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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
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연구책임자 | 이대길 |
참여연구자 | 김진환 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 대한민국 |
발행년월 | 2016-12 |
과제시작연도 | 2016 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
과제관리전문기관 | 한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
등록번호 | TRKO201900016416 |
과제고유번호 | 1711045618 |
사업명 | 한국과학기술원연구운영비지원(0.5) |
DB 구축일자 | 2019-10-26 |
키워드 | 양성자 교환막 연료전지.바나듐 레독스 흐름 전지.탄소 섬유 복합재료.분리판.PEMFC.VRFB.Carbon composite.Bipolar plate. |
DOI | https://doi.org/10.23000/TRKO201900016416 |
양성자 교환막 연료전지 (Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)는 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 친 환경적 에너지 변환 시스템 (Energy conversion system, ECS)이다. 바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium redox flow battery, VRFB)는 전기 에너지를 화학 에너지 상태로 저장할 수 있는 에너지 저장 시스템 (Energy storage system, ESS)으로, 전기용량과 동력의 크기를 독립적으로 설계할 수 있으므로, 대형화에 유리하여 차세대
양성자 교환막 연료전지 (Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)는 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 친 환경적 에너지 변환 시스템 (Energy conversion system, ECS)이다. 바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium redox flow battery, VRFB)는 전기 에너지를 화학 에너지 상태로 저장할 수 있는 에너지 저장 시스템 (Energy storage system, ESS)으로, 전기용량과 동력의 크기를 독립적으로 설계할 수 있으므로, 대형화에 유리하여 차세대 ESS로 각광받고 있다. ECS를 대표하는 PEMFC와 ESS를 대표하는 VRFB는 작동 원리 및 구성 부품이 유사하여 개발한 기술을 상호 유리하게 적용할 수 있다. 두 시스템 모두 분리판 (Bipolar plate, BP), 엔드플레이트 (Endplate) 등의 유사한 부품이 적용되며, PEMFC의 기체 확산층 (Gas diffusion layer, GDL)은 VRFB의 탄소 펠트 전극 (Carbon felt electrode)과 역할 및 구조가 유사하다. 기술의 상호 적용 외에도 PEMFC와 VRFB의 융합을 통해 PEMFC에서 생산한 전기를 VRFB에 저장하는 등 전력의 탄력적 활용이 가능하다. 본 연구에서는 차세대 에너지 시스템의 경쟁력을 확보하기 위해 PEMFC와 VRFB 두 시스템에 필요한 핵심 기술들을 개발하였다.
Part 1 PEMFC
연료전지는 내연기관이나 배터리에 비하여 높은 에너지 밀도, 저소음 등의 다양한 장점을 가지고 있어 기존의 무인 항공기 (UAV), 잠수정 등의 동력원을 대체할 수 있는 대안으로 각광 받고 있다. 연료전지는 기존 동력원들과 달리 에너지 효율이 동력의 크기에 무관하기 때문에, 소형 시스템 적용에 유리하다.
하지만 일반적인 저온 PEMFC (Low temperature proton exchange membrane fuel cell, LT-PEMFC)는 구동을 위해 복잡한 보조 설비 (Balance of plant, BOP)가 필요하며 이는 경량화 및 시스템 단순화에 걸림돌로 작용한다. 본 연구에서는 120°C 이상에서 작동하며 구동을 위한 습도와 온도 조절 및 연료의 불순물에 대한 요구 조건이 높지 않은 고온 PEMFC (High temperature PEMFC, HT-PEMFC)를 개발하였다.
PEMF의 무게는 분리판이 대부분을 차지하기 때문에 경량 PEMFC의 개발을 위해서는 경량 분리판의 개발이 필수적이다. 무거운 흑연 분리판을 대체하기 위해 탄소 섬유 복합재료 분리판이 개발되었으나, 기존의 복합재료 분리판은 모두 저온 연료전지용으로 개발되었다. 고온 연료전지는 높은 작동 온도로 인해 복합재료를 이용하여 분리판을 개발하는데 어려움이 있다.
제조 비용을 낮추고 내구성을 향상시키기 위해 2차 년도 연구 (2015년도) 에서는 soft layer method를 개발하여 기존의 흑연 코팅 방법을 대체하는 연구를 수행하였다. Soft layer method가 복합재료 분리판의 전기 전도 성능을 크게 향상 시켰으나, 그 적용이 일방향 탄소 섬유 복합재료에 한정되는 제한이 있었다.
본 연구에서는 개발된 soft layer method의 적용 범위를 확장시켜 직물 형태의 탄소 섬유 복합재료 제작에도 적합하도록 최적화하였고, 이를 통해 개발된 분리판은 전기적 성능 및 기계적 성능이 크게 향상되었다.
또한 경화 압력을 낮추어 대형 분리판 생산에 유리하도록 탄소 펠트 복합재료 분리판을 개발하였다. 최종적으로 Soft layer method와 탄소 펠트 복합재료 기술을 모두 적용하여 고온 연료전지용 초박형 복합재료 분리판을 개발하였다.
Part 2 VRFB
세계적으로 에너지 문제에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 저장 시스템 (Energy storage system, ESS)에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 기존에는 리튬 이온 전지 (Li-ion battery)가 널리 사용되었으나, 폭발 성과 낮은 수명 및 대형화가 어려워 이를 대체할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있다.
바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium redox flow battery, VRFB)는 에너지 용량과 출력을 독립적으로 설계할 수 있고, 높은 수명 및 폭발 성이 전혀 없어 리튬이온 전지를 대체할 에너지 저장 시스템으로 주목 받고 있다. 하지만 바나듐 레독스 흐름 전지는 강산성 기반의 전해액을 이용하여 작동하기 때문에 산성 환경에 대한 스택 부품의 내구성이 확보되어야 한다. 또한 액체 전해액이 순환하면서 발생하는 유동 손실과 스택을 구성하는 부품들의 전기저항에 의해 발생하는 전기저항 손실을 최소화하여 시스템 성능을 극대화시켜야 한다.
본 연구에서는 불소고무 복합재료를 이용하여 산성 환경에서 내구성이 우수한 VRFB용 플로우 프레임과 분리판을 개발하였다. 개발된 플로우 프레임은 불소고무 자체가 개스킷 및 오링의 역할을 할 수 있기 때문에 스택 조립에 필요한 부품의 수를 획기적으로 감소시켰다. 또한 불소고무 복합재료 분리판은 표면에 탄소 섬유를 드러내어 전기 전도성 및 내구성을 모두 확보하였으며, 나노 입자를 혼합하여 기계 물성을 향상시켰다.
복합재료 동시경화를 이용하여 개발된 탄소 복합재료 분리판 일체형 집전판은 분리판과 집전판 간의 계면 접촉 저항을 획기적으로 감소시켰다.
그리고 선행연구에서 개발된 굴곡을 갖는 복합재료 분리판 (CCBP)의 형상을 개선하여 성능을 향상시켰다.
또한 PEEK 나노 복합재료를 이용하여 기계 물성이 매우 우수한 양성자 교환막을 개발하였다.
마지막으로, 앞서 개발된 부품 기술을 바탕으로 산업체 (스탠다드 에너지) 와의 협력을 통해 40 kW 급 VRFB 시스템을 개발하였다.
(출처 : 국문 요약문 5p)
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is an eco-friendly energy conversion system which uses only hydrogen and oxygen to produce electricity. Vanadium redox flow battery (VRFB) is an energy storage system (ESS) which can store electrical energy into chemical energy. Due to easy scalability, VRF
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is an eco-friendly energy conversion system which uses only hydrogen and oxygen to produce electricity. Vanadium redox flow battery (VRFB) is an energy storage system (ESS) which can store electrical energy into chemical energy. Due to easy scalability, VRFB is a very promising ESS in substitute for conventional Li-ion batteries. The PEMFC and VRFB have similar mechanism and share many key components, which enables synergistic development of both systems. In case of bipolar plates (BPs), lightweight carbon composite structures can be adopted for both systems. Gas diffusion layers (GDLs) of PEMFC are also similar to carbon felt electrodes of the VRFB. Apart from sharing key components, PEMFC and VRFB can be integrated into one system which enables the storage of the electricity produced by PEMFC in VRFB. In this project, key technologies for the PEMFC and VRFB were developed to secure the next generation energy systems.
Part 1 PEMFC
Fuel cells have many advantages compared to the combustion engines or batteries. They have large energy density, low noise and vibration which make them promising candidates for the power sources of UAV (unmanned aerial vehicles) and submarines. They are particularity advantageous for small systems because they have high efficiency irrelevant of the power rate.
However, common low temperature proton exchange membrane fuel cell (LT-PEMFC) requires complicated balance of plant (BOP) for operation, which hinders the weight lightening and system simplification. In this study, a high temperature PEMFC (HT-PEMFC) which does not require humidification and CO filtering units due to high operation temperature of 120-180°C is developed. Because the majority of the PEMFC weight comes from bipolar plates, it is crucial to develop a lightweight composite bipolar plate in replacement of a conventional graphite bipolar plate to reduce the total weight. Up to now, the lightweight composite bipolar plate was developed only for LT-PEMFC because it was not easy to manufacture the carbon composite bipolar plate for high temperature operation.
In the previous research, the soft layer method was developed to replace conventional graphite coating method and lower the manufacturing cost. The soft layer method significantly increased the electrical conductivity by exposing bare carbon fibers on the surface. However, the method was applicable to only a limited type of carbon composite: unidirectional carbon composite.
In this project, the soft layer method was further improved to expand its application to the fabric type carbon composite. The soft layer method increased the electrical conductivity and mechanical strength significantly. In addition, a non-woven carbon felt bipolar plate was developed to lower the curing pressure. Together with the soft layer method and the carbon felt composite, an ultra-thin composite bipolar plate for HT-PEMFC was developed, which exhibited superior performance.
Part 2 VRFB
Due to the increased concerns on energy issues, energy storage systems (ESSs) have been studied and developed over the world. The vanadium redox flow battery (VRFB) system is one of the promising EES because its energy capacity and power can be designed independently and it is non-explosive, which are not possible for Li-ion battery systems. Recently, the research on the VRFB is widely performed to substitute the Li-ion battery system.
Though the VRFB is non-explosive and has long operation life, there are several technical issues to be investigated further. Since the VRFB is operated with strong acid based electrolytes, the effect of the strong acid on the VRFB components should be verified for constructing a reliable system. Therefore, the durability of the stack components against the acidic environment should be secured. In addition, to maximize the system performance, the energy loss due to the pumping loss which is generated by the circulation of liquid electrolyte and the ohmic loss from the electrical resistances of the components should be minimized.
In this project, a fluoroelastomeric composite flow frame and corrugated bipolar plate for VRFBs were developed, which has superior durability in acidic environment. The developed flow frame decreases the number of stack components because it does not require additional sealing components such as gaskets and O-rings. Also, the fluoroelastomeric composite bipolar plate achieved both high electrical conductivity and durability, and its mechanical properties were improved by reinforcing with nanoparticles.
The carbon composite bipolar plate (BP)-integrated current collector (CC) effectively decreased the interfacial contact resistance between the BP and CC. And the shape optimization of the corrugated composite bipolar plate (CCBP), which was previously developed, was performed to increase the performance considering the operation condition.
Furthermore, a proton exchange membrane was developed using the PEEK nanocomposite, which achieved high mechanical properties.
Lastly, a 40 kW VRFB system was developed with 'Standard Energy Co., Ltd.', by applying our achievements in composite stack components.
(출처 : SUMMARY 2p)
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