초록 ▼

o 고온 연료전지용 고성능 탄소 복합재료 분리판 개발
최근에 개발된 복합재료 분리판 (Bipolar plate)은 높은 탄소섬유 부피 분율로 인하여 우수한 전기 전도 특성을 가지며, 높은 기계적 강성, 그리고 내 부식성성 또한 매우 높아 흑연이나 스테인리스 강철 분리판보다 경쟁력이 우수하다. 그러나 표면에 잉여 수지층이 형성되면 접촉 저항 (Contact resistance)이 증가하는 단점이 있으며, 이를 방지하기 위해 기존 연구에서는 플라즈마, 화염 처리를 통해 표면의 잉여 수지 층을 제거하거나, 표면에 팽창 흑연 (Exp

o 고온 연료전지용 고성능 탄소 복합재료 분리판 개발
최근에 개발된 복합재료 분리판 (Bipolar plate)은 높은 탄소섬유 부피 분율로 인하여 우수한 전기 전도 특성을 가지며, 높은 기계적 강성, 그리고 내 부식성성 또한 매우 높아 흑연이나 스테인리스 강철 분리판보다 경쟁력이 우수하다. 그러나 표면에 잉여 수지층이 형성되면 접촉 저항 (Contact resistance)이 증가하는 단점이 있으며, 이를 방지하기 위해 기존 연구에서는 플라즈마, 화염 처리를 통해 표면의 잉여 수지 층을 제거하거나, 표면에 팽창 흑연 (Expanded graphite)을 코팅하여 접촉 저항을 낮추었다 [1-3].
본 연구에서는 새로운 고온 연료전지용 탄소 복합재료 분리판을 여러 방법으로 연구하였다. 흑연 코팅이 된 고온 PEEK 복합재료 분리판을 개발하고 전기적, 기계적 특성을 검증하였다. 또한, 탄소펠트를 이용한 표면 처리법을 적용한 페놀 복합재료 분리판을 개발하였다. 뿐만 아니라, 탄성중합체 (Elastomer)를 이용하여 표면 경도가 낮은 복합재료 분리판을 개발하여 화염, 플라즈마 처리나 흑연 코팅 등의 추가적인 표면 처리 없이도 접촉 저항이 낮은 분리판을 개발하였다. 두 가지 방법으로 접근하였으며, 첫 번째 방법은 탄성중합체만을 이용하여 복합재료 분리판을 구성하는 것이고, 두 번째 방법은 중심에는 기존의 에폭시 복합재료를, 표면에는 탄성중합체 복합재료를 이용하는 하이브리드 복합재료 분리판을 구성하는 것이다. 본 연구에서 개발된 고성능 복합재료 분리판은 모두 본 연구의 목표치인 30 mΩ‧cm2 의 ASR 값을 만족시켰다.


o 복합재료 샌드위치 구조와 압력 분산 층을 이용한 고성능 엔드플레이트 개발
PEMFC의 엔드플레이트 (End plate)는 낮은 전기 전도도와 연료의 누설방지를 위해 스택 (Stack)에 적절하고 균일한 압력을 가할 수 있어야 한다. 또한, 특히 고온 연료전지의 경우, 엔드플레이트는 낮은 열 손실 (Heat loss)과 우수한 냉 시동 (Cold start) 특성을 위해 높은 단열 성능을 가져야 한다.
이에 본 연구에서는 우수한 단열 성능을 확보하고 균일한 체결 압력을 가하기 위해서 단열 폼을 심재 (Core)로 하는 복합재료 샌드위치 구조와 곡률을 가지는 탄성중합체로 구성된 압력 분산 층을 채택하여 엔드플레이트 구조를 설계하였다. 임의의 크기를 가지는 스택에 적용 가능하며 단열 성능, 굽힘 강성, 구조적 안전성, 중량, 가격 등을 종합적으로 고려할 수 있는 최적의 샌드위치 구조 및 압력 분산 층의 설계 방법을 제시하였다.
최종적으로 600×140×92 mm3의 크기를 가지는 샌드위치 구조가 제작되었다. 본 연구에서 제시된 설계 방법을 통해 엔드플레이트의 성능이 획기적으로 개선되었음을 아래 표와 같이 확인할 수 있다. 또한 압력 측정 필름을 이용해 설계된 압력 분산 층의 성능을 최종적으로 검증하였다.

Abstract ▼

o Development of high performance composite bipolar plates
Carbon fabric/epoxy composite bipolar plate is superior to conventional graphite or stainless steel bipolar plate. Although it has high electrical conductivity and mechanical properties due to high fiber volume fraction with resistance a

o Development of high performance composite bipolar plates
Carbon fabric/epoxy composite bipolar plate is superior to conventional graphite or stainless steel bipolar plate. Although it has high electrical conductivity and mechanical properties due to high fiber volume fraction with resistance against acid environment, the electrical contact resistance is high due to the resin rich layer formed at the surface during molding process. To remove the surface resin rich layer, surface treatments such as plasma, and flame treatment were performed on the carbon composite bipolar plate. Also the surface of the bipolar plate was coated with expanded graphite to decrease the electrical contact resistance [1-3].
In this work, several methods to improve the performance of carbon composite bipolar plates for the HT-PEMFC were developed. Since Polyether ether ketone (PEEK), a thermoplastic polymer, has a high melting temperature, the carbon/PEEK composite bipolar plates coated with expanded graphite have been developed and their electrical and mechanical properties were measured. Also, phenolic composite bipolar plates embedded with carbon felt have been developed. Furthermore, elastomeric carbon fiber composite bipolar plates which showed low area specific resistance (ASR) without any surface treatment were developed. Two configurations for the elastomeric carbon bipolar plate were adopted: bipolar plate whose matrix is composed only of the elastomer, and hybrid composite bipolar plate whose matrix is epoxy at the center and elastomer at the surface. The developed elastomeric composite bipolar plates exhibited 30 m?좪cm2 of ASR, which satisfied the research targets.


o Development of advanced sandwich composite end plate structure
The end plates should provide uniform and adequate compaction pressure to the stack components to decrease the electrical contact resistance of stacks and to prevent fuel leakage.
It is also important to provide good thermal insulation for less heat loss and better cold-start characteristics. Therefore, an optimum end plate design is necessary to improve both the energy efficiency and reliability of the PEMFC.
In this work, an insulating foam-core composite sandwich structure and a pre-curved compliant pressure distributor for the design of end plates were employed for both good insulation performance and uniform pressure distribution for the PEMFC stack. The thermal insulation, flexural rigidity, structural safety, mass and cost of the end plates were considered in the design of the composite sandwich structure. Finally, the composite sandwich end plate of 600×140×92 mm3 was developed based on the optimum design method and it was found that the performance of the sandwich structure was much improved as shown in the following Table. Also, the uniformity of pressure distribution on the stack was guaranteed with the developed pressure distributor.

목차 Contents

• EEWS Research 2014 Final Report ... 1
• Summary (English) ... 2
• 국문 요약문 ... 5
• 1. Research Purpose ... 8
• 2. Research Target and Achievement ... 9
• 3. Research Method ... 11
• 1) PEEK composite bipolar plate with nano conductive particles ... 11
• 2) Bipolar plate for high-temperature application using phenolic resin ... 11
• 3) Surface modification of the composite bipolar plate using pre-cure process and randomly oriented carbon felt ... 11
• 4) Elastomeric composite bipolar plate ... 13
• 5) Hybrid composite bipolar plate ... 15
• 6) Development of the advanced sandwich composite end plate with pressure distribution layer for HT-PEMFC ... 16
• 7) Development of vanadium redox flow battery (VRFB) ... 21
• 4. Research Results ... 24
• (1) Outcome results ... 24
• (2) Further research required ... 64
• (3) Findings deserve to press ... 65
• 5. Research Outcomes ... 65
• (1) Publication ... 65
• (2) Conference presentation ... 67
• (3) Patents ... 68
• (4) Creation of New Big Project ... 70
• 6. Reference ... 70
• 1. 연구목적 ... 72
• 2. 연구목표와 성과 ... 73
• 3. 연구방법 ... 75
• 1) 전도성 나노 입자를 이용한 PEEK 복합재료 분리판 개발 ... 75
• 2) 페놀 수지를 이용한 HT-PEMFC에 적용 가능한 분리판 개발 ... 75
• 3) 가 경화(Pre-cure) 공정과 탄소펠트(Carbon felt)를 이용한 표면 처리 ... 75
• 4) 탄성중합체 분리판 개발 ... 76
• 5) 하이브리드 복합재료 분리판 ... 80
• 6) 샌드위치 복합 구조를 이용한 경량, 고강성, 고단열 엔드플레이트 개발 ... 81
• 7) 바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium redox flow battery, VRFB) 개발 ... 86
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 89
• (1) 연구결과 ... 89
• (2) 수반되어야 할 (후행)연구내용 ... 130
• (3) 보도할 만한 내용 ... 131
• 5. 연구결과물 발표실적 ... 131
• (1) 논문 ... 132
• (2) 학회발표 ... 134
• (3) 특허 ... 135
• (6) 대형 신규과제 발굴의 기여 ... 137
• 6. 참고문헌 ... 137
• 끝페이지 ... 137