연료전지의 막과 분리판 간 열화 상호작용의 정량적 분석 = Quantitative Analysis of Degradation Interactions between the Membrane and Bipolar Plate in Fuel Cells

국문 초록 (Abstract)

고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)의 내구성은 전해질막과 분리판(Bipolar Plate, BPP) 간의 상호 열화(coupled degradation)에 의해 크게 영향을 받는다. 그러나 두 구성 요소 사이의 상호 작용 메커니즘은 아직 충분히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 이러한 상호 열화 거동을 정량적으로 규명하기 위해 다음의 네 가지 핵심 실험을 수행하였다.

(i) 막의 플루오르화 이온(F⁻) 용출을 평가하기 위한 in situ 개회로 전압(OCV) 유지 시험,
(ii) 금속 이온 용출 거동을 분석하기 위한 ex situ 분리판 부식 시험,
(iii) 금속 이온 존재 환경에서 막의 화학적 열화 정도를 측정하기 위한 ex situ Fenton 반응 시험,
(iv) 실제 연료전지 구동 환경을 모사한 in situ 분리판 부식 시험이다.

이들 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 열화도(Degradation Extent), 열화 속도 (Degradation Rate), 민감도(Degradation Sensitivity), 그리고 새롭게 제안한 상
호 영향 인자(Mutual Influence Relation Factor, MIRF) 등 네 가지 정량적 지표를 정의하여, 막과 분리판 간의 쌍방향 열화 상호작용을 체계적으로 평가하였다. 티타늄(Ti), 스테인리스강(SS316L), 그리고 흑연(Graphite) 분리판을 비교하여 재료 특성에 따른 열화 거동과 Nafion™ 211막의 안정성에 미치는 영향을 분석하였다. MIRF는 막과 분리판 간의 열화 영향의 상호 관계를 반영하는 새로운 정량적 평가 기준으로서, 연료전지 내 주요 구성 요소들의 상호 열화 경향을 평가할 수 있는 유용한 지표임을 확인하였다.

본 연구에서 제시한 정량적 평가 체계는 내구성이 우수한 재료 조합 선정을 가능하게 하며, 실제 운전 조건에서의 고분자 전해질막 연료전지 시스템 장기 신뢰성 향상을 위한 실질적 설계 지침을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The durability of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) is strongly affected by the coupled degradation of the membrane and bipolar plates (BPPs), yet their interactions remain poorly understood. Here, we systematically investigate these interactions using four experiments: (i) an in situ open-circuit voltage (OCV) holding test to evaluate membrane fluoride-ion release, (ii) an ex situ BPP corrosion test to assess metal-ion dissolution, (iii) an ex situ Fenton test to quantify membrane degradation induced by metal ions, and (iv) an in situ BPP corrosion test under realistic fuel cell operation. Based on these results, four degradation metrics—degradation extent, degradation rate, degradation sensitivity, and a newly proposed mutual influence relation factor (MIRF)—are defined to quantitatively evaluate bidirectional degradation between the membrane and BPPs. Titanium, stainless steel, and graphite plates are compared to reveal material-specific degradation behaviors and their impact on Nafion™ 211 stability. The MIRF serves as a new evaluation criterion reflecting the balance between membrane and BPP degradation risks.

This framework provides guidance for selecting durable material combinations and improving the long-term reliability of PEMFC systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 2
• 1.3. 연구 목적 3
• 2. 실험 재료 및 방법 5
• 2.1. MEA 제작 5
• 2.2. in situ 개회로전압(OCV) 유지 시험 6
• 2.3. ex situ 부식 시험 6
• 2.4. ex situ Fenton 반응 시험 6
• 2.5. in situ 부식 시험 7
• 2.6. 유도결합 플라즈마 질량 분석 8
• 3. 결과 및 분석 9
• 3.1. in situ OCV 유지 시험을 통한 막 열화 거동 분석 15
• 3.2. ex situ 부식 시험을 통한 분리판 열화 거동 분석 19
• 3.3. ex situ Fenton 반응을 통한 막 열화 분석 25
• 3.4. in situ 독립 분리판 부식 시험을 통한 열화 민감도 평가 35
• 3.5. 막-분리판 상호 열화 상관성의 정량적 평가 40
• 3.6. 분리판 재료별 열화 거동 및 상호 영향 해석 44
• 3.6.1. 티타늄(Ti) 분리판의 열화 거동 44
• 3.6.2. 스테인리스강(SS316L) 분리판의 열화 거동 44
• 3.6.3. 흑연(Graphite) 분리판의 열화 거동 45
• 3.7. MIRF 지표의 활용성과 의의 46
• 4. 결론 47
• 참고문헌 48
• Abstract 53