고분자 전해질 연료전지(PEMFC, polymer electrolyte membrane fuel cell)는 수소이온특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 무공해 차량의 동력원, 가정용 발전, 우주선용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 부분에서 사용되어질 것으로 사료된다. 하지만 현재 높은 가격과 짧은 수명 등의 문제로 상용화에 이르지 못하고 있다. 고분자전해질 연료전지의 스택 가격을 부품별로 조사하여 보면 분리판이 전체 스택가격의 60% 정도가 가장 높은 비중을 차지하며 기체 확산층으로 사용되는 탄소재료가 12%,전해질이 10%, 촉매가 8% 정도를 차지한다. 촉매 또한 저가의 비귀금속 촉매를 개발하거나 백금 촉매의 성능을 향상시켜 촉매 사용량을 낮춤으로써 가격을 낮추기 위한 연구가 진행되어지고 있으며 전해질로 사용하는 고분자막도 가격이 매우 높은 Nafion 대신 저가 고분자를 개발하거나, 또는 가능한 얇은 전해질을 사용하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 하지만 아직까지는 뚜렷한 진척성과가 없는 것으로 알려져 있다. 그래서 본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지의 고분자 Membrane의 특성을 향상시키고 또한 박막의 배양성과 특성에 대해서 고찰해 보고자한다.
Six sigma methode was applied for optimization of flow field design of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The optimization between number of channel and channel/rib width was suggested in this paper with six sigma method. With the help of six sigma design of experiment (DOE) the number of experiments may be reduced dramatically. The fuel cell channel design optimization with results of these experiments with a 100 $cm^2$ serpentine flow field indicates a optimization data for a given constant operating conditions.
The bipolar plate is a major component of the PEM fuel cell stack, which takes a large portion of stack cost. In this study, as alternative materials for bipolar plate of PEM fuel cells, graphite composites were fabricated by compression molding. Graphite particles mixed with epoxy resin were used as the main substance to provide electric conductivity. To achieve desired electric properties, specimens made with different mixing ratio, processing pressure and temperature were tested. To increase mechanical strength, one or two layer of woven carbon fabric were added to the original graphite and resin composite. Thus, the composite material is consisted of the three phases: graphite particles, epoxy resin, and carbon fabric. By increasing mixing ratio, fabricated pressure and process temperature, electric conductivity was improved. The results of tensile test showed that the tensile strength of two-phase graphite composite was about 5MPa, and that of three-phase composite was increased to 54MPa.
The fuel cell is one of the promising environment-friendly energy sources for the next generation. The fuel cell provides good energy efficiency above 40% without pollution or noise. Different fuel cell types are usually distinguished by the kind of electrolyte. Among these, the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has advantages of high power density. low operating temperature, relatively quick start-up, and rapid response to varying loads. The bipolar plate is a major component of the PEM fuel cell stack, and it takes a large portion of stack volume, weight and cost. In this study, as alternative materials for bipolar plate of PEM fuel cells, graphite composites were fabricated by compression molding and by machining. Graphite particles mixed with epoxy resin were used as the main substance to provide electric conductivity. Flow channels were fabricated by compression molding with design of experiments (DOE) to evaluate moldability. The cost for compression molding of graphite-composite bipolar plate was compared with machining cost to make the same bipolar plate.
Currently, the bipolar plates are fabricated mainly from graphite materials. However, metal bipolar plate are getting most attractive due to their good feasibility of mass production and low cost. In this study, metal bipolar plates for fuel cell Vehicles were developed with a concept based on the straight flow patterns to minimize the pressure drop and spring back. And molded gasket apply to the bipolar plate for improve sealing performance. Results show that the metal bipolar plate have a high potential to replace for graphite materials in fuel cell application.
본 연구에서는 독일 율리히 연구소에서 도입된 면적 200mm*200mm의 연료극 지지체 평판형 SOFC 셀 및 금속 분리판 40장을 적층하여 5kW급 SOFC 스택을 제작하고 연속운전을 수행하여 운전특성을 분석했다. 본 연구를 통해 도입된 5kW급 SOFC 스택은 외국에서 시도된 적이 없는 평판형 SOFC스택의 가압운전을 시도해 보는 것으로서, 스택의 임계압력 특성을 확인하고, 이를 바탕으로 가스터빈-연료전지 하이브리드 시스템에서의 SOFC 스택 가압 운전기술을 확보하는 것이다 이러한 목적을 위해 본 연구에서는 상압형 5kW급 SOFC 스택 운전시스템에 대한 구성과 설계, 전반적인 운전 특성평가 (40셀 스택 운전 열 사이클 시험 연료 전환 $(H_2{\rightarrow}pre-reformed\;gas)$, 1200시간 연속운전 등)가 이뤄졌다.
Various studies about metallic bipolar plates have been conducted to improve fuel cell performance through flow field design optimization. These research works have been mainly focused on fuel cells for vehicle, but not fuel cells for building. In order to reduce the price and volume of fuel cell stacks for building, it is necessary to apply a metallic flow field, In this study, for a metallic flow field applied to a fuel cell for building, the effect of a change in the flow field shape on the performance of a polymer electrolyte membrane fuel cell was confirmed using a model and experiments with a down-sizing single cell. As a result, the flow field using a metal foam outperforms the channel type flow field because it has higher internal differential pressure and higher reactants velocity in gas diffusion layer, resulting in higher water removal and higher oxygen concentration in the catalyst layer than the channel type flow field. This study is expected to contribute to providing basic data for selecting the optimal flow field for the full stack of polymer electrolyte membrane fuel cells for buildings.
이 연구에서는 고분자 전해질 막 연료전지의 분리판 용 고분자/흑연 복합소재의 혼합 특성 및 점도 측정 방법에 관하여 연구하였다. 분리판은 전도성이 있어야 하기 때문에 흑연의 함량이 매우 높고 이 때문에 제조된 복합재료의 점도가 높아 점도 측정이 어려운 문제가 있다. 일반적으로 캐필러리 레오메터에서 사용되는 다이로 점도를 측정한 결과 압력이 시간에 따라서 계속 변하고 정상상태의 값을 보이지 않아서 점도 측정이 불가능 했다. 다이의 디자인을 변경하여 측정하면 압력이 정상상태를 보이는 것을 관찰할 수 있었으나, 흑연과 PET를 단순 용융 혼합하여 점도를 측정하는 경우에는 측정된 점도 값이 재현성이 없는 결과를 나타냈다. 여러 차례의 시행 오차 끝에 흑연과 PET를 작은 입자로 분쇄한 후 용융 혼합하면 재현성 있는 점도를 측정할 수 있고, 제조된 복합재료의 전기전도도 값도 재현성 있는 결과를 보임을 관찰하였다.
본 연구는 연료전지 공기극에서 리브의 높이를 변화시켰을 때, 이에 따른 응답성과 성능의 변화를 평가하였다. 전류 밀도의 순간적인 변화에 따른 과도 상태의 전압 신호를 분석하기 위해 당량비와 상대습도가 일정한 상태에서 연료전지의 주 작동 전압 구간인 0.5V~0.7V의 범위에서 전류 밀도를 $0.8A/cm^2$에서 $1.0A/cm^2$으로 변화를 주어 응답성을 분석하였고, 체결압력을 1.5MPa, 2.0Mpa로 다르게 했을 경우 언더슈트의 정도를 확인하였다. $100{\mu}m$의 리브 높이를 변화시킨 채널의 경우, 1.5MPa의 체결압에서 기존의 경우에 비해 빠르게 안정적인 상태에 도달했으며 최대 언더슈트 전압값이 낮게 측정되었다. 하지만 성능은 접촉 저항의 증가로 인해 기존의 분리판에 비해 낮은 값을 나타냈다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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