초록 ▼

연구개발 내용은 크게 5가지 분류할 수 있으며 연구목표 및 범위는 다음과 같다.
1) 수소이온전도도 0.01 S/cm 이상 고온용 고분자 전해칠막 개발
- 이온성 액체 선정 및 기초 물성 확보
- 이온성 액체 함유를 위한 탄화수소계열 고분자 선정
- 이온성 액체 함유 탄화수소계열 고분자 전해질막 제조 방법 개발 및 성능평가
- 이온성 액체 함유한 복합막에 응용 가능한 이오노모 바인더 개발
2) 백금 담지량 2 mg/$cm^2$, MEA 성능 0.1 W/$cm^2$

연구개발 내용은 크게 5가지 분류할 수 있으며 연구목표 및 범위는 다음과 같다.
1) 수소이온전도도 0.01 S/cm 이상 고온용 고분자 전해칠막 개발
- 이온성 액체 선정 및 기초 물성 확보
- 이온성 액체 함유를 위한 탄화수소계열 고분자 선정
- 이온성 액체 함유 탄화수소계열 고분자 전해질막 제조 방법 개발 및 성능평가
- 이온성 액체 함유한 복합막에 응용 가능한 이오노모 바인더 개발
2) 백금 담지량 2 mg/$cm^2$, MEA 성능 0.1 W/$cm^2$, CO 내구성 8,000 ppm인 고온형 막전극 접합체 (MEA) 제조기술 개발
- 이온성 액체를 함유한 복합막에 사용 가능한 촉매 슬러리 제조
- 이온성 액체를 함유한 복합막과 개발한 촉매 슬러리를 이용하여 막-전극 접합체(MEA) 제조 및 개발한 촉매 슬러리를 이용하여 가스 확산 전국 (GDE) 제조
- 개발 MEA의 성능 평가
3) 고온용 분리판 설계 및 재료 최적화
- 고온용 분리판 재료 특성 분석
- 고온형 연료전지 운전 조건에 적합한 평행 유로 구조 도입 및 전산 해석을 통한 설계 인자 선정 , 유효면적 $100cm^2$ 분리판 유로, 매니폴드, 냉각판 설계
- 1kW급 고온용 연료전지 스택 규모에서의 유량 균열 분배를 위한 최적 매니폴드 형상 및 크기 설계
4) 고온용 스택 설계 및 제작
- 스택 및 부품 설계 (냉각매체, 가스켓, 엔드판, 단열방안 등)
- 고온에서 이용 가능한 냉각매체 조사 빚 활용 타당성 연구
- 평행 유로에서의 부하변화에 따른 유량 분배 만감성을 최소화시킬 수 있는 매니폴드 일제형 엔드판 설계
- 고온 스택의 운전 특성 분석을 위한 연료전지 특성 곡선 도출 및 분석
5) 성능평가 방안 최적화 및 스택 및 시스템 운전 최적화
- 성능평가 표준화
- 수명 예측 가속시험방안 확립

Abstract ▼

This study aimed at developing core components of stacks, such as polymer electrolytes, membrane electrode assemblies(MEAs), bipolar plates and stacks with high power density for high temperature polymer electrolyte fuel cells. In addition, it focused on optimal design and computational analysis of

This study aimed at developing core components of stacks, such as polymer electrolytes, membrane electrode assemblies(MEAs), bipolar plates and stacks with high power density for high temperature polymer electrolyte fuel cells. In addition, it focused on optimal design and computational analysis of bipolar plates and stacks and manufacturing processes of MEAs with high performance, durability and low cost.
High temperature polymer electrolyte fuel cells(HTPEFCs) have the same operating principle and configuration, but operate over $100^{\circ}C$. Due to high operating temperature, the problems of heat and water management, and CO poison can be solved. Therefore, system components related on water management and CO cleaner can be simplified or removed. The thermal and electric efficiencies of the HTPEFCs are higher than those of PEFCs operated below $100^{\circ}C$. Thanks to these advantages, fast commercialization can be expected compared to conventional PEFCs. The HTPEFCs would contribute to create a new employment opportunities and enhance the competitiveness in global markets as a new growth engine to reduce $CO_2$ emission and to satisfy government policies on energy savings and global warming.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론 ...19
• 제 1 절 고온용 전해질막 개발 ...20
• 제 2 절 고온용 막전극접합체(MEA) 개발 ...23
• 제 3 절 고온용 분리판 설계 및 재료 최적화 ...23
• 제 4 절 고온용 스택 설계 및 제작 ...25
• 제 5 절 성능평가 방안 최적화 및 운전 최적화 ...25
• 제 2 장 본 론 ...27
• 제 1 절 고온용 전해질막 개발 ...27
• 1. 이온성 액체 ...27
• 가. 이온성 액체 ...27
• 나. 이온성 액체의 점도 ...28
• 다. 이온성 액체의 수소이온전도도 ...29
• 2. 이온성 액체 함유 탄화수소계열 고분자 전해질막 ...31
• 가. 탄화수소계열 고분자 ...31
• 나. 이온성 액체 함유 고온용 복합막 제조 ...32
• 다. 이온성액체 함유 고온용 복합막 특성분석 ...32
• 라. 이온성액체 함유 고온용 복합박 연구결과 ...34
• 3. 이온성 액체 함유 이오노머 바인더 개발 ...39
• 제 2 절 고온용 막전극접합체(MEA) 개발 ...40
• 1. 나피온/이온성액체 (EtMeImTf)를 이용한 복합막의 제조 ...40
• 2. 탄화수소계 고분자(SPAEK-6F)/이온성액체(EtMeImTf)를 이용한복합막의 제조 ...41
• 3. 촉매슬러리의 제조 ...42
• 4. 막전극접합체용 기체확산전극 제조 ...42
• 5. 막전극접합체 개발 ...43
• 6. 복합막 내 이온성 액체 누출 안정성 평가 ...43
• 7. 나피온/이온성 액체(EtMeImTf)를 이용한 복합막의 성능 ...45
• 8. 탄화수소계 고분자(SPAEK-6F)/이온성액체(EtMeImTf)를 이용한 복합막의 성능 ...47
• 9. 복합막의 두께를 변화시킨 후 성능 평가 ...48
• 제 3 절 고온용 분리판 설계 및 재료 최적화 ...50
• 제 4 절 고온용 스택 설계 및 제작 ...59
• 1. 고온용 스택 기본 설계 ...59
• 2. 고온용 스택 종합 설계 ...65
• 제 5 절 성능평가 방안 최적화 및 운전 최적화 ...68
• 제 3 장 결 론 ...80
• 제 1 절 고온용 전해질막 개발 ...80
• 제 2 절 고온용 막전극접합체(MEA) 개발 ...81
• 제 3 절 고온용 분리판 설계 및 재료 최적화 ...82
• 제 4 절 고온용 스택 설계 및 제작 ...83
• 제 5 절 성능평가 방안 최적화 및 운전 최적화 ...83
• 참고문헌 ...85
• [그림 1- 1] 기존 고분자 연료진지 시스템(좌)과 고온형 고분자 연료전지 시스템(우)의 비교 ...19
• [그림 1- 2] 수팽윤된 고분자 전해질막에서의 수소이온 전도 메카니즘 ...20
• [그림 1- 3] 수팽윤되지 않은 고분자 전해질막에서의 수소이온 전도 ...21
• [그림 1- 4] 이온성 액체 복합막에서의 수소이온 전도 메카니즘 ...22
• [그림 1- 5] 막전극접합체 제조 방법 ...24
• [그림 2- 1] 다양한 이온성 액체의 구조 ...28
• [그림 2- 2] 다양한 이온성 액체의 점도 ...29
• [그림 2- 3] 다양한 이온성 액체의 이온 전도도 ...30
• [그림 2- 4] 이온성 액체의 이온전도 메커니즘 ...31
• [그림 2- 5] 고분자 구조 (a) Nafion, (b) SPAEK-6F, (c) SPAEK ...31
• [그림 2- 6] 이온성액체 함유 탄화수소계열 고분자 전해질막 사진 ...33
• [그림 2- 7] (a) 고분자전해질막의 수소이온전도도 측정용 셀의 개략도: 1, Teflon block; 2, 전압 측정용 Pt wires; 3, 전류 공급용 Pt foils; 4, 고분자전해질막 (4 cm $\times$ 1 cm) (b) 측정셀 실제 사진: WE, 작업전극; SE, 센서; CE, 상대 전극; RE, 기준전극 ...34
• [그림 2- 8] Ionic conductivity of the composite membranes based on SPAEK-6F (DS 40) with different ionic liquids (50wt% SPAEK-6F/50wt% IL) under anhydrous condition ...35
• [그림 2- 9] Ionic conductivity of the composite membranes based on SPAEK-6F at different temperatures with different DS (50wt% SPAEK-6F/50wt% IL) under anhydrous condition ...36
• [그림 2-10] Ionic conductivity of the composite membranes based on SPAEK with different ionic liquids (50wt% polymer/50wt% IL) under anhydrous condition ...37
• [그림 2-11] Tapping mode atomic force microscopy images: phase image ...38
• [그림 2-12] Thermogravimetric weight loss curves for ionic liquid and composite membranes with 50wt% polymer/50wt% IL ...39
• [그림 2-13] (a) CCM (catalyst coated membrane) (b) CCG (catalyst coated GDL) ...40
• [그림 2-14] 가스 확산 전극을 사용하여 제조된 MEA ...40
• [그림 2-15] Nafion/Ionic liquid 및 SPAEK-6F/Ionic liquid 복합막의 제조과정 ...41
• [그림 2-16] GDE 제작용 촉매 슬러리 ...42
• [그림 2-17] 이온성 액체를 함유한 이오노머 바인더를 이용하여 제작한 GDE ...42
• [그림 2-18] 이온성 액체가 함유한 전해질막 및 전극을 이용하여 제작한 막전극접합체 ...43
• [그림 2-19] 복합막 내 이온성 액체 누출 안정성 평가 절차 ...44
• [그림 2-20] (a) 단위전지 평가 장치 및 (b) Cyclic voltammetry, Chronoamperometry 측정 장치 ...45
• [그림 2-21] Nafion/Ionic liquid를 이용한 복합막의 구조적 안정성 평가 곡선 ...46
• [그림 2-22] Nafioin/Ionic liquid를 이용한 복합막의 (a) $80^{\circ}C$와 (b) $150^{\circ}C$의 cross over current 곡선 ...46
• [그림 2-23] SPAEK-6F/Ionic liquid를 이용한 복합막의 구조적 안정성 평가 곡선 ...47
• [그림 2-24] Nafion/Ionic liquid를 이용한 복합막의 (a) $80^{\circ}C$와 (b) $150^{\circ}C$의 cross over current 곡선 ...48
• [그림 2-25] 두 장의 복합막을 겹쳐 사용했을 경우의 성능 곡선 ...49
• [그림 2-26] SPAEK-6F와 ionic liquid를($250\mu m$)의 성능 곡선 ...49
• [그림 2-27] 연료전지 구성의 개략도 ...50
• [그림 2-28] 고온형 연료전지 이온교환막의 이온 전도도 ...57
• [그림 2-29] 연료전지 분리판 도면 및 전산해석 영역의 개략도 ...58
• [그림 2-30] CFD 해석 결과 연료전지 성능 곡선 ...59
• [그림 2-31] 매니폴드 전산해석 영역의 개략도 ...61
• [그림 2-32] 매니폴드 반응가스 인입부의 후보군 ...61
• [그림 2-33] 반응가스 인입부의 길이에 따른 셀 별 유량 편차 분포 ...63
• [그림 2-34] 반응가스 인입부의 길이에 따른 셀 별 유량의 표준편차 ...64
• [그림 2-35] 매니폴드-단위전지 연계 전산해석 영역 ...64
• [그림 2-36] 단위전지내 채널 별 공급 유량의 편차 ...65
• [그림 2-37] 고온용 연료전지 스택 앤드판 투시도 ...67
• [그림 2-38] Technical Universi쇼 of Denmark에서 제작한 고온용 40셀 스택 ...67
• [그림 2-39] 고온용 연료전지 스택 구성 전개도 ...68
• [그림 2-40] 고분자 연료전지 MEA 열화 맵 ...70
• [그림 2-41] 자동차용 연료전지 운전 모드에 따른 전해질막 및 촉매의 열화요인 ...72
• [그림 2-42] $H_2O_2$ 가스 노출법 시험 장치 ...74
• [그림 2-43] 수소/산수 투과성 측정 장치 개략도 ...75
• [그림 3- 1] SPAEK-6F막 및 이온성 액체 함유 복합막의 가습 및 온도에 따른 수소이온전도도 ...81
• [그림 3- 2] SPAEK-6F 및 EtMeImTf 이온성 액체를 이용한 막전극접합체 개발 절차 ...82
• [표 2- 1] 합성된 복합막의 종류 ...33
• [표 2- 2] 단위전지 평가조건 ...44
• [표 2- 3] Shell사 Thermia B 냉각 오일 특성표 ...66
• [표 2- 4] 연료전지내 전기화학, 물질 전달 및 고분자 전해질막 반응기구의 분석 ...71
• [표 2- 5] 연료전지 성능 개선을 위한 방안 ...71
• [표 2- 6] 고분자 전해질막 내구성 평가 방법 (내열성 평가) ...73
• [표 2- 7] 고분자 전해질막 화학적 내구성 평가 방법 ($H_2O_2$ 가스 노출법) ...73
• [표 2- 8] 전해질막 압축 creep 시험 ...74
• [표 2- 9] 수소/산수 투과성 측정 ...75
• [표 2-10] 전극 촉매 내구성 평가 방법 ...76
• [표 2-11] 단위전지를 이용한 전위 사이클을 통한 공기극 촉매 내구성 평가 ...77
• [표 2-12] 단위전지를 이용한 전위 사이클을 통한 연료극 촉매 내구성 평가 ...78
• [표 2-13] 반전지를 이용한 촉매 내구성 평가 방안 ...79