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초경량 PEMFC를 위한 폴리머 분리판 제작과 집전층 두께 최적화
장계은(G. E. Jang),이영조(Y. J. Lee),김준수(J. S. Kim),김준형(J. H. Kim),송동근(D. K. Song),유호준(H. J. Yoo),김양재(Y. J. Kim),차석원(S. W. Cha),배성재(S. J. Bai),조구영(G. Y. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기화학 반응을 거쳐 바로 전기에너지로 변환할 수 있기 때문에 차세대 에너지 소자로 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs)는 100℃ 이하의 낮은 작동온도와 높은 에너지 밀도로 자동차를 비롯한 수송수단의 동력원으로 상용화 되었고, 이동형 전원으로도 많은 연구가 진행되고 있다. PEMFC 의 단위 셀은 전해질인 Nafion 에 연료극, 공기극, 촉매로 이루어진 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)와 2 개의 분리판(Bipolar Plates, BP)으로 구성되어 있다. 일반적으로 사용되는 PEMFC 는 금속 분리판을 활용하지만, 금속 분리판의 무게는 이동형 전원으로 활용하는데 적합하지 않는다. 따라서 가볍고 전도성이 우수한 분리판에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 이동형 전원으로 사용하기 위한 초경량 PEMFCs 용 폴리머 분리판을 3D 프린터를 이용하여 제작하였다. 폴리머 분리판의 전도성 확보를 위해 스퍼터 공정을 활용하여 금속 집전층(Current Collection Layer)을 제작하였다. 스퍼터 시간에 따라 집전층의 두께를 조절하였다. 제작한 분리판과 상용 MEA 를 이용하여 PEMFC 단위 셀을 구성하였고 금속 집전층의 두께에 따른 전기화학적 특성을 평가하였다. 제작된 초경량 PEMFC의 전류밀도-전압 곡선과 Electrochemical Impedance Spectroscopy를 측정하여 금속 집전층의 두께에 따른 연료전지의 저항손실을 평가하였다. 집전층 두께에 따른 연료전지의 전기화학적 특성을 고려하여 금속 집전층의 두께 최적화를 수행하였다.
Wearable 전자기기 전원을 위한 NaCl 이 포함된 가습 조건에서의 PEMFC 성능 평가
유호준(H. J. Yoo),장계은(G. Jang),이영조(E. J. Lee),송동근(D. K. Song),김준형(J. H. Kim),김준수(J. S. Kim),임성한(S. H. Rhim),조구영(G. Y. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
화석연료의 과도한 사용으로 인한 대기오염과 지구온난화의 가속화에 따라 새로운 대체 에너지원의 필요성이 대두되고 있다. 이를 해결하기 위한 차세대 동력 장치로 떠오르는 연료전지(Fuel Cell)는 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 전기화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 이러한 이유로 연료전지는 내연기관과 비교하여 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 단계가 간소하여 친환경, 저소음 그리고 고효율의 장점을 가지고 있다. 그 중에서도 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 낮은 작동온도와 높은 에너지 밀도로 인해 자동차, Wearable 기기, 휴대용 전자기기, 드론 등 다양한 분야에 쓰이고 있으며, 선박분야에서의 적용 또한 주목되고 있다. 하지만, 해양 환경에서의 운전은 NaCl 을 포함한 불순물의 영향으로 Cell 에 오염을 발생시키고, 이는 곧 연료전지의 성능 저하로 나타난다. NaCl 은 일반적으로 Cathode 측 기체 흐름을 타고 Cell 에 침투하게 되고, NaCl 으로부터 나온 Cl<SUP>-</SUP>이온이 Pt 촉매의 유효 표면적 즉, 삼상계면을 감소시켜 연료전지 성능 저하를 발생시켰을 것이라 보고된다. Gas 가습을 위해 흔히 쓰이는 Bubbler 는 구조가 간단하고, 가격이 저렴하며, PEMFC 에서 요구하는 Gas 의 습도 조건을 충분히 충족시킬 수 있어 널리 활용되고 있다. 또한 Bubbling 과정에서 발생하는 비말을 통해 NaCl 을 PEMFC 의 Cathode 에 공급할 수 있다. 본 연구에서는 NaCl 이 융해되어 있는 Deionized Water 를 이용하여 Air 를 가습하여 PEMFC 의 성능에 미치는 영향을 확인하였다. 본 연구 결과는 선박에서의 PEMFC 활용뿐만 아니라, 해안 지역과 도로에서 운행되는 자동차에서의 PEMFC 활용, Wearable 및 휴대용 전자기기 전원으로서 다양한 환경에서의 활용에 대한 시사점을 제공할 것으로 기대된다.
저온 고체 산화물 연료전지의 양극 산화물 알루미늄 기판 Wet Etching 영향성 평가
이영조(Y. J. Lee),장계은(G. E. Jang),김준수(J. S. Kim),김준형(J. H. Kim),송동근(D. K. Song),유호준(H. J. Yoo),조구영(G. Y. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
최근 화석에너지의 매장량 한계, 탄소배출량의 증가에 따른 대기오염등의 문제로 인해 화석에너지의 사용량을 줄이는 추세이다. 따라서 이를 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이중 연료전지는 연료와 공기의 전기화학적 반응을 통해 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환해주는 장치로 차세대 에너지 변환 장치로 기대되고 있다. 연료전지는 공해물질 배출이 없고 높은 에너지 효율을 가지고 있다. 다양한 연료전지들 중에서 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)는 귀금속 촉매를 필요로 하지 않고 높은 작동온도를 가지기 때문에 연료의 선택이 자유로우며 다양한 연료전지들 중에서 발전 효율이 가장 높다는 장점을 가지고 있다. 하지만 SOFC 의 높은 작동온도로 인해 높은 열내구성을 가진 재료를 사용해야 된다는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다. SOFC 의 종류 중 하나인 Low Temperature Solid Oxide Fuel Cell (LT-SOFC)는 일반적으로 Anodized Aluminium Oxide Template (AAO) 기판 위에 Physical Vapor Deposition (PVD) 공정 중 하나인 Sputtering 을 통해 Anode-electrolyte-cathode 를 증착하여 제작한다. 본 연구에서는 80 nm 의 기공을 가진 AAO 기 판을 H₃PO₄ 용액을 이용하여 Wet Etching 을 진행하였다. H₃PO₄ Wet Etching 이 LT-SOFC 의 성능에 미치는 영향을 평가하였다.