연료전지 PEMFC

목차

1. 연료 전지란?
1-1. 연료전지의 역사 2
1-2. 연료 전지의 동작원리 2


2. 고분자 전해질 막 연료 전지, PEMFC
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
2-1. PEMFC 란? 4
2-2. 고분자 전해질의 동작 5


3. 멤브레인 (고분자 전해질 막, Membrane)
3-1. 고분자 전해질 막의 요구조건 및 특성 6
3-2. 고분자 전해질 막의 개발 현황 6
3-3. 전해질 막의 제조법 7
3-3-1. 물관리 문제 8


4. 전해질/전극 접합체 (MEA) 제조
4-1. MEA 제작법 9
4-2. 직접 코팅에 의한 MEA 제작법 9
4-3. 전극 10


5. Graphite block (Bipolar plate)
5-1. 바이폴라 판의 특징 12
5-2. 바이폴라 판의 제조 12


6. 가스확산층 (Gas diffusion layer)
6-1. 가스확산층 특징 및 제조 14

7. 참고 자료
7-1. 참고 자료

본문내용

흐름의 채널을 좁게 하고 가스가 셀로 흐르는 것을 어렵게 한다. 이는 특히 공기극에 순수 산소 대신에 공기를 사용하는 경우에는 더욱 어렵다. 바이폴라 판의 기본 형태는 가스흐름을 위한 채널을 형성시킨 평판이다.
채널의 형태는 보통 간단한 직선 채널 보다도 복잡한 것이 사용되기도 한다. 가스는 한쪽에서 공급ㄷ뇌어 전극을 통하여 흐른 후 반대편 쪽으로 나가게 된다. 이러한 기본 형태가 연료전지 스택의 대부분을 차지 하게 된다. 스택 내부에 냉각 채널을 만드는 방법으로는 각각의 바이폴라판 반대편에 냉각채널을 가공하는 것이다. 각 판의 뒷면에는 냉각 채널을 가공하고 앞면에는 가스채널을 가공하는 것이 일반적이다. 이들 판을 서로 겹쳐서 완전한 바이폴라 판을 형성하게 된다.
이러한 방법으로 가공된 연료전지 스택은 높은 전류밀도에서도 견딜 수 있다.
가스채널은 아주 정밀하게 가공되는데 이 가공은 거의 자동적으로 이루어 지지만 작업 속도가 느리고 고가의 장비를 사용하는 단점이 있다. 그러나 모든 경우에 판 형태로만 구성되지 않고 셀 연결제가 사용되기도 한다. 그럼에도 불구하고 어떠한 가공 공정으로 이루어 지든지 바이폴라 판의 가격은 연료전지 시스템의 가격에 큰 비중을 차지한다.
Pt 촉매의 사용량은 최근 급격히 적어져서 연료전지 전체 비용에서 차지하는 비중은 낮아졌다. 그러나 잘 알려진 바와 같이 PEMFC의 MEA는 매우 얇지만 바이폴라 판은 실제로 연료전지 스택 부피의 대부분을 차지하고 중량의 약80%를 차지한다.
5-2 바이폴라 판의 제조
- 바이폴라 판으로 사용되는 재료들은 크게 단소계 재료와 금속계 재료로 나눌 수 있다. 탄소계 재료로는 흑연, 복합흑연, 전도성 고분자, 다이아몬드계 탄소 와 유기자기조합단일층 등을 들수 있다. 금속계 재료로는 비활성 금속, 질화 금속, 탄화 금속 등이 있다.
바이폴라 판의 재료로는 흑연이 가장 많이 사용된다. 흑연은 전기 전도성이 좋고, 기계 가공이 비교적 용이하다. 그리고 금속보다도 비중이 적어서 바이폴라 판으로 적합하다. 그러나 흑연은 값이 비싸고 비교적 깨지기 쉽고 다음과 같은 단점이 있다.
① 흑연은 자동가공으로 가공하지만 가공 시간이 길고 비용이 많이 든다.
② 흑연은 깨지기 쉽고 가공된 셀의 취급과 스택 조합에 주의를 요한다.
③ 흑연은 기공을 가지고 있어서 함침 공정이 필요하고 반응가스의 분리를 위하여 수mm 두께를 유지하여야 한다. 그래서 재료의 밀도는 낮아 지지만 결과적으로 바이폴라 판의 중량이 무거워 지는 단점이 있다.
바이폴라 판을 제작하는 방법으로는 탄소-탄소 복합이 있다. 복합체 부분은 탄소와 흑연화 수지를 인젝션 몰딩으로 제작한다. 흑연화는 2500℃이상의 인도에서 실시한다. 몰딩 공정은 저가 이지만 소결 공정이 고가이다. 또한 공정을 정밀하게 제어 하여야 하며 그렇지 않으면 얻어진 판이 휘어지거나 크기가 달라진다. 소결 공정으로 통해서는 크기를 수mm 두께 이하로 만들 수 없다는 단점이 있다.
또 다른 저가의 공정 흑연화 수지의 인젝션 몰딩 방법이 있다. 그러나 이것은 전기전도도가 낮다는 단점이 있다. 그 외 방법으로는 압착 몰딩법이 있다. 재료의 유동성이 그렇게 크게 필요 없고 시트 재료를 짓눌러 성형하게 된다. 이 방법으로는 다량의 탄소를 고분자-탄소 혼합물에 사용할 수 있고 적절한 전도도를 얻을 수 있다. 냉각 채널과 같은 복잡한 형태를 한 판에 가공하기는 어렵지만 2개의 판을 사용함으로서 해결된다. 전면에는 반응가스 채널 그리고 후면에는 냉각채널을 가공하면 된다.
금속재료는 전기전도도가 높고 가공이 용이하고 치밀성이며 아주 얇은 판으로 가공할 수 있다는 단점이 있다. 그러나 밀도가 높고 부식된다는 단점이 있다. 금속재료들은 수소 분위기 하에서 금속수소화물을 형성함으로서 쉽게 파괴되는 경향이 있다. 부식성이 작은 Ta, Ti 등의 금속과 그리고 적당한 성질의 합금이 사용되기도 한다. 이들 금속의 표면은 산화되기 쉬워 전기전도도가 떨어질 우려가 있으므로 표면을 귀금속과 같은 비산화성 물질로 피복해야 되기 때문에 추가 비용이 소모 된다. 그리고 탄소 표면 처리된 금속판이 사용되는데 표면처리는 전도성과 접착성 및 부식저항성을 높이기 위해 필요하다.
<그림14. PEMFC의 셀스텍 구조>
6. 가스 확산층 (Gas diffusion layer)
6-1. 가스 확산층의 특징 및 제조
- 가스 확산층은 가스투과성과 도전성에 뛰어난 두께 100~300㎛ 정도의 카본페이퍼나 카본클로스 이다. 가스 확산층은 연료가 산화제 가스를 촉매층에 확산 시키는 역할 뿐만 아니라 생성된 물을 분리막 통로로 배출시키는 역할도 하고 있다.
그림은 카본 페이퍼로 된 가스 확산층 표면의 전자 현미경 사진이다. 가스 확산층은 지름이 5㎛ 정도의 카본 섬유와 발수성이 강한 폴리테트라플루오로에틸렌 (PETE)으로 구성되어 있다. 카본 섬유는 기공의 크기가 수십~수백㎛ 정도이며, PTFE는 이러한 카본섬유를 연결 하듯이 분포하고 있다.
<그림15. 가스확산층의 전자 현미경 사진>
7. 참고 자료
7-1 참고자료
⑴ 그림으로 보는 연료전지 교보문고 (혼마 타쿠야 감수, 이인숙 옮김) 2007. 6. 21
- 3. Membrane, 6. 가스확산층
⑵ 연료전지 시스템 도서출판 아진 (James Larminie Andrew Dicks 저, 박한웅 역) 2008. 11. 15
- 1. 연료 전지란?, 2. 고분자 전해질 막 연료 전지, PEMFC
⑶ 연료전지의 활용 전파과학사 (혼마 타쿠야 지음, 윤실, 정해상 옮김) 2007. 9. 10
- 3. Membrane, 2. 고분자 전해질 막 연료 전지, PEMFC
⑷ 수소 에너지 도서출판 아진 (21C 프론티어 수소에너지 기술개발 사업단) 2005. .2 17
- 3. Membrane, 4. 전해질 / 전극 접합체 (MEA) 제조
⑸ http://www3.hi.is/~hj/h-school08/LectureNotes/JensOlufJensen2.pdf
⑹ bk21.chonbuk.ac.kr/fly03/download.php?&bbs_id=femd_gongji&page=&type=2&doc_num=24

키워드

고분자 전해질 막,   고분자 전해질,   연료전지,   PEMFC,   수소이온 교환막 연료전지