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[국내논문] 고온 양성자 교환막 연료전지용 열가소성 탄소 복합재료 분리판 개발
Development of Thermoplastic Carbon Composite Bipolar Plates for High-temperature PEM Fuel Cells 원문보기

Composites research = 복합재료, v.29 no.5, 2016년, pp.243 - 248  

임준우 (LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University) ,  김민국 (School of Mechanical Aerospace & Systems Engineering, KAIST) ,  이대길 (School of Mechanical Aerospace & Systems Engineering, KAIST)

초록
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열경화성 탄소 섬유 복합재료 분리판은 높은 기계적 특성뿐만 아니라 높은 내산성을 갖으나, 높은 제조단가 및 낮은 자체저항이 극복해야 할 가장 큰 장애물이다. 따라서 본 연구에서는, 열가소성 폴리머를 복합재료 분리판의 기지로 적용하여 분리판 생산성과 자체저항이 모두 증가된 열가소성 탄소 복합재료 분리판을 개발하였다. 전기 전도도 및 기계 강도를 증가시기키 위하여 평직 형태의 탄소 섬유 직물을 사용하였으며, 분리판의 자체 저항을 감소시키기 위하여 전도성 나노입자를 열가소성 기지에 혼합하였다. 개발된 분리판의 면적 비저항 및 기계물성을 고온 연료전지 작동 온도 및 스택의 체결압에 따라 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Although thermoset carbon fiber composite bipolar plates not only have high mechanical properties but also high corrosion resistance in acid environment, high manufacturing cost and low bulk electrical conductivity are the biggest obstacle to overcome. In this research, thermoplastic polymer is empl...

Keyword

#탄소 복합재료   #열가소성   #분리판   #양성자 교환막 연료전지  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 연료전지 상용화에 상당한 걸림돌이 되고 있는 비싼 가격과 신뢰성 문제를 해결하고, 저가, 고성능, 고내구성 HT-PEMFC용 복합재료 분리판을 개발하기 위하여 연구를 수행하였다. 기존 LT-PEMFC와 마찬가지로 HT-PEMFC용 분리판(BP: bipolar plate)은 연료전지 스택(Fuel cell stack)에서 수소 극과 산소 극 사이를 분리하는 부품으로, 전면에 채널이 구성되어 연료와 산화제의 격리 및 유로 제공, 인접한 셀(Cell) 간의 전기 전도, 연료전지 전체 스택구조를 지지하는 등의 다양한 기능을 하는 핵심부품이다.
  • 본 연구에서는 탄소 섬유/PEEK 복합재료를 이용하여 고온 안정성 및 성능이 뛰어난 HT-PEMFC용 분리판을 개발하였다.
  • 본 연구에서는 탄소/PEEK 복합재료를 이용하여 고온 안정성 및 성능이 뛰어난 HT-PEMFC용 분리판을 개발하였다. 2 wt.

가설 설정

  • 탄소 섬유의 전기 저항은 온도에 영향을 받기 때문에 시험환경 온도를 제어하였다[5]. HT-PEMFC의 일반적인 작동 온도는 120~180℃이나 스택 내부에서 국부적으로 온도가 올라 갈 수 있다. 따라서 고온 연료전지에서 사용하는 PBI membrane의 해리온도인 220℃에서의 분리판의 안정성을 검증해야 하며 이에 따라 모든 실험은 상온인 25℃와 220℃에서 수행되었다.
  • 기체 투과도는 연료전지 성능에 중요한 영향을 미치는 요인 중 하나이다. 연료 채널이 있는 분리판은 산소와 수소를 분리하는 역할을 위하여 매우 낮은 기체 투과도를 가져야 한다. 이러한 분리판의 기체 투과도를 측정하기 위하여 40 mm의 지름을 갖는 디스크 형상의 분리판 시편을 제작하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
분리판의 역할은 무엇인가? 따라서 연료전지 상용화에 상당한 걸림돌이 되고 있는 비싼 가격과 신뢰성 문제를 해결하고, 저가, 고성능, 고내 구성 HT-PEMFC용 복합재료 분리판을 개발하기 위하여 연구를 수행하였다. 기존 LT-PEMFC와 마찬가지로 HT-PEMFC용 분리판(BP: bipolar plate)은 연료전지 스택(Fuel cell stack)에서 수소 극과 산소 극 사이를 분리하는 부품으로, 전면에 채널이 구성되어 연료와 산화제의 격리 및 유로 제공, 인접한 셀(Cell) 간의 전기 전도, 연료전지 전체 스택구조를 지지하는 등의 다양한 기능을 하는 핵심부품이다.
열경화성 탄소 섬유 복합재료 분리판의 장단점은? 열경화성 탄소 섬유 복합재료 분리판은 높은 기계적 특성뿐만 아니라 높은 내산성을 갖으나, 높은 제조단가 및 낮은 자체저항이 극복해야 할 가장 큰 장애물이다. 따라서 본 연구에서는, 열가소성 폴리머를 복합재료 분리판의 기지로 적용하여 분리판 생산성과 자체저항이 모두 증가된 열가소성 탄소 복합재료 분리판을 개발하였다.
HT-PEMFC이 주목받게 된 이유는 무엇인가? 최근 시장 진입기에 들어선 연료전지는 높은 가격과 운용상의 신뢰성 문제 때문에 여러 도전을 받고 있다. Low Temperature – Proton Exchange Membrane Fuel Cell(LTPEMFC)은 80oC 이하에서 사용되므로 수분(Moisture) 관리가 어려우며, 낮은 CO 함량에서도(10 ppm) 촉매로 사용되는 백금의 피독성(Poisoning) 때문에, 부품 구성이 복잡하다. 따라서 시스템의 단순화, 가격 절감 등의 문제점을 해결하여야만 한다.
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참고문헌 (9)

  1. Taccani, R., and Nuliani, N., "Effect of Flow Field Design on Performances of a High Temperature PEM Fuel Cell," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, 2011, pp. 10282-10287. 

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  2. Lim, J.W., Kim, M.K., and Lee, D.G., "Conductive Particles Embedded Carbon Composite Bipolar Plates for Proton Exchange Membrane Fuel Cells," Composite Structures, Vol. 108, 2014, pp. 757-766. 

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  3. Kakati, B.K., Sathiyamoorthy, D., and Verma, A., "Electrochemical and Mechanical Behavior of Carbon Composite Bipolar Plate for Fuel Cell," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, 2010, pp. 4185-4194. 

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  4. Lim, J.W., and Lee, D.G., "Development of Composite-metal Hybrid Bipolar Plates for PEM Fuel Cells," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37, 2012, pp. 12504-12512. 

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  5. Lim, J.W., and Lee, D.G., "Carbon Composite Hybrid Bipolar Plates with Bypass-connected Gas Diffusion Layers for PEM Fuel Cells," Composite Structures, Vol. 95, 2013, pp. 557-563. 

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  6. Medalia, A.I., "Morphology of Aggregates: VI. Effective Volume of Aggregates of Carbon Black from Electron Microscopy; Application to Vehicle Absorption and to Die Swell of Filled Rubber," Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 32, 1970, pp. 115-131. 

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  7. Medalia, A.I., "Effective Degree of Immobilization of Rubber Occluded Within Carbon Black Aggregates," Rubber Chemistry and Technology, Vol. 45, 1972, pp. 1171-1194. 

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  8. Janzen, J., "On the Critical Conductive Filler Loading in Antistatic Composites," Journal of Applied Physics, Vol. 46, 1975, pp. 966-969. 

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  9. BBST. Boonstra, EM. Dannenberg, "Electrical Conductivity of Rubber-Carbon Black Vulcanizates," Industrial & Engineering Chemistry, Vol. 46, 1954, pp. 218-227. 

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