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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.