금속/플라스틱 경량 분리판을 이용한 직접메탄올 연료전지 스택의 제작과 성능특성에 관한 연구 = A study on fabrication and performance characteristics of direct methanol fuel cell(DMFC) stacks using metal/plastic lightweight bipolar plates

국문 초록 (Abstract)

직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 시스템 기술개발에는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 성능 향상과 가격 저감, 스택과 시스템의 경량화와 성능 안정화 기술 등이 필요하다. 요소기술로는 스택(Stack)에 필요한 기본 구성품인 MEA, 촉매, 전해질 막, 분리판(Bipolar Plate, BP) 제조기술 등이 있으며, 주변 기술로는 시스템 구성에 필요한 구성품(Balance of Plants, BOP), 시스템 운전제어 기술이 있다.
DMFC 시스템의 구성과 경량화를 위해서는 핵심 구성품인 스택의 경량화와 소형화 기술이 중요하다. 특히 경량 스택을 설계하기 위해서는 경량 소재를 적용한 스택의 설계기술과 제작기술이 필요하다. BP는 DMFC의 요소부품으로서 단위전지 사이의 연료와 공기의 혼합을 방지하고 전기적인 회로를 연결하는 역할을 하며 반응 생성물과 잔류물의 제거통로, 전류 집전체(Current Collector)의 기능을 한다. 스택을 주로 많이 사용되는 흑연계 BP는 스택 중량의 약 55% 이상을 차지하며 기계적 강도와 중량 특성에 한계가 있어 스택의 기계적 물성 향상과 경량화에 문제가 되어왔다. 따라서 DMFC의 출력 밀도(Power Density, W/L), 비 출력(Specific Power, W/kg) 및 가격($/kW) 관점에서 가능한 한 저가의 소재 및 경량화가 이루어져야 하는 핵심 부품이다. 이러한 DMFC용 BP는 높은 전기 전도도, 전기화학적 부식 저항성, 화학적 안전성, 가스 기밀성, 기계적 강도 및 가공성 등의 요구 조건이 필요하다.
BP 재료로 흑연, 고분자 복합체인 흑연 복합체와 스테인리스 스틸 등의 금속 재료 등이 주로 사용되고 있다. 흑연 복합체는 저밀도이며 화학적 안정성이 우수하지만, 기계적 특성과 전기 전도성이 낮은 단점이 있다. 스테인리스 스틸(Stainless Steel, STS) 소재와 같은 금속 재료는 기계적 가공성, 가격, 기계적 강도, 전기 전도성은 우수하지만, DMFC의 작동 시 부식성 환경에서의 금속 부식에 의한 고분자 전해질 막의 오염 및 BP 표면에 비저항이 높은 산화막을 형성함으로써 DMFC의 전체적인 효율을 저하하는 문제점이 있다. 따라서 스택의 경량화 및 소형화에 적용하기 위하여, 스택의 내구성 저하를 최소화시킨 경량 BP 설계 및 제작이 필수적으로 이루어져야 한다.
본 연구에서는 경량 스택 설계를 위하여 경량 소재 개발 및 제작기술을 개발하고자 하였다. DMFC의 핵심 구성 품에 해당하는 스택의 경량화와 기계적 안정성을 향상하기 위하여 기존의 흑연 BP 대신에 0.075 혹은 0.1 mm 두께의 금속 박판(STS-470FC)과 폴리프로필렌 (Polypropylene, PP) 소재 BP로 구성된 금속/플라스틱(PP) BP를 사용하는 스택을 설계하였다. 또한, 기존의 카본 BP와 금속/플라스틱(PP) BP를 사용하여 각각 소면적과 대면적 BP를 제작하고 이를 사용하여 각각 25 W와 500 W급 스택을 구성하고 DMFC의 작동 및 성능특성 개선에 관한 연구를 병행하였다. 스택의 경량화와 출력 특성을 평가하기 위하여 금속/플라스틱(PP) BP 적용 단위전지의 제작 및 성능평가, 그리고 소형 및 대형 스택의 성능평가 및 장기 운전 평가를 수행하였다.
경량화와 기계적 안정성 향상이 가능한 금속/플라스틱(PP) BP는 소면적 BP(전극 활성 면적: 13.7 cm2, 3.6×3.8 cm2)과 대면적 BP (전극 활성 면적: 110 cm2, 8.8×12.5 cm2)의 2가지로 제작하였다. 개발한 경량 소면적 BP를 사용하여 25 W급 스택 그리고 대면적 BP를 사용하여 500 W급 스택을 설계하고 제작하여 스택의 출력성능 평가 및 특성 분석을 실시하고 기존 카본 BP 스택과 출력 및 중량/부피 등을 비교 분석하였다.
본 연구에서 사용한 소면적 금속/플라스틱(PP) BP의 중량은 3.69 g으로 두께 2 mm 카본 BP의 중량을 100%로 기준으로 정하면 카본 BP의 61.9% 중량을 가졌다. 또한, 스택의 정격 출력은 설계에서 각각 예측한 25 W/500 W 이상의 정격 출력을 보였다. 스택을 장기 운전하는 동안에 연료 이용률은 30분 단위로 메탄올 원액의 소비량을 측정하여 2시간 동안 소비되는 메탄올양은 627.3 g이었으며(시간당 메탄올 소비량은 313.65 g), 연료 이용율은 75.7%였다. 따라서 스택의 감량무게(40%), 25 W/500 W 이상의 정격 출력을 얻었다. 이를 통하여 박판형 경량 소재 및 가공기술을 적용한 경량 DMFC 스택 제작용 금속/플라스틱(PP) BP을 설계 제작하여 경량 DMFC 스택 제작을 위한 최적 형상을 제시하였다.
최종적으로 제작된 금속/플라스틱(PP) BP는 카본 BP보다 중량이 약 35% 감소하였으며, 소면적 금속/플라스틱(PP) BP 사용 34셀 스택은 최대 출력밀도 69.9 mW/cm2와 정격출력 61.6 mW/cm2 이었고, 대면적 금속/플라스틱(PP) BP 사용 70셀 스택 최대출력밀도 70.5 mW/cm2와 정격출력 밀도 68.9 mW/cm2을 달성하였다. 이들을 적용한 경량 스택의 제작 가능성을 확인하였다. 그리고 대면적 카본 BP와 금속/플라스틱 BP를 사용한 70셀 스택은 BP의 크기는 동일하지만 스택의 중량이 각각 5.17 kg과 3.26 kg이었으며, 금속/플라스틱(PP) BP 사용 스택이 카본 BP 사용 스택보다 37% 정도 경량화가 되었다. 또한 금속/플라스틱(PP) BP 사용한 스택의 출력특성은 166.7 W/kg의 최고출력과 162.8 W/kg의 정격출력을 보였으며, 카본 BP를 사용한 스택(최고 출력 106.3 W/kg과 정격출력 87.0 W/kg) 보다 높은 값을 달성하였다.
이러한 결과로부터 기존 카본 BP의 기존 단점을 극복하고자 개발한 새로운 디자인의 금속/플라스틱 경량 분리판을 스택에 적용하여 스택의 성능평가를 진행한 결과 스택의 경량화와 함께 DMFC용 BP로 적용 가능하다는 것을 검증할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 목 차 ⅰ
• List of Figures ⅳ
• List of Tables ⅸ
• 요약문 ⅺ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 내용 4
• 1.3 연구 목적 5
• Ⅱ. 이론적 고찰 7
• 2.1 개 요 7
• 2.1.1 직접메탄올 연료전지 원리 7
• 2.1.2 직접메탄올 연료전지 구조와 시스템 10
• 2.1.2.1 직접메탄올 연료전지 구조 10
• 2.1.2.2 시스템 구성 및 운전 13
• 2.1.3 직접메탄올 연료전지 스택의 요소기술 19
• 2.1.3.1 막전극 접합체(MEA) 19
• 2.1.3.2 분리판 24
• 2.1.3.3 전류 집전체 24
• 2.1.3.4 앤드 플레이트 24
• 2.1.3.5 개스킷 24
• 2.1.4 연료전지 성능 25
• 2.1.4.1 연료전지의 분극곡선과 전압손실 25
• 2.1.4.2 연료전지 연료 이용률 28
• 2.2 분리판 31
• 2.2.1 분리판 기능 및 요구사항 32
• 2.2.2 분리판 재료 38
• 2.2.2.1 흑연 분리판 42
• 2.2.2.2 금속 분리판 45
• 2.2.2.3 탄소 복합재료 분리판 46
• 2.2.3 분리판 기술동향 47
• 2.2.3.1 해외업체 동향 47
• 2.2.3.2 국내업체 동향 48
• Ⅲ. 실험 방법 51
• 3.1 스택 구성 부품의 제작 51
• 3.1.1 Nafion막의 전 처리, 전극 슬러리 및 MEA 제조 51
• 3.1.1.1 Nafion막의 전 처리 51
• 3.1.1.2 전극 슬러리와 MEA 제조 51
• 3.1.2 금속/플라스틱 분리판 설계와 제작 57
• 3.1.2.1 소면적 및 대면적 분리판 57
• 3.1.3 스택 제작 및 성능평가 60
• 3.1.3.1 소면적 스택 제작 60
• 3.1.3.2 대면적 스택 제작 61
• 3.2 스택 성능 평가 시스템 63
• 3.2.1 성능 평가 시스템 구성 63
• 3.2.2 스택 저온 운전 특성 시험 67
• Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 69
• 4.1 소면적 스택 성능평가 결과 및 분석 69
• 4.1.1 금속 분리판 사용 13셀 소형 스택 시험 69
• 4.1.2 소면적 금속/플라스틱 분리판 80
• 4.1.3 금속/플라스틱 분리판 사용 34셀 스택 시험 86
• 4.1.4 금속/플라스틱 분리판 사용 34셀 스택의 저온 온도 특성
• 특성 시험 115
• 4.2 대면적 스택 성능평가 결과 및 분석 121
• 4.2.1 카본 분리판 대면적 스택 121
• 4.2.2 금속/플라스틱 분리판 대면적 스택 129
• 4.2.3 분리판 사용 70셀 스택의 연료 이용률 149
• Ⅴ. 결 론 151
• 참고문헌 155
• 영문초록 167

참고문헌 (Reference)

1 김경자, 장정호, 이상천, "“연료전지 분리판 최적 체결을 위한 평가 시스템 개발”", 중소기업청, 요업(세라믹)기술원, 2011