초록 ▼

- 정격출력 500W 급 고분자 전해질 연료전지 스택을 설계 제작함. 스택의 활성 면적은 100 $cm^2$, 셀 수 21개로 구성되었으며 냉각방식은 공랭식을 이용. 스택의 성능은 스택성능 0.6V에서 400 mA/$cm^2$ 으로 정격 출력은 500W (40A @12.6V)이었으며,0.5V (10.5V)에서 운전 시 스택의 출력은 700W 이상임. 스택의 크기는 22x23x7.2 $cm^3$임.
-국내 최초로 고분자 전해질 연료전지를 이용한 독립적으로 발전 가능한 이

- 정격출력 500W 급 고분자 전해질 연료전지 스택을 설계 제작함. 스택의 활성 면적은 100 $cm^2$, 셀 수 21개로 구성되었으며 냉각방식은 공랭식을 이용. 스택의 성능은 스택성능 0.6V에서 400 mA/$cm^2$ 으로 정격 출력은 500W (40A @12.6V)이었으며,0.5V (10.5V)에서 운전 시 스택의 출력은 700W 이상임. 스택의 크기는 22x23x7.2 $cm^3$임.
-국내 최초로 고분자 전해질 연료전지를 이용한 독립적으로 발전 가능한 이동전원 시스템을 제작. 약 1년 동안 각종 전시회, 연구소 행사 등에서 가전제품과 연계하여 연료전지 시스템을 운전하여 스택 및 시스템의 장기운전 성능 안정성을 확보하였음.
-단위전지 성능: 상온, 무가습조건에서 세계 최고의 성능을 보이는 W. L. Gore 사의 MEA 제품의 90% 정도의 성능을 보임, 연구 수행 중 격차를 줄일 수 있으리라 생각됨
- 고성능 촉매 및 MEA 를 개발함 (특허출원 및 등록):기존에 알려진 촉매 제조방법인Watanabe 방법 또는 Bonnemann 방법과는 다른 방법을 이용하여 촉매제조기술의 국산화를 시도 하였으며, 기존의 제조법들과 비교할 때, 보다 안전하고, 간단한 방법으로 촉매를 제조하는 공정을 개발.
- 자기가습막 개발: 용융 가공이 가능한 고분자 resin을 이용하여 전해질막 만들고 그 사이에 RF-sputtering 방법을 이용하여 미세한 백금 및 산화물 입자를 분산시켜 자기가습이 가능한 전해질막을 제조
- 고온용 복합체 전해질막 개발: 모더나이트가 분산된 고온용 고분자 복합체 전해질막을 개발.
- 소형 연료전지 설계에 유용하게 이용될 전산모사방법을 확립함,
- 금속선과 결합된 고분자 전해질막/전극접합체를 이용한 고분자 전해질 연료전지 전극의 성능 평가 방법 : 새로운 분석방법으로 수소극과 공기극 각각의 저항성분을 동시에 분리하여 측정이 가능함.
- 격자형 고분자 전해질 측정장치 및 그 제조방법 : 특허 출원한 방법을 이용하여 연료전지의 성능을 검증하였음. 기존에는 전산 모사 등을 통한 간접적인 정보를 연료전지 설계에 응용하였으나 격자형 전극을 이용할 경우 연료전지 내부에서의 기체 흐름, 열방생, 전류분포등의 직접적인 정보를 획득하여 전산모사에 보다 정확한 자료를 입력하여 성능이 우수한 스택을 설계 제작할 수 있으며 전류 분포 분석을 통하여 MEA 제조 시 영향을 주는 제조 변수의 영향을 고려하여 전극의 전체면적에서 균일한 성능을 갖는 전극제조를 가능하게 할 수 있음

Abstract ▼

1. Objective
Development of 500 W class polymer electrolyte fuel cell system for portable power
2. Scope
(1) 1st year(2001)
Objective : Development of core technology for 500W class polymer electrolyte fuel cell system for portable power
Scope
. active area: more than 100$cm^2

1. Objective
Development of 500 W class polymer electrolyte fuel cell system for portable power
2. Scope
(1) 1st year(2001)
Objective : Development of core technology for 500W class polymer electrolyte fuel cell system for portable power
Scope
. active area: more than 100$cm^2$, single cell performance :150mA/$cm^3$(0.5V)
. stacking and sealing technology
. thin and light bipolar plate
. optimization of air and fuel supply
(2) 2nd year (2002)
Objective : Development of system control for 500W class polymer electrolyte fuel cell system for portable power
Scope
. stack power : 500W, active area: 100$cm^2$, single cell performance :200mA/$cm^2$(0.5V)
. compact system
. DC-DC converter
. development of control logic and system connection technology
(3) 3rd year (2003)
Objective : Fabrication and performance evaluation of 500W class polymer electrolyte fuel cell system for portable power
Scope
. stack power : 500W, active area: 100$cm^2$, single cell performance :250mA/$cm^2$(0.5V)
. system integration
. long run and durability test
. performance evaluation of 500w lass polymer electrolyte fuel cell system for portable power

목차 Contents

• 제1장 서론...42
• 제1절 연구개발과제의 개요...42
• 1. 연구 개발 배경...42
• 2. 기술의 특성...45
• 제2절 국내외 기술 개발 현황...45
• 1. 국내 기술 개발 현황...45
• 2. 국외 기술 개발 현황...45
• 3. 시장규모 및 관련사업 현황...58
• 제3절 연구 개발 내용...60
• 제2장 고분자 전해질 연료전지의 이론적 고찰...62
• 제1절 연료전지의 전기화학 반응...62
• 1. 반응 열역학...62
• 2. 전극 전위...64
• 3. 전극반응...65
• 4. 전위 및 전류밀도 특성곡선...68
• 제2절 전극...74
• 1. 공기극...77
• 2. 연료극...79
• 3. 전지 성능 저하...83
• 4. 전극지지체...85
• 제3절 연료전지 고분자 전해질...87
• 1. 개요...87
• 3. 대체 전해질 막의 개발 현황...89
• 제4절 전극/전해질 접합체 (Membrane/Electrode Assembly, MEA)...107
• 1. 전해질막의 전처리...107
• 2. 전해질막/전극 접합체 제조공정...107
• 제5절 바이폴라 플레이트...111
• 1. 바이폴라 플레이트 특징 및 제조 방법...111
• 2. 구비 조건과 재료...112
• 3. 미국 DOE에서의 개발 현황...114
• 제6절 전해질/전극 접합체(MEA) 제조...117
• 1. 고전적인 MEA 제작법...117
• 2. 직접코팅에 의한 MEA 제작법...117
• 제7절 고분자 연료전지에서의 수처리...118
• 1. 수처리 문제점...118
• 2. 공기공급과 물의 증발...119
• 제3장 소형 이동전원 연료전지용 고분자 전해질 개발...125
• 제1절 자기가습 고분자 전해질 개발...125
• 1. 자기가습 고분자 전해질...125
• 2. 실험방법...133
• 3. 결과 및 고찰...139
• 4. 요약...154
• 제2절 모더나이트 분산 고온용 복합체 전해질 막...154
• 1. 연구배경...154
• 2. 실험방법...156
• 3. 분석 및 측정...158
• 4. 결과 및 고찰...161
• 5. 단위 전지 성능 특성...172
• 6. 요약...176
• 참고문헌...177
• 제4장 촉매 제조 기술...184
• 제1절 촉매 제조 기술의 국산화...184
• 1. 촉매 제조...185
• 2. 촉매 특성화...188
• 3. 결과...188
• 4. 요약...198
• 제2절 연료극 촉매의 주요 설계변수...202
• 1. 촉매 제조...203
• 2. 결과...204
• 3. 요약...209
• 제3절 공기극 촉매 개발...210
• 1. 연구개발 내용...210
• 2. 결과...212
• 3. 요약...213
• 제4절 최적 기체 확산층 설계...217
• 1. 기체 확산층에서의 물거동 및 전극성능...217
• 1. 실험...218
• 2. 결과...218
• 3. 요약...223
• 참고문헌...226
• 제5장 셀 성능평가 및 향상방법...227
• 제1절 셀 내 전류 분포 측정...227
• 1. 도입...227
• 2. 실험방법...227
• 3. 결과 및 고찰...232
• 제2절 고분자 전해질 연료전지용 다층 구조 cathode...245
• 1. 도입...245
• 2. 실험방법...246
• 3. 결과 및 고찰...247
• 제3절 유로판 형상에 따른 성능 변화...251
• 1. 도입...251
• 2. 실험방법...251
• 3. 결과 및 고찰...252
• 제4절 전극의 분극 측정...267
• 1. 도입...267
• 2. 실험방법...267
• 3. 요약...268
• 제6장 공기호흡형 고분자 연료전지에서의 수치해석...275
• 제1절 전산해석 기술 개요...275
• 1. 공기 호흡식 연료전지 전산해석 필요성...275
• 2. 전산 해석 내용...275
• 제2절 공기호흡형 연료전지에 대한 2차원 전산해석...279
• 1. 기술 분석...279
• 2. 수학적 모델...280
• 3. 모델 해석...288
• 4. 2차원 해석결과 분석...289
• 제3절 공기 호흡형 고분자막 연료전지의 3차원 해석...298
• 1. 기술 개요 및 분석...298
• 2. 수학적 모델 (Model description)...300
• 3. 모델 해석(Model solution)...314
• 4. 해석 결과 요약...330
• 참고문헌...331
• 제7장 500W 급 연료전지 스택 및 시스템 제작...335
• 제1절 서론...335
• 제2절 스택 설계...336
• 1. 유로 형상 결정 및 유동장 해석...336
• 2. 매니폴드와 각 채널별 유량 분포...338
• 3. Short 스택의 종합 예측...339
• 4. 21셀 스택의 종합 예측...343
• 5. 앤드판 및 체결부 설계...360
• 제3절 16cell 및 21cell 제작...364
• 제4절 연료전지 스택 모듈 운전 실험 및 분석...365
• 1. 실험 장치 setup diagram...365
• 2. 21cells...365
• 제5절 시스템 구성 검토 및 제작...372
• 1. 시스템 구성과 장치 조립 및 열관리 계통 구성...372
• 2. 실재 응용 결과 및 고찰...375
• 제6절 결론...378
• 제8장 연구 결과 및 달성도...380
• 제1절 연구결과...380
• 제2절 연구개발 목표 달성도, 관련분야에의 기여도...385
• 1. 연구개발 목표 달성도...385
• 2. 연구개발 성과 (산업재산권, 논문 게재 및 발표 등)...388
• 3. 관련분야에의 기여도...394
• 제3절 연구개발결과의 활용 계획...394
• 1. 활용계획...394