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문제 정의
- 엔드 플레이트는 체결압 뿐만 아니라 연료와 냉각수의 압력, 열에 의한 하중을 견뎌야 한다. 따라서 실제 엔드 플레이트를 제작하기 이전에, 유한 요소 해석을 통해 GFRP 엔드 플레이트가 이러한 하중을 견딜 수 있는지를 확인하였다. 또한 스테인리스 스틸과 GFRP 엔드 플레이트의 기동 시간을 비교하였다.
- 이러한 단점을 극복하기 위하여, 본지에서는 엔드 플레이트의 재료를 복합재로 대체하는 방안을 제시하였다. 이를 위하여 재료를 선정, 구조 변경, 해석, 제작, 평가 등을 통하여 기존에 스테인리스 스틸 316 으로 제작되어 사용되던 고온 PEMFC 의 엔드 플레이트를 복합재로 바꿔보았다.
제안 방법
- 고온 고분자 전해질 연료 전지의 기동 시간을 줄이기 위해서 GFRP 엔드 플레이트가 제작되었다. ASTM 규격에 따라 GFRP 의 기계적 물성을 측정하였으며, 이를 토대로 유한 요소 해석을 수행하였다. 해석 결과, GFRP 엔드 플레이트 적용 시 기동 시간은 30 % 정도 감소하는 것을 보였으며, 파손되거나 과도한 변형으로 인한 성능 저하는 없을 것으로 판단되었다.
- GFRP 의 기계적 물성을 측정하기 위해서 ASTM 규격에 따른 실험들을 수행하였다. 인장 특성, 굽힘 특성, 열팽창 계수, 비열, 열전도성 등을 측정하였다.
- 제작된 GFRP 엔드 플레이트와 기존의 스테인리스 스틸 엔드 플레이트를 각각 조립하여 가열, 기동 시간을 비교하였다. 내부 셀의 온도는 각각의 셀에 위치한 열전대(thermocouple)를 통해서 측정하였다 (Fig. 4).
- GFRP 는 제작 과정에서 기공이 존재할 수 있기 때문에, 냉각수, 연료 입, 출구 부분의 설계를 변경하여 가스의 누출이나 반응을 막을 필요가 있다. 따라서 냉각수, 연료 파이프와 연결되는 커넥터 (connector) 부품을 추가로 제작하였다. 커넥터는 스테인리스 스틸로 제작하였으며, 복합재 제작 중에 삽입되었다.
- 인장 특성, 굽힘 특성, 열팽창 계수, 비열, 열전도성 등을 측정하였다. 또한 고온 환경에서의 거동을 알아보기 위하여 160℃ 에서의 인장, 굽힘 특성을 측정하였으며, 이 값들을 스테인리스 스틸 316 의 물성과 비교하였다 (Table 1).
- 따라서 실제 엔드 플레이트를 제작하기 이전에, 유한 요소 해석을 통해 GFRP 엔드 플레이트가 이러한 하중을 견딜 수 있는지를 확인하였다. 또한 스테인리스 스틸과 GFRP 엔드 플레이트의 기동 시간을 비교하였다.
- 실제 연료 전지 구동 시 사용하는 방법과 동일하게 고온의 수증기가 냉각수 파이프를 통해 주입된다고 설정하고, 작동 온도인 120℃ 까지 도달하는 기동 시간을 비교하였다. 또한 작동 온도 상태의 온도 분포에서 체결압 등의 조건에 의한 변형과 최대 응력을 비교하였다 (Table. 2).
- 실제 연료 전지 구동 시 사용하는 방법과 동일하게 고온의 수증기가 냉각수 파이프를 통해 주입된다고 설정하고, 작동 온도인 120℃ 까지 도달하는 기동 시간을 비교하였다. 또한 작동 온도 상태의 온도 분포에서 체결압 등의 조건에 의한 변형과 최대 응력을 비교하였다 (Table.
- 해석 결과, GFRP 엔드 플레이트 적용 시 기동 시간은 30 % 정도 감소하는 것을 보였으며, 파손되거나 과도한 변형으로 인한 성능 저하는 없을 것으로 판단되었다. 이 결과를 토대로 실제 GFRP 엔드 플레이트를 제작, 조립하여 스테인리스 스틸 엔드 플레이트를 사용했을 경우와 비교하였다. 그 결과 기동 시간은 50 % 이상 줄었으며 발생 전압에는 큰 차이가 없었고 셀간 전압 편차도 줄었다.
- 이러한 단점을 극복하기 위하여, 본지에서는 엔드 플레이트의 재료를 복합재로 대체하는 방안을 제시하였다. 이를 위하여 재료를 선정, 구조 변경, 해석, 제작, 평가 등을 통하여 기존에 스테인리스 스틸 316 으로 제작되어 사용되던 고온 PEMFC 의 엔드 플레이트를 복합재로 바꿔보았다.
- GFRP 의 기계적 물성을 측정하기 위해서 ASTM 규격에 따른 실험들을 수행하였다. 인장 특성, 굽힘 특성, 열팽창 계수, 비열, 열전도성 등을 측정하였다. 또한 고온 환경에서의 거동을 알아보기 위하여 160℃ 에서의 인장, 굽힘 특성을 측정하였으며, 이 값들을 스테인리스 스틸 316 의 물성과 비교하였다 (Table 1).
- 작동 온도에 도달한 후에는 연료를 주입, 연료 전지를 구동하였다. 0.
- 제작된 GFRP 엔드 플레이트와 기존의 스테인리스 스틸 엔드 플레이트를 각각 조립하여 가열, 기동 시간을 비교하였다. 내부 셀의 온도는 각각의 셀에 위치한 열전대(thermocouple)를 통해서 측정하였다 (Fig.
대상 데이터
- 기존의 금속 엔드 플레이트를 대체하기 위하여 비강도, 비강성이 높고 열 전도성과 열팽창 계수가 낮은 섬유 강화 복합재를 사용하였다. 섬유 강화 복합재 중에서 경량 구조물에 가장 많이 사용되는 유리 섬유 강화 복합재 (Glass Fiber Reinforced Plastic, GFRP), 탄소 섬유 강화 복합재 중에서, 전기 전도성이 없는 GFRP 를 최종 재료로 선정하였다.
- ). 기지재료로는 열경화성 수지 (thermosetting resin)인 페놀계 에폭시 수지를 사용하였다 (YPDN-631, Kukdo chemical Co., Ltd.).
- 기존의 금속 엔드 플레이트를 대체하기 위하여 비강도, 비강성이 높고 열 전도성과 열팽창 계수가 낮은 섬유 강화 복합재를 사용하였다. 섬유 강화 복합재 중에서 경량 구조물에 가장 많이 사용되는 유리 섬유 강화 복합재 (Glass Fiber Reinforced Plastic, GFRP), 탄소 섬유 강화 복합재 중에서, 전기 전도성이 없는 GFRP 를 최종 재료로 선정하였다.
- 유리 섬유 강화 복합재는 보강재로 평직 유리 섬유를 사용하였다 (KN 418, KPI Co., Ltd.). 기지재료로는 열경화성 수지 (thermosetting resin)인 페놀계 에폭시 수지를 사용하였다 (YPDN-631, Kukdo chemical Co.
이론/모형
- 커넥터는 스테인리스 스틸로 제작하였으며, 복합재 제작 중에 삽입되었다. 복합재는 수적법 (hand lay-up)으로 쌓은 후, 진공 성형법 (vacuum bag molding)을 사용하여 경화시켰다. 성형된 GFRP 판은 절단, 드릴링 등의 기계 가공을 통하여 Fig.
성능/효과
- 작동 온도에 도달한 후에는 연료를 주입, 연료 전지를 구동하였다. 0.2 A/cm2의 current density 에서 구동 시 발생한 전압을 각각 셀마다 측정한 결과, 발생 전압의 평균은 스테인리스 스틸 엔드 플레이트는 0.604 V, GFRP 엔드 플레이트는 0.602 V 로 큰 차이가 없었다. 반면 GFRP 엔드 플레이트를 사용한 경우, 전압의 표준 편차가 10.
- 이 결과를 토대로 실제 GFRP 엔드 플레이트를 제작, 조립하여 스테인리스 스틸 엔드 플레이트를 사용했을 경우와 비교하였다. 그 결과 기동 시간은 50 % 이상 줄었으며 발생 전압에는 큰 차이가 없었고 셀간 전압 편차도 줄었다. 또한 엔드 플레이트 자체가 절연판 역할을 수행함으로써, 절연판을 생략할 수 있었다.
- 측정 결과, 스테인리스 스틸 엔드 플레이트는 80 분을 가열하였음에도 작동 온도인 120℃ 까지 도달하지 못하였다. 반면 GFRP 엔드 플레이트의 경우에는 30 분 정도에서 이미 120℃에 도달하였다.
- ASTM 규격에 따라 GFRP 의 기계적 물성을 측정하였으며, 이를 토대로 유한 요소 해석을 수행하였다. 해석 결과, GFRP 엔드 플레이트 적용 시 기동 시간은 30 % 정도 감소하는 것을 보였으며, 파손되거나 과도한 변형으로 인한 성능 저하는 없을 것으로 판단되었다. 이 결과를 토대로 실제 GFRP 엔드 플레이트를 제작, 조립하여 스테인리스 스틸 엔드 플레이트를 사용했을 경우와 비교하였다.
- 해석 결과, GFRP 엔드 플레이트를 적용함으로써 기동 시간은 70 분에서 50 분으로, 약 30 % 정도 감소하였다. 최대 등가 응력은 연료 입, 출구 부근에서 나타났으며, 6 MPa에서 12 MPa 로 약간 증가하였으나, 이는 재료의 강도보다 훨씬 작은 값이기 때문에, 엔드 플레이트가 파손되지 않을 것으로 생각된다.
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