초록 ▼

가. 연구의 필요성
분리판은 연료전지 스택 (Fuel Cell Stack) 에서 수소 극-산소 극을 격리하는 판상부품으로, 전면에 채널이 구성되어 반응가스 유동 경로를 제공하며, 인접 셀 간의 전기전도 등 다양한 기능을 하는 부품으로 스택 원가의 50~78%를 차지한다. 1개의 스택에 수백 개의 분리판이 소요되므로, 연료전지의 상용화를 위하여 고성능, 고 내구성, 저가 분리판 및 양산공정 개발이 시급한 실정이다. 본 연구에서 제안하는 탄소 장 섬유 복합재료 분리판은 탄소 장 섬유와 반경화된 고분자로 이루어진 프리프레그(Prep

가. 연구의 필요성
분리판은 연료전지 스택 (Fuel Cell Stack) 에서 수소 극-산소 극을 격리하는 판상부품으로, 전면에 채널이 구성되어 반응가스 유동 경로를 제공하며, 인접 셀 간의 전기전도 등 다양한 기능을 하는 부품으로 스택 원가의 50~78%를 차지한다. 1개의 스택에 수백 개의 분리판이 소요되므로, 연료전지의 상용화를 위하여 고성능, 고 내구성, 저가 분리판 및 양산공정 개발이 시급한 실정이다. 본 연구에서 제안하는 탄소 장 섬유 복합재료 분리판은 탄소 장 섬유와 반경화된 고분자로 이루어진 프리프레그(Prepreg) 형태의 재료를 이용하여 고온 프레스로 성형하므로, 탄소 섬유간의 선 접촉에 의하여 우수한 전기 전도도를 확보할 수 있으며, 또한 높은 강성과 강도 특성을 가지므로 분리판을 0.08 mm 수준까지 얇게 만들 수 있어 스택의 경량화 및 소형화에 기여할 수 있다.
나. 세부 연구내용
o 연료전지 분리판 용 장 섬유/탄소 나노 복합소재 개발 및 분리판 설계
- 저항 손실 (Ohmic Loss) 최소화 방안 개발
a. 재료의 Bulk 저항: 고 전기 전도도를 가지는 탄소 장 섬유 프리프레그를 적용함으로써,
재료의 Bulk 저항을 DOE target 보다 낮추는 것이 가능하다.
b. 분리판-GDL의 접촉 저항: 장 섬유 복합재료의 그래핀 계 나노 스케일 표면처리를 적용하여, 가스 확산 층 (Gas Diffusion layer, GDL)과 복합재료 분리판 사이의 접촉 저항을 낮추고자 한다.
- 장 섬유 복합재료의 특성을 고려한 분리판 채널 설계 및 유동 해석, 친 소수 특성 제어
- 무게와 재료비 절감을 위한 박판 분리판 설계: 탄소 장 섬유 함유로 인하여 높은 강도를 (400MPa, 비교: DOE target 59 MPa) 가지므로 분리판의 두께를 기존 복합재료 분리판에 비하여 1/10 수준으로 낮추어 높은 단위 부피 당의 출력밀도 실현이 가능하다.

Abstract ▼

The bipolar plate is a multi-functional component in the PEMFC stack, where it collects the current and conducts the current from the cell to cell, separates the gases and delivers the reacting gases to the fuel cell electrodes through the flow channels in the plates. In a typical fuel cell stack, t

The bipolar plate is a multi-functional component in the PEMFC stack, where it collects the current and conducts the current from the cell to cell, separates the gases and delivers the reacting gases to the fuel cell electrodes through the flow channels in the plates. In a typical fuel cell stack, the bipolar plates comprise over 80% portion of the total mass and volume. The bipolar plates should also possess high mechanical strength and stiffness to support thin membranes and electrodes, as well as to withstand the high clamping forces in the stack assembly. Graphite and stainless steel have been used for conventional bipolar plates. Although the graphite has good electrical conductivity and excellent corrosion resistance with the low density of about 2 g/㎤, it has poor mechanical strength and ductility. Although the stainless steel has a favorable electrical conductivity, excellent mechanical properties and ease of fabrication, its corrosion in strong acid environment is a main obstacle. Short carbon fiber or graphite powder reinforced composite bipolar plate has an adequate mechanical strength but low electrical resistivity.
In this research, continuous carbon fiber composite has been used as an alternative to graphite, stainless steel and other short carbon fiber composite materials for the bipolar plate of PEM fuel cell because it offers the advantages of low cost, low weight and ease of manufacture over the conventional materials for PEMFC. Most of all, it is possible to increase the electrical conductivity of the continuous carbon fiber composite by increasing carbon fiber volume fraction (up to 76 %). Also the weight reduction and compact size of the PEMFC stack are possible with the continuous carbon composite.
● Optimum design of the bipolar plate with advanced materials
a. New concept of the composite bipolar plate
b. Development of the surface treatment method to reduce the electrical contact resistance
- Surface treatment with thin graphite layer coating
The total resistance (bulk resistance + contact resistance) in the through-thickness direction decreased 86% compared to the composite without treatments under the clamping pressure of 1.0 MPa. (290 mΩ·㎠→30 mΩ·㎠).

목차 Contents

• EEWS Research 2011 Final Report ... 1
• Summary (English) ... 2
• 국문 요약문 ... 4
• 1. Research Purpose ... 6
• (1) Research goal ... 6
• (2) Importance of the research ... 6
• (3) Novelty of the research ... 12
• (4) Expected impact of research and commercialization ... 12
• 2. Research Target and Achievement ... 15
• 3. Research Method ... 17
• 4. Research Results ... 21
• (1) Outcome ... 21
• (2) Further research required ... 34
• 5. Research Outcomes ... 34
• (1) Publication ... 34
• (2) Conference presentation ... 35
• (3) Patents ... 36
• (4) Miscellaneous ... 36
• (5) Creation of New Big Project ... 36
• 6. Reference ... 36
• 1. 연구목적 ... 38
• (1) 연구목표 ... 38
• (2) 연구과제의 중요성 ... 38
• (3) 연구 과제의 신규성 ... 44
• (4) 연구의 기대효과 및 사업성 ... 45
• 2. 연구목표와 성과 ... 49
• 3. 연구방법 ... 51
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 57
• (1) 연구결과 ... 57
• (2) 수반되어야 할 (후행)연구내용 ... 73
• 5. 연구결과물 발표실적 ... 73
• (1) 학회 발표 ... 73
• (2) 논문 ... 74
• (3) 특허 ... 74
• (4) 기타 ... 75
• (5) 대형 신규과제 발굴의 기여 ... 75
• 6. 참고문헌 ... 76
• 끝페이지 ... 76