[논문]수소연료전지 스택용 가스켓 고무소재 개발동향

박상우; 왕원석; 전진석; 원주혜; 윤창현; 나창운

수소연료전지 스택용 가스켓 고무소재 개발동향 원문보기

고무기술 = Rubber technology, v.17 no.3/4, 2016년, pp.116 - 124

박상우 (전북대학교 고분자나노공학과) , 왕원석 (전북대학교 고분자나노공학과) , 전진석 (전북대학교 고분자나노공학과) , 원주혜 (전북대학교 고분자나노공학과) , 윤창현 (전북대학교 고분자나노공학과) , 나창운 (전북대학교 고분자나노공학과)

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문제 정의

현재까지 이러한 목적을 달성할 수 있는 고무소재로써 실리콘 고무, 불소고무, 올레핀계 범용고무 등이 검토되고 있다. 본 리뷰에서는 수소연료전지 자동차의 개발과정에서 검토되었던 스택용 가스켓의 고무소재에 대해 특허와 연구문헌 분석을 통하여 기술동향을 간략히 살펴보고자 한다.

제안 방법

Cui 연구팀은⁷ 액체 실리콘 고무(Liquid Silicone Rubber, LSR)의 다양한 온도와 응력조건에서 응력완화 거동을 조사하였고, Williams-Landel-Ferry (WLF) 방정식을 적용하여 수명을 예측하였다. 약 70ºC의 물과 공기조건에서 예측된 수명은 각각 5,000시간(6.
동적점탄성 안정성 측면에서는 EPDM이 불소고무보다 우수한 것으로 나타났다. Lin 연구팀은 5종의 서로 다른 고무종류 즉, 클로로프렌 고무(CR), 액상 실리콘 고무(LSR), 불소화 실리콘고무(FSR), EPDM, 불소고무(FKM)에 대해 ADT 용액에서 노화거동 비교실험을 진행하였다.³¹ 80ºC에서 63주 후 표면 색깔변화를 살펴보면(Figure 9), CR, LSR에서 가장 큰 변화를 보였고, FKM과 EPDM은 변화가 작았다.

성능/효과

19 가교된 EPDM은 고분자 주사슬에 이중결합이 매우 작기때문에 열, 빛, 오존 등 내노화성이 우수하다. 그러나 불소고무에 비해 내화학성과 내열성 측면에서는 취약하기 때문에 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
31 80ºC에서 63주 후 표면 색깔변화를 살펴보면(Figure 9), CR, LSR에서 가장 큰 변화를 보였고, FKM과 EPDM은 변화가 작았다.
)에서 EPDM의 화학적 노화거동을 조사하였다. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)와 Attenuated Total ReflectionFourier Transform Infrared (ATR-FTIR) 등으로 표면에서의 분자구조 변화거동을 관찰한 결과 O/C 비율이 증가하였고, 히드록실/카르보닐/카르복실레이트 피크가 관찰됨으로써 산화거동을 확인하였다. 과산화물로 가교된 EPDM의 경우 가교조제를 사용하면 화학적 노화가 더 심화되는 것으로 보고하였다.
수소연료전지 스택용 가스켓에 관련된 특허를 빠짐없이 검색하기 위해 ‘가스켓 (Gasket)’ 이라는 키워드로 검색한 결과 Figure 2에 나타난 바와 같이 약 20만 건이 검색되었고, 그 중 ‘연료전지 (Fuel cell)’ 관련 특허가 1만 건이 확인되었다. 고무소재 종류별로 다시 분류한 결과 불소계, 실리콘계, 올레핀계, 블렌드계 등으로 나타났고, 실리콘계가 압도적으로 많은 관심을 받고 있는 것으로 나타났다. 이를 다시 수소연료전지 스택용 고무소재로 국한시키면 약 94건으로 비교적 특허출원이 예상보다 많지 않은 것으로 분석되었다.
Schulze 등은¹¹ 장기간 작동시킨 연료전지 스택에 사용된 실리콘 가스켓의 성분을 분석하였다. 그 결과 실리콘 가스켓과 인접한 음극과 양극에서 공히 실리콘 성분이 검출되는 것을 확인하였다. Cleghorn¹²과 St-Pierre¹³도 유사한 실리콘 노화거동을 보고하였다.
노화온도를 60ºC에서80ºC로 증가하면 노화는 더 빠른 속도로 진행됨을 확인하였다.
실리콘 고무 주사슬의 Si-O-Si 결합은 강산에 의해 Si-OH로 변하고, 결국 Si-O 변하게 된다고 보고하였다. 따라서 실리콘 고무의 노화는 탈가교반응과 함께 주사슬 절단반응도 함께 관여하는 것으로 나타났다.^26,27,28,29
약 70ºC의 물과 공기조건에서 예측된 수명은 각각 5,000시간(6.9개월) 및 9,000시간(12.5개월)으로 나타났다.
고무소재 종류별로 다시 분류한 결과 불소계, 실리콘계, 올레핀계, 블렌드계 등으로 나타났고, 실리콘계가 압도적으로 많은 관심을 받고 있는 것으로 나타났다. 이를 다시 수소연료전지 스택용 고무소재로 국한시키면 약 94건으로 비교적 특허출원이 예상보다 많지 않은 것으로 분석되었다.

후속연구

³¹ 80ºC에서 63주 후 표면 색깔변화를 살펴보면(Figure 9), CR, LSR에서 가장 큰 변화를 보였고, FKM과 EPDM은 변화가 작았다. 즉, 실리콘 고무보다 불소고무나 EPDM이 실제 스택조건에서 더 안정성을 나타낼 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소연료전지 자동차란 무엇인가?	최근 화석연료를 대체할 수 있는 수소연료전지 자동차는 수소를 연료로 양성자 교환막을 이용하여 전기를 생산하고 이를 이용하여 자동차를 구동시키는 미래형 차량이다(Figure 1). 내연기관에서 필수적인 연소 과정을 거치지 않기 때문에 소음 및 대기오염에 대한 염려가 없다.
	수소연료전지 자동차의 장점은 무엇인가?	최근 화석연료를 대체할 수 있는 수소연료전지 자동차는 수소를 연료로 양성자 교환막을 이용하여 전기를 생산하고 이를 이용하여 자동차를 구동시키는 미래형 차량이다(Figure 1). 내연기관에서 필수적인 연소 과정을 거치지 않기 때문에 소음 및 대기오염에 대한 염려가 없다. 연료전지는 전해질에 따라 약 20종류가 있는데, 자동차용으로는 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM) 시스템이 집중 검토되고 있다.
	자동차용으로 집중 검토되는 연료전지의 시스템은 무엇인가?	내연기관에서 필수적인 연소 과정을 거치지 않기 때문에 소음 및 대기오염에 대한 염려가 없다. 연료전지는 전해질에 따라 약 20종류가 있는데, 자동차용으로는 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM) 시스템이 집중 검토되고 있다.1,2 자동차 구동에 충분한 전력을 생산하기 위해서 수백 층의 교환막을 적층하여 소위 ‘스택’의 형태로 이용되기 때문에 각 층간에 존재하는 액상 전해액과 기상 가스 등을 반드시 밀봉해야 한다.

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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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