도가 121S/cm 로 측정되었고, 이 값은 미 에너지성(Department of Energy, DOE)에서 제시한 목표치를 초과하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 수지의 함량이 18wt% 이상에서는 전기전도성이 급격하게 저하되고 있음을 확인할 수 있다.
781 x 10-6 cm³/cm²･s로 측정되었다. 이러한 가스 투과도 값은 기존에 흑연 블록에 적용되었던 열분해 코팅(pyrolytic coating) 열처리 및 표면 처리 없이도 우수한 특성을 보여주고 있음을 입증하며, 복합소재를 적용하였을 경우 분리판 공정 단계가 간단해지고 그로 인하여 생산 단가가 절감될 수 있음을 암시한다.
2mm로 매우 얇게 제작되어, 단위전지 체결 시 균일한 하중으로 지지되기 어렵기 때문에 복합소재 분리판보다 성능이 하락된 것으로 판단된다. 이러한 결과는 본 연구에서 제작된 복합소재 분리판이 스택의 무게와 부피를 줄이는데 기여할 뿐만 아니라, 전기전도도, 가스투과도, 기계적 강도를 확보하여 연료전지 스택 성능 향상에도 크게 이바지함을 알 수 있다.
그로 인하여 강도 및 전기전도도가 다소 하락하는 결과를 보여준다. 이러한 결과를 통해, 페놀 수지를 적용하여 분리판 제작 시 최적의 성형압력은 250 kgf/cm²이 적정하다는 결론을 얻을 수 있다.
카본 블랙을 첨가하지 않았을 경우 (0wt%) 전기전도도가 93S/cm로 측정되었다. 카본 블랙의 함량이 증가할수록 전기전도도가 상승하지만 3 wt% 이상일 때는 전기전도도의 상승폭이 현저히 둔화됨을 알 수 있다. 또한, 굽힘강도는 카본 함량이 3 wt%일 때까지 60MPa 이상을 유지하고 있으나 카본 함량이 5wt%일 때 굽힘 강도가 저하되고 있음을 Fig.
카본 함량이 0～3wt%일 때 가스투과도가 1.78×10-6cm3/cm2･s으로 측정되었으나 카본블랙의 함량이 5wt%일 때 가스투과도가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지 시스템의 특징은?	최근, 이러한 동력원을 대체하기 위한 한 방안으로 연료전지를 무인항공기의 동력원으로 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다2-6). 한편, 연료전지 시스템은 단위 연료전지로부터 발생하는 출력이 그리 크지 않기 때문에 연료전지 시스템이 UAV의 동력원으로 사용되기 위해서는 수 십장의 단위전지를 직렬로 연결한 연료전지 스택(stack)으로 제작되어야 한다. 이러한 연료전지 스택을 구성하는 단위 품목중 분리판을 제작하는 데 소요되는 가격은 전체 시스템의 가격 중 50% 이상이 소요되고 그 무게 또한 전체 무게 중 50% 이상을 차지한다7,8).
	UAV에 내연엔진이나 배터리를 사용하는 것이 부적합한 이유는 무엇인가?	무인항공기는 개발 초기 내연엔진이나 배터리(battery) 를 동력원으로 사용하는 연구가 진행되었다. 하지만, 내연엔진은 낮은 효율, 진동 및 소음으로 인해 무인항공기의 감시정찰 임무수행에 제약이 따르며, 배터리는 낮은 에너지밀도로 인해 임무범위에 큰 걸림돌이 된다. 최근, 이러한 동력원을 대체하기 위한 한 방안으로 연료전지를 무인항공기의 동력원으로 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다2-6).
	연료전지 시스템에서 분리판의 소형화와 경량화가 중요한 이유는?	한편, 연료전지 시스템은 단위 연료전지로부터 발생하는 출력이 그리 크지 않기 때문에 연료전지 시스템이 UAV의 동력원으로 사용되기 위해서는 수 십장의 단위전지를 직렬로 연결한 연료전지 스택(stack)으로 제작되어야 한다. 이러한 연료전지 스택을 구성하는 단위 품목중 분리판을 제작하는 데 소요되는 가격은 전체 시스템의 가격 중 50% 이상이 소요되고 그 무게 또한 전체 무게 중 50% 이상을 차지한다7,8). 따라서, 제한적인 공간에 탑재될 연료전지 시스템을 개발하기 위해서는 분리판의 경량화 및 부피의 최소화가 우선적으로 수행되어야 한다.

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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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