<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2013.37.2.155 ISSN 1226-4881
도금된 폴리카보네이트 분리판을 이용한 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지에 관한 연구
박태현* · 이윤호* · 장익황** · 지상훈** · 백준열* · 차석원*†
* 서울대학교 기계항공공학부, ** 서울대학교 지능형융합시스템학과,
Study of Air-Breathing Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Using Metal-Coated Polycarbonate as a Material for Bipolar Plates
Taehyun Park*, Yoon Ho Lee*, Ikwhang Chang**, Sanghoon Ji**, Jun Yeol Paek* and Suk Won Cha*†
*School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul Nat’l Univ.
** Department of Intelligent Convergence Systems, Seoul Nat’l Univ.
(Received July 2, 2012 ; Revised October 13, 2012 ; Accepted October 22, 2012)
1. 서 론
연료전지는 높은 에너지 변환 효율과 친환경성, 분산발전으로의 이용 가능성 등의 장점을 바탕으 로 화석 연료를 기본으로 하는 현재의 에너지 패 러다임을 바꿀 수 있는 친환경 에너지원으로 각광 받고 있으며 수소에너지 사회로 전환되기 위한 핵 심 기술로 여겨지고 있다.(1) 특히 교토의정서와 같
은 환경오염 규제의 요구조건에 최적으로 대응할 수 있는 수단으로, 기존 화석연료 대비 이산화탄 소를 70% 이상 줄일 수 있으며 작동 후의 부산물 로 물밖에 생성되지 않는 이점이 있다.
고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 가장 상용화에 가깝 게 접근한 연료전지로서, 현재의 기술로 이미 수 소연료전지자동차의 프로토타입을 제작하여 한번 의 수소충전으로 400 km 이상 운행 가능한 수준에 이르렀으며, 또한 아파트나 병원, 회사같은 곳에 비상발전용 전원으로도 공급되고 있다. 그러나 아 Key Words: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell(고분자 전해질막 연료전지), Air-breathing(공기호흡형),
Bipolar Plate(분리판), Current Collector(집전체), Polycarbonate(폴리카보네이트), Electroless Plating (무전해도금)
초록: 본 연구에서는 도금된 폴리카보네이트를 사용하여 공기호흡형 고분자 전해질막 연료전지의 분리판을 제작하였다. 도금층은 구리 40µm, 니켈 10µm, 금 0.3µm 로 구성되었으며, 구리는 전기 전도층, 니켈은 구리와 금의 결합, 금은 도금층의 부식을 방지하기 위해 사용되었다. 본 분리판을 사용하여 성능을 평가한 결과 120mW/cm2 의 전력 밀도를 보였으며 이는 동일한 조건에서 그라파이트 분리판을 사용했을 때의 전력밀도와 거의 차이가 나지 않았다. 또한 평판형 12 층 스택의 공기호흡형 연료전지를 구성한 결과 각 전지당 132.7mW/cm2의 성능을 보였으며 이를 12 시간 운전해본 결과 안정적인 성능을 보여 공기호흡형 고분자 전해질 연료전지의 분리판으로 적합함을 확인하였다.
Abstract: In this study, a metal-plated polycarbonate was adopted as a material for bipolar plates in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The coated layers included 40-µm-thick copper, 10-µm-thick nickel, and 0.3- µm-thick gold that respectively played the roles of current conduction, adhesion between copper and gold, and minimization of surface corrosion. The maximum power of the air-breathing PEMFC with polycarbonate bipolar plates was 120 mW/cm2, which was similar to that of graphite bipolar plates. Finally, the maximum power of a 12-cell stack of polycarbonate bipolar plates was 132.7 mW/cm2, and it had an operating time of 12 h. Therefore, this was considered a suitable material for bipolar plates in PEMFCs.
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2013 The Korean Society of Mechanical Engineers
박태현 · 이윤호 · 장익황 · 지상훈 · 백준열 · 차석원 156
직까지 현재 쓰이고 있는 여러 에너지원에 비해 가격이 비싸 상용화에 어려움이 따른다.(2)
연료전지의 높은 가격의 원인 중 하나는 연료전 지 내의 분리판으로, 이는 전체 연료전지 가격 중 45%를 차지하고 있다.(3) 분리판은 전기 전도성, 열전도성, 밀폐성, 내부식성, 기계적 강도, 가공성 이 우수하고 가벼운 재질이어야 하며, 이러한 많 은 요구조건에 의해 현재까지 PEMFC는 그라파이 트가 분리판의 재질로 가장 각광받아왔다.(4,5) 이는 화학적으로 매우 안정하며 높은 전기전도성을 가 지지만 밀폐성이 떨어지고 밀도가 높아 무거우며, 취성물질이므로 충격에 약한 단점이 있다. 또한 그라파이트 분리판의 생산을 위해선 기계적 가공 을 거쳐야 하므로 생산 단가가 올라가게 된다.(6)
전세계적으로 이러한 그라파이트의 한계를 극복 하기 위한 대체재를 찾기 위해 여러 연구가 진행 되고 있다. 스테인리스 스틸, 특히 오스테나이트 계열(austenitic)과 페라이트 계열(ferritic) 스테인리 스 스틸을 이용하여 분리판을 만들 경우 기계적 강도, 내부식성, 밀폐성, 재료 선택의 다양성에서 장점을 가지고 저가 생산이 가능한 큰 장점이 있 지만 기존의 그라파이트에 비해 내부식성이 부족 하고 촉매 코팅막(CCM, catalyst-coated membrane)과 의 접촉저항이 큰 문제점이 있었다.(7~10)
내부식성이 약하지만 생산이 용이한 금속에 도금 을 하는 경우엔 가격 면에서 큰 이점을 얻을 수 있 으나 도금된 보호면 안의 핀홀 결함(Pinhole defect)이 생성되는 문제가 있으므로 그라파이트에 상응하는 성능을 보여주진 못하고 있다. 또한 도금의 경우도 위의 스테인리스 스틸과 같이 CCM와의 접촉시 접 촉저항이 크게 올라가는 단점이 있었다.(11,12)
이외에 고분자 복합 재료를 이용하여 분리판을 개발하려는 연구도 현재 진행중에 있다. 복합재료 를 이용한 분리판의 연구는 현재까지 다공성 그라 파이트를 이용하여 다른 고분자재료를 중합하여 만드는 형태로서 진행되어왔다. 미국의 Los Alamos National Laboratory에서는 다공성 그라파이 트, 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate), 스테인리스 스틸 세 물질을 중합하여 분리판을 만들어 각 재 료들의 장점을 취하려는 시도를 하였으며 저가형 분리판으로서의 가능성을 보여주었다.(13)
본 연구에서는 상기한 연구와 다른 새로운 형태의 분리판을 제안한다. 이 분리판은 PC에 도금을 하여 구성한 것으로서, 도금은 무전해도금 기술을 이용하 였다. 또한 열전도성의 한계를 극복하기 위해 기존 PEMFC에서 사용되는 끝판(End-plate)를 사용하지 않
고 곧바로 본 분리판을 끝판의 기능을 같이 하도록 하였으며, 최대한 얇게 제작하여 열방출을 용이하게 하였다. 전체 연료전지 스택은 공기극을 공기호흡형 으로 제작하여 저밀도가 특징인 PC 분리판의 이용 목적에 부합하도록 하였다. 이 PC 분리판을 그라파 이트 분리판을 이용한 연료전지와 동일하게 실험하 여 성능을 비교하였으며 최종적으로 12 W급 성능을 내는 평판형 12스택의 공기호흡형 PEMFC를 제작하 여 PC 분리판의 실용가능성을 확인하였다.
2. 실험 장치 및 방법
2.1 PC 및 그라파이트 분리판
본 연구에서는 PC 분리판과 그라파이트 분리판을 이용할 때의 성능을 각각 비교하여 PC 분리판의 실 용성을 확인하기 위해, PC 분리판과 그라파이트 분 리판을 각각 비교군과 대조군으로 설정하였다. 각 연료극(Anode) 분리판에서의 유로는 3열 평행-사형 (parallel-serpentine)구조로 설계하였으며 유로의 폭과 깊이는 각각 1 mm로 설계하였다. 또한 유로의 립(rib) 의 폭도 1 mm로 설계하였다. 전체 셀의 반응면적은 동일하게 3 x 3 cm2로 하였으며, 분리판 두께는 5 mm 로 설계하였다. 실험시에는 그라파이트 분리판을 사 용할 때 취성재질의 특성상 끝판이 필수적으로 필요 했지만 PC 분리판의 경우 분리판 자체의 아이조드 충격 강도(Izod impact strength)가 850~1000 J/m로 매우 강한 재질이므로 끝판을 사용하지 않았다.(20)
공기극(Cathode) 분리판은 공기호흡 형으로 제작하 였으며 PC 분리판과 그라파이트 분리판 모두 두께 는 3 mm로 설계하였다. 공기극 유로 립의 폭은 3 mm에 각 개방된 면의 형상은 본 연구팀에서 수행한 이전 연구의 결과를 이용하여 8 x 8 mm2의 정사각형 을 9개를 배치하는 형태로 설계하였다.(14) Fig. 1의 (a), (b), 그리고 (c)는 이렇게 제작한 셀의 구체적 수치와 형상의 컴퓨터 지원 설계(CAD, Computer-Aided Design) 모델, 그리고 실제 가공한 분리판을 나타낸 다. 전류 집전층은 무전해 도금법을 이용하였다. 충 분한 전기전도도를 얻기 위해 PC 분리판 위에 40 µm의 Cu를 도금하였고 부식을 방지하기 위한 Au층 과의 접착성을 증대시키기 위해 중간층에 Ni를 10µm 도금하였다. 그리고 0.3µm의 Au를 증착하여 전류 집전층을 완성하였다. 무전해도금을 이용할 경 우 화학적인 공정의 특성상 복잡한 형상의 유로 내 에 고르게 도금되며 저항 측정 결과 0.01 Ωcm2 이하 로 측정되어 Borup과 Vanderborgh, 그리고 Mehta와 Cooper가 제안하였던 분리판으로서의 전기 저항 조 건을 충족함을 확인하였다. (4,5)
Fig. 1 The
bipolar plates with dimensions anode and cathode
(d) 40
bipolar plates with indicated in (d) 12개의 공기호흡형 구성한 방법은 분리판으로 이러한 분리판 스택을 이루도록 택은 각 셀 기극과 다른 3 개의 스택을 하나의 셀을 같지만 유로의 serpentine)으로 수소의 소모량이 수소 농도가 때문이다. 또한 수소의 흐름이 평 행 형 으 로 낮아지고 차압이 최적점을 찾기
The CAD model of
bipolar plates with dimensions anode and cathode
(d) 40µm thick Cu bipolar plates with indicated in (d)
공기호흡형 연료전지를 방법은 Fig. 2와
만들어 평판형 분리판 4개를 직렬 이루도록 하였다
사이의 도금층을 다른 셀의 연료극을
스택을 구성한 셀을 구성하였을 유로의 구성을
으로 설계하였다 소모량이 높아 농도가 부족하여 또한 사형은 흐름이 불안해질 형 으 로 가 까 워 질 수 록
차압이 낮기 찾기 위해 5 열
CAD model of (a) cathode bipolar plates with dimensions
anode and cathode bipolar plates with no coating m thick Cu-coated bipolar plates bipolar plates with 0.3µm thick
연료전지를 평판형 와 같다. 3개의 평판형 스택을
직렬 연결하여
하였다. 하나의 분리판에서의 도금층을 제거하여
연료극을 전선으로 구성한 분리판의 구성하였을 때의 유로와
구성을 5 열 평행 설계하였다. 이는
수소 배출구 성능이 불안해질 형은 유로에 차압이 불안해질 우려가 있다 가 까 워 질 수 록 수 소 의
낮기 때문에 두 열 구조를 택하였다
cathode and (b) anode bipolar plates with dimensions. (c) Picture of
bipolar plates with no coating coated bipolar plates and 0.3µm thick Au coated on Cu
평판형 스택으로 개의 셀을 하나의 스택을 구성하였으며 연결하여 총 12개 셀이
분리판에서의 제거하여 한 셀의 전선으로 연결하였다 분리판의 유로 구성은
유로와 폭, 깊이는 평행-사형(parallel 이는 사형 유로는 배출구 측 셀에서는 불안해질 수 있기 차압이 높게 걸려 있다. 이에 반해 수 소 의 소 모 량
두 구조 사이의 택하였다.(15)
anode icture of bipolar plates with no coating.
and (e) on Cu
스택으로 하나의 구성하였으며 셀이 분리판에서의 스
셀의 공 연결하였다.
구성은 깊이는 parallel-
유로는 셀에서는 있기 걸려 반해 모 량 은 사이의
Fig. 2
2.2
연료전지의 작한
도는 함 유 량
Diffusion Layer, GDL, SGL Inc.) 였으며
방식을 이 눌릴 이 적당히 보통의
Fig. 2 Picture of cathode and anode bipolar plates are included
Fig. 3 Schemetic of fuel cell test station 2.2 실험 방법
연료전지의 성능 작한 실험 장치를 도는 Fig. 3 에 묘사되어 함 유 량 은 0 . 4 m g / c m
Diffusion Layer, GDL, SGL Inc.) 였으며 두께는
방식을 사용하였다 잘 이루어지지 눌릴 경우에는
낮아지게 되어 적당히 눌러야 보통의 가스켓(
Picture of cathode and anode bipolar plates are included in one plate
Schemetic of fuel cell test station 방법
성능 측정은 장치를 이용하였으며
묘사되어 있다 0 . 4 m g / c m2 였 다 Diffusion Layer, GDL, SGL Inc.)
420µm 였다 사용하였다. GDL 은 이루어지지 않아 성능이
집전시 접촉저항이 되어 최대성능을 눌러야 하는 제한조건이
(gasket)의 두께는
Picture of cathode and anode bipolar plates in one plate
Schemetic of fuel cell test station
본 연구팀에서 이용하였으며 실험장치의
있다. CCM(CNL Inc.) 였 다 . 가 스 확 산 층 Diffusion Layer, GDL, SGL Inc.)은 10BC
였다. CCM 과 GDL 은 많이 눌리면 성능이 저하되지만 접촉저항이 증가하여 최대성능을 내게 하기
제한조건이 있다 두께는 사용되는
Picture of cathode and anode bipolar plates. 3 cells
Schemetic of fuel cell test station
연구팀에서 직접 제 실험장치의 개략 . CCM(CNL Inc.)의 Pt 확 산 층 ( G a s 10BC 를 사용하
GDL 은 접촉 눌리면 수소전달 저하되지만 약하게 증가하여 성능 하기 위해서는 있다.(16) 따라서 사용되는 GDL 의 3 cells
제 개략 Pt ( G a s 사용하
접촉 수소전달 약하게
성능 위해서는
따라서 의
박태현 · 이윤호 · 장익황 · 지상훈 · 백준열 · 차석원 158
Fig. 4 Comparison of polarization curves of PEMFC using graphite and polycarbonate bipolar plates 두께보다 얇은 두께 300µm의 가스켓을 적용하여 GDL의 과다 압축을 방지하여 성능의 극대화를 도모하였다.(18)
연료극에 수소를 가하기 전 질소를 충분히 가하 여 수소와 산소의 직접적인 접촉이 없도록 하였으 며, 그라파이트, PC 분리판으로 제작한 연료전지 모두 동일한 조건으로 수소 유량은 200 sccm 으로 가하였으며 상온에서 100%로 가습을 하였다. 수 소를 가한 후 약 30분 동안 0.5V에서 활성화 (Activation) 시간을 가졌다.
활성화 후 곧바로 셀의 분극 곡선을 측정하였으며 측정은 Kikushui사의 KFM2150 system을 사용하였다.
동전류(Galvanodynamic) 모드를 이용하였으며 전류의 스캔 속도는 0.1A/s로 측정하였다. 셀의 보호를 위해 0.2V아래에서는 측정을 하지 않았다. 임피던스는 0.5, 1, 1.5A에서 사인함수로 0.1A의 진폭을 주어서 0.2Hz 에서 20kHz까지 측정하였다. 셀의 방향은 공기 호흡 형 PEMFC의 경우 본 연구팀에서 진행한 이전 연구 에서 셀의 방향에 따른 성능변화가 거의 없음을 확 인하였기 때문에 공기극이 지면 기준으로 수직 위쪽 을 향하도록 한 상태에서 실험하였다.(14) 또한 플러 딩(flooding) 현상을 피하기 위해 두 셀 모두 분극곡 선을 측정한 후 바로 임피던스를 측정하였다.
3. 실험 결과 및 토의
3.1 PC 및 그라파이트 분리판 PEMFC 단위 셀 Fig. 4는 그라파이트 분리판과 PC 분리판을 사용한 PEMFC의 분극 곡선을 비교한 것을 보여준다. 두 분 리판이 사용된 셀 모두 최대성능은 120mW/cm2을 보 여주고 있으며 개회로 전압(Open-circuit voltage, OCV) 은 약 0.95V를 보여주고 있다. 보통 수소의 밀봉이
잘 안된 연료전지의 경우 OCV가 감소하는 경향이 나타나게 되는데 PC분리판을 사용한 연료전지에서 이러한 경향이 나타나지 않는 것으로 보아 PC분리 판에서 수소의 밀봉이 그라파이트 분리판과 차이가 나지 않음을 알 수 있다.(17) 이러한 원인에는 PC분리 판은 그라파이트 분리판에 비해서 유연성을 가지고 있어 낮은 체결압력에서도 분리판이 자체적으로 휘 게 되어 연료극 측을 잘 밀봉하는 것으로 추측된다.
이는 그라파이트 분리판을 사용한 PEMFC에서는 매 우 표면이 매끈한 분리판을 사용해야하는 점과 비교 할 때 가격 및 무게 외에도 큰 장점이 된다.
그러나 본 연구에서 개발한 분리판을 사용한 연료 전지의 경우 매우 고성능의 공기호흡형 PEMFC를 보여준 연구팀에 비하면 약 50%의 성능을 보여주고
있다.(14,18,19) 이러한 원인에는 각 CCM 공급사들의 제
조 방법 차이로 추측된다. 본 연구에서는 대조군으 로 실험시 PC분리판과 모두 동일한 조건으로 그라 파이트 분리판을 사용한 연료전지를 실험하였는데, 그라파이트 분리판을 사용한 연료전지에서도 성능이 낮게 나왔다. 그러나 그라파이트 분리판과 PC 분리 판의 전력 차이는 거의 없기 때문에 CCM의 개선으 로 본 연구의 PC 분리판에서도 성능 개선의 가능성 은 존재하는 것으로 생각된다.
Fig. 4에서 나타나는 두 분극 곡선의 차이점 중 하 나는 50mA/cm2의 전류밀도 영역에서 두 곡선이 교 차한다는 점이다. 이러한 차이점을 분석하기 위해 임피던스 측정을 한 결과는 Fig. 5에 나타나있다. 측 정을 한 0.5, 1, 1.5A 영역 모두에서 페러데이 저항은 PC 분리판을 사용한 셀이 그라파이트 분리판을 사 용한 셀보다 높게 나타나고 있다. 이같은 결과는 Fig.
4의 분극곡선에서 저전류 영역에서 PC 분리판을 사 용한 연료전지가 전압강하가 더 심하게 일어나는 것 으로 나타나야 하는 데 별다른 전압강하가 일어나지 않았다.
이를 알아보기 위해 연료전지 분극곡선의 활성화 손실을 모사하는 Butler-Volmer 식을 보면 다음과 같 다.(1)
j je
αη
e αη (1) 식 (1)은 Butler-Volmer 식을 나타내고 있으며 j00
는 교환전류밀도, α는 대칭상수, F는 페러데이 상수, η는 전압손실, R는 이상기체상수, T는 온도를 나타낸다. 식 (1)에 따르면 본 실험에서 줄 수 있 는 영향은 온도의 영향밖에 없다. 실제로 실험을 진행할 시 열전대를 이용하여 공기극 측 GDL의 온도를 직접 측정한 결과 PC 분리판을 사용한 셀
Fig. 5 Electrochemical impedances of polycarbonate and graphite-used PEMFC. Impedances measured at (a) 0.5A (56mA/cm2), (b) 1.0A (111mA/cm2), and (c) 1.5A (167mA/cm2).
의 평형상태에서의 공기극 측의 GDL의 온도는 83℃였지만 그라파이트를 사용한 셀은 약 51℃였 다. 이는 0.19-0.22W/m·K의 열전도율을 가지는 PC 와 달리 5.7(through-plane)~ 1950(in-plane)W/m·K을 가지는 그라파이트가 월등히 열을 잘 전달하므로 PC 분리판 셀의 경우 전기화학 반응에 의해 생성 된 열이 공기극 측의 공기중에 노출된 GDL로 집 중될 수밖에 없다. 이에 따라 GDL의 평형온도가 차이가 나게 되고 결국 온도 상승에 의한 연료전
Fig. 6 Polarization curve of planar 12 cells-stacked PEMFC using polycarbonate bipolar plates
지 성능의 증가가 두 셀의 분극곡선의 차이를 상 쇄한 것으로 볼 수 있다. 이렇게 될 경우 PC 분리 판을 사용한 PEMFC의 분극곡선에서 초반부는 전 압이 급격히 하강하다가 점차 빠르게 완만해지는 경향을 보이게 될 것을 추측할 수 있으며, 이것은 Fig. 4의 경향과 일치한다.
3.2 PC 분리판을 이용한 평판형 12 스택 PEMFC Fig. 6은 Fig. 2에서 보여준 3 스택 분리판 4개를 직렬로 연결하여 측정한 분극곡선을 보여준다.
OCV는 10.8V로 각 셀마다 평균 0.9V의 OCV을 보여주고 있으며 전체 전력을 전체 반응면적으로 나눈 결과 132.7mW/cm2의 전력밀도를 보여주고 있다. 이는 단위 셀을 측정하였던 Fig. 4의 분극곡 선과 비교해볼 경우 스택 구성에 의한 전력손실이 거의 나타나지 않는 것으로 볼 수 있다. 또한 물 질 전달 손실이 나타나지 않는 것으로 보아 5열 평행-사형 구조의 유로설계가 3스택 분리판에 적 합함을 확인할 수 있었다.
Fig. 7은 PC 분리판의 작동 시간에 따른 성능을 실 험해본 결과로서, 0.5V에서의 전류의 변화양상을 보 면 작동 초반에 전류밀도가 급격히 증가한 후 정상 상태로 돌아가는 것을 확인할 수 있다. 이것은 작동 시작 후 초반 30분동안 PC PEMFC의 작동 평형 온 도인 83℃에 도달할 때까지 최적의 수분 함유량일 상태에서 성능의 최고점을 보여준 것으로 판단된다.
이후 작동온도가 더 상승함에 따라 CCM의 수분 함 유량이 부족해지게 되어 성능의 감소를 보여준 것으 로 추측된다. 이에 대한 검증 은 추후 실시간 온도 측정을 동반하여 진행할 예정이다.
박태현 · 이윤호 · 장익황 · 지상훈 · 백준열 · 차석원 160
Fig. 7 Current density for 12 hours at 0.5V of planar 12 cells-stacked PEMFC using polycarbonate bipolar plates
4. 결 론
본 연구에서는 PC재질에 무전해도금법을 이용 하여 Cu, Ni, 그리고 Au를 차례로 40µm, 10µm, 0.3µm를 도금하여 전류집전층을 형성하였으며 기 존 그라파이트와 비교하여 성능에 거의 차이가 없 는 분리판을 제작하였다. 이러한 성능 차이의 원 인은 PC의 낮은 열전도도에 의한 안정상태에서의 높은 운전 온도에 기인한 것으로 추측된다. 그러 나 PC의 유연성에 의해 GDL의 가운데 부분을 잘 가압하지 못하여 높은 접촉 저항에 의한 전압 손 실이 일어나 두 원인의 상쇄작용에 의해 작은 성 능 차이만을 나타낸 것으로 판단되며 이러한 영향 은 임피던스 분석을 통해 확인할 수 있었다.
또한 12시간의 장기간 운전을 하였을 때 플러딩 에 의한 셀의 전압 강하가 일어나지 않는 점을 확 인하였으며 이 역시 PC 분리판의 높은 작동온도 에 의해 전기화학반응에 의해 생성된 물이 증발하 는 속도가 생성되는 속도보다 더 빨라 이와 같은 현상을 보인 것으로 판단된다.
본 결과를 바탕으로 향후 PC 분리판의 두께에 따른 평형 운전 온도의 최적점을 찾는 연구를 수 행할 계획이며, 높은 접촉저항을 예방할 수 있는 최적설계를 도입한 PC 분리판을 제작할 계획이다.
또한 시간에 따른 온도와 성능의 변화를 측정하여 연관관계를 파악하는 것도 본 분리판의 작동 특성 에 대한 세부적인 분석을 위해 필수적으로 진행해 야 할 것이다.
후 기
본 연구는 중소기업청과 ㈜엑스에프씨의 지원 (0420-20110067)으로 수행되었습니다. 또한 서울 대학교 정밀기계설계공동연구소, BK21 프로그램 의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.
참고문헌
(1) O'hayre, R., Cha, S. W., Colella, W. and Prinz, F. B., 2009, Fuel Cell Fundamentals, Wiley, New York.
(2) Larminie, J. and Dicks, Andrew., 2003, Fuel Cell Systems Explained, Wiley, New York.
(3) Tsuchiya, H. and Kobayashi, O., 2004, "Mass Production Cost of PEM Fuel Cell by Learning Curve," Int'l J. of Hydrogen Energy, Vol. 29, pp.
985~990.
(4) Borup, R., L. and Vanderborgh, N. E., 1995, "Design and Testing Criteria for Bipolar Plate Materials for PEM Fuel Cell Applications," MRS Spring Meeting, 393:151.
(5) Mehta, V., Cooper, J., S., 2003, "Review and Analysis of PEM Fuel Cell Design and Manufacturing," J. of Power Sources, Vol. 114, No. 1, pp. 32~53.
(6) Makkus, R., C., Janssen, A., H., H., de Brujin, F., A.
and Mallant, R., K., A., M., 2000, "Stainless Steel for Cost-competitive Bipolar Plates in PEMFCs," Fuel Cells Bulletin, Vol. 3, No. 17, pp. 5~9.
(7) Cooper, J. S., 2004, "Design Analysis of PEMFC Bipolar Plates Considering Stack Manufacturing and Environment Impact," J. of Power Sources, Vol. 129, No. 2, pp. 152~169.
(8) Davies, D., P., Adcock, P., L., Turpin, M. and Rowen, S., J., 2000, "Stainless Steel as a Bipolar Plate Material for Solid Polymer Fuel Cells," J. of Power Sources, Vol. 86, pp. 237~242.
(9) Wang, H., Sweikart, M., A. and Turner, J., A., 2003,
"Stainless Steel as Bipolar Plate Material for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells," J. of Power Sources, Vol. 115. pp. 243~251.
(10) Wang, H. and Turner, J., A., 2003, "Ferritic Stainless Steels as Bipolar Plate Material for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells," J. of Power Sources, Vol. 128, pp. 193~200.
(11) Wind, J., Spah, R., Kaiser, W. and Bohm, G., 2002,
"Metallic Bipolar Plates for PEM Fuel Cells," J. of Power Sources, Vol. 105, pp. 256~260.
(12) Lee, S., J., Huang, C., H., Lai, J., J. and Chen, Y., P., 2004, "Corrosion-resistant Component for PEM Fuel Cells," J. of Power Sources, Vol. 131, pp. 162~168.
(13) Los Alamos National Laboratory Home Page, http://www.ott.doe.gov/pdfs/contractor.pdf
(14) Kim, S., H., Cha, H., Y., Miesse, C., M., Jang, J., H., Oh, Y., S. and Cha, S., W., 2009, "Air-breathing Miniature Planar Stack Using the Flexible Printed Circuit Board as a Current Collector," Int'l J. of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 1. pp. 459~466.
(15) Li, X. and Sabir, I., 2005, "Review of Bipolar Plates in PEM Fuel Cells : Flow-field Designs," Int'l J. of
Hydrogen Energy, Vol. 30, pp. 359~371.
(16) Lee, W., K., Ho, C., H., Zee, J., W., V. and Murthy, M., 1999, "The Effects of Compression and Gas Diffusion Layers on the Performance of a PEM Fuel Cell," J. of Power Sources, Vol. 84, No. 1. pp. 45~51.
(17) Zhang, J., Tang, Y., Song, C., Zhang, J. and Wang, H., 2006, "PEM Fuel Cell Open Circuit Voltage (OCV) in the Temperature Range of 23℃ to 120℃," J. of Power Sources, Vol. 163, No. 1, pp. 532~537.
(18) Fabian, T., Posner, J., D., O'Hayre, R., Cha, S., W., Eaton, J., K., Prinz, F., B. and Santiago, J., G., 2006,
"The Role of Ambient Conditions on the Performance
of a Planar, Air-breathing Hydrogen PEM Fuel Cell,"
J. of Power Sources, Vol. 161, No. 1. pp. 168~182.
(19) Bussayajarn, N., Ming, H., Hoong, K., K., Stephen, W., Y., M. and Hwa, C., S., 2009, "Planar Air Breathing PEMFC with Self-humidifying MEA and Open Cathode Geometry Design for Portable Applications," Int'l J. of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 18. pp. 7761~7767.
(20) Ryan, J. T., 1978, “Impact and yield properties of polycarbonate as a function of strain rate, molecular weight, thermal history, and temperature,” Polymer Eng. & Sci, Vol. 18, No. 4, pp. 264~267.
