초록 ▼

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
연료전지는 내연기관에 비해 우수한 연료 효율을 갖는 것으로 알려져 있다. 하지만 연료전지는 그 자체적으로 작동되는 것이 아니며 외부에서 수소와 산소를 공급해 주어야 하며 동시에 전기와 함계 생성되는 열을 제거해 주기 위해 냉각수를 공급해 주어야 한다. 이러한 작동유체를 공급하는데 소모되는 동력을 최소화하여야 연료전지의 장점인 높은 효율을 유지할 수 있다. 본 과제에서 개발하고자하는 연료전지 스택은 저압에서 운전 가능하도록 설계된 것을 특징으로 한다. 이에 따라 연료전지 작동에 필요한 소모 동력을

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
연료전지는 내연기관에 비해 우수한 연료 효율을 갖는 것으로 알려져 있다. 하지만 연료전지는 그 자체적으로 작동되는 것이 아니며 외부에서 수소와 산소를 공급해 주어야 하며 동시에 전기와 함계 생성되는 열을 제거해 주기 위해 냉각수를 공급해 주어야 한다. 이러한 작동유체를 공급하는데 소모되는 동력을 최소화하여야 연료전지의 장점인 높은 효율을 유지할 수 있다. 본 과제에서 개발하고자하는 연료전지 스택은 저압에서 운전 가능하도록 설계된 것을 특징으로 한다. 이에 따라 연료전지 작동에 필요한 소모 동력을 스택 출력의 5~7%로 유지하였으며 경쟁사들이 개발하고 있는 고압 작동 스택의 소모동력인 15~20%에 비해 현저히 연료소모량을 줄일 수 있었다. 저압운전의 경우, 소모동력을 줄이는 이점은 있으나 네른스트 방정식에 의해 공급 공기의 압력이 낮아지면 연료전지스택의 효율은 낮아지며 수소와 산소의 반응에 의해 만들어지는 생성수의 배출이 어려워 저온 시동에 어려움이 발생하게 된다. 이러한 물리적인 불리함을 극복하고 경쟁사들과 동등한 스택 출력, 출력밀도 및 저온시동성을 확보하기 위해 분리판의 최적 설계를 위한 노력이 있었으며, 과제 목표인 스택 최대 출력 80kW, 출력밀도 1.0kW/L, 저온시동 온도 -20도를 달성하기 위한 운전기술 개발이 병행되었다. 연료전지 스택의 원가를 절감하기 위한 방안으로 기존의 흑연을 가공한 분리판을 박판 금속을 성형하여 제작되는 금속 분리판을 개발하여 적용하였으며 이를 위해 박판 금속 정밀 성형기술, 사출 개스킷 분리판 일체화 기술 및 내부식 고전도성 금속 코팅 기술이 개발되었다.

Abstract ▼

The protection of the environment has been a growing concern since the advent of the 21st century and countries everywhere are accelerating efforts to preserve the ecosystem. For this reason, strict environmental regulations such as Euro 4, Euro 5 in Europe, and ZEV (Zero Emission Vehicle) in the Un

The protection of the environment has been a growing concern since the advent of the 21st century and countries everywhere are accelerating efforts to preserve the ecosystem. For this reason, strict environmental regulations such as Euro 4, Euro 5 in Europe, and ZEV (Zero Emission Vehicle) in the United States have been established and are being intensified as a means of preventing air-pollution. Therefore, automotive companies are making their best endeavors to implement eco-friendly vehicles including Fuel Cell Vehicles (FCVs), Hybrid Electric Vehicles (HEVs), and Electric Vehicles (EVs). Among them, Fuel Cell Vehicles are believed to be the most promising drive-trains for future automotive applications, meeting even the strictest environmental regulations. However, obstacles in water-heat management, cold-start, and durability technologies still require improvement before becoming an acceptable market solution, and most importantly, cost reduction remains a critical factor affecting the commercialization of Fuel Cell Vehicles.
The fuel cell is known to have superior fuel efficiency compared to those of internal combustion engines (ICEs). Extensive efforts have been focused on developing a highly efficient stack with minimum parasitic energy loss. The efficiency of the FC systems operating at low and high pressure with respect to FC stack power. The difference in the level of efficiencies between the two systems is mainly due to the fact that a high pressure operating fuel cell system normally uses 15~20% of produced electric energy to compress air at maximum power while a low pressure system uses only 5~7%. Consequently, in terms of fuel economy the low pressure operating FC system is superior to the high pressure operating system. Moreover, operating a FC stack at low pressure provides significant advantages in terms of noise, durability and safety. Although the FC stack itself generates no noise, the FC system could generate noise due to the noise-making components such as compressor or blower. To supply air that is required in a FC stack, the low pressure operating system adopts a blower that exhibits much lower noise levels than the compressor that is usually incorporated with a high pressure system. However, to overcome the inherent disadvantage of a low pressure operating stack such as difficulties in removing product water, both the manifold size of air/hydrogen and the channel depth of the bipolar plate have to be designed differently from those of the high pressure operating stack.

목차 Contents

• 제 출 문 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• S U M M A R Y ... 4
• CONTENTS ... 6
• 목 차 ... 10
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 14
• 제 1-1 절 연구개발의 필요성 ... 16
• 제 1-2 절 연구개발의 목적과 범위 ... 21
• 제 1-3 절 참여기업 및 위탁기관의 연구개발 개요 ... 24
• 1. 현대 하이스코 (참여기업) ... 24
• 2. 케피코 (참여기업) ... 25
• 3. 평화오일씰 (참여기업) ... 26
• 4. 퓨얼셀파워 (참여기업) ... 27
• 5. LG화학 (참여기업) ... 28
• 6. KIST (위탁기관) ... 29
• 7. KIER (위탁기관) ... 30
• 8. 고려대학교 (위탁기관) ... 30
• 9. 순천대학교 (위탁기관) ... 31
• 10. 연세대학교 (위탁기관) ... 32
• 11. 울산대학교 (위탁기관) ... 33
• 12. 인하대학교 (위탁기관) ... 34
• 13. 포항공과대학교1 (위탁기관) ... 34
• 14. 포항공과대학교2 (위탁기관) ... 35
• 15. 한양대학교 (위탁기관) ... 36
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 37
• 제 2-1 절 국내 현황 ... 39
• 제 2-2 절 국외 현황 ... 42
• 제 2-3 절 연구 결과의 위치 ... 56
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 65
• 제 3-1 절 현대차+위탁기관 ... 65
• 1. 발전모듈 부품개발 ... 65
• 2. 발전모듈 운전 및 분석기술 개발 ... 206
• 3. 동결대응 발전모듈 개발 및 차량 탑재 성능평가 ... 390
• 제 3-2 절 금속분리판 기술개발(현대 하이스코) ... 403
• 1. 개요 ... 403
• 2. 국내외 금속분리판 기술개발 현황 ... 405
• 3. 금속분리판 성형공법 개발 결과 ... 406
• 제 3-3 절 발전모듈 관리 시스템 (케피코) ... 439
• 1. SVM(Stack Voltage Monitoring module) 설계 및 개발 ... 439
• 2. SMS(Sensor 제어기 & Actuator 제어기) 제어기 설계 및 개발 ... 460
• 3. 파워 접속함 개발 ... 468
• 4. 저가형 SVM 구현 ... 474
• 제 3-4 절 자동차 구동용 PEMFC Gasket 개발(평화오일씰) ... 478
• 1. 연료전지의 보급 ... 478
• 2. 실험 ... 486
• 3. 결과 및 고찰 ... 490
• 4. 결론 ... 509
• 제 3-5 절 자동차용 중저온형 프로톤교환막 및 전극 개발(퓨얼셀파워) ... 511
• 1. 연구개발 최종 결과 ... 511
• 제 3-6 절 자동차용 고온무가습 프로톤교환막 및 전극개발(LG호학) ... 539
• 1. 서론 ... 539
• 2. PBI 합성 및 제막 ... 542
• 3. PBI MEA 제조 및 성능 실험 ... 570
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 578
• 제 4-1 절 80kW급 PEMFC 발전모듈 개발 (현대차+위탁기관) ... 578
• 1. 현대자동차 ... 578
• 2. KIST ... 580
• 3. KIER ... 581
• 4. 고려대학교 ... 582
• 5. 순천대학교 ... 583
• 6. 연세대학교 ... 584
• 7. 울산대학교 ... 585
• 8. 인하대학교 ... 588
• 9. 포항공대 (정종식 교수) ... 589
• 10. 포항공대 (한경섭 교수) ... 590
• 11. 한양대학교 ... 591
• 제 4-2 절 금속분리판 성형공법 개발 (현대 하이스코) ... 592
• 1. 금속계 분리판 성형공법 개발 연구 현황 ... 592
• 2. 최종 개발 목표 및 추진 실적 ... 592
• 3. 연구 년도별 세부기술목표에 대한 추진실적 ... 593
• 4. 목표 달성도 ... 595
• 5. 관련 분야의 기여도 ... 596
• 제 4-3 절 케피코 ... 597
• 1. 1차년도 목표달성도 및 기여도 ... 897
• 2. 2차년도 목표달성도 및 기여도 ... 597
• 3. 3차년도 목표달성도 및 기여도 ... 597
• 4. 4차년도 목표달성도 및 기여도 ... 598
• 5. 5차년도 목표달성도 및 기여도 ... 598
• 제 4-4 절 자동차 구동용 PEMFC 가스켓 개발 (평화오일씰) ... 599
• 1. 최종 개발목표 및 핵심기술 확보 방안 ... 599
• 제 4-5 절 퓨얼셀파워 ... 601
• 1. 최종 목표 및 평가 방법 ... 601
• 2. 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 602
• 제 4-6 절 LG화학 ... 605
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 607
• 제 5-1 절 현대자동차 ... 607
• 1. 사업화 전망 ... 607
• 2. 산업화 추진 방안 ... 608
• 3. 추가 개발의 필요성 ... 609
• 제 5-2 절 현대 하이스코 ... 609
• 1. 금속분리판 양산 필요성 및 상용화 파급 효과 ... 609
• 2. 본 과제 종료 후 사업화 추진 방안 ... 610
• 제 5-3 절 케피코 ... 611
• 제 5-4 절 평화오일씰 ... 612
• 제 5-5 절 퓨얼셀 파워 ... 612
• 제 5-6 절 LG화학 ... 613
• 1. 추가 개발의 필요성 ... 613
• 2. 자동차용 고온 무가습 프로톤 교환막 및 MEA로의 응용 ... 613
• 3. 주거발전용 연료전지용 고온 무가습 프로톤 교환막 및 MEA로의 응용 ... 614
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 615
• 제 6-1 절 해외과학기술개발 동향 (현대차, 위탁기관) ... 615
• 1. 각국의 연료전지 기술 개발 ... 615
• 2. 각국의 자동차용 연료전지 프로그램 및 상용화 목표 ... 615
• 3. 내구성 평가 프로토콜 ... 616
• 4. 운전환경 변화에 따른 연료전지 특성 변화 ... 618
• 5. GDL 및 MPL의 연구개발 동향 ... 622
• 6. 자동차용 고온무가습 프로톤 교환막 및 전극개발 ... 623
• 7. PEMFC 고분자막의 열화에 대한 연구 ... 624
• 8. 2009 Spring IEA Workshop (프랑스 CEA 발표) ... 625
• 9. 연료전지 논문 review ... 628
• 10. 연료전지 정보 리스트 ... 630
• 제 6-2 절 해외 금속분리판 관련 정보 (하이스코) ... 632
• 1. 고체고분자 분리판 양산화 기술 개발 ... 632
• 2. 금속분리판에 관한 연구 ... 634
• 3. 금속분리판 제조 방법 ... 635
• 제 6-3 절 연료전지 스택 전압 검출부 기술 (케피코) ... 637
• 제 6-4 절 자동차 구동용 PEMFC 가스켓 개발 (평화오일씰) ... 641
• 제 6-5 절 연료전지 해외 기술 정보 (퓨얼셀파워) ... 641
• 제 6-6 절 자동차용 고온무가습 프로톤교환막 및 전극개발 (LG화학) ... 642
• 제 7 장 참고문헌 ... 644