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제출문
요약문
Summary
표목차
그림목차
칼라
목차
제1장 서론 26
제1절 연구내용 및 범위 26
제2절 고분자전해질형 연료전지의 기술적 특성 28
제3절 지금까지의 연구동향 33
제2장 운전조건에 따른 단전지 성능시험 37
제1절 연구 배경 37
제2절 실험방법 39
1. 전극／고분자막의 접합체 제조 39
2. 실험 장치 42
제3절 결과 및 고찰 43
1. 단위전지 운전조건 및 전극／고분자 접합체 재료에 따른 전지성능의 영향 44
2. 온도 압력에 따른 전지 성능의 영향 46
제4절 결론 48
참고문헌 50
제3장 고분자막／전극 접합체 제조 조건에 따른 전지성능 60
제1절 Nafion 함침량에 따른 전지 성능 60
1. 연구의 배경 60
2. 실험 62
가. 고분자막 및 전극준비 62
나. 고분자막／전극 어셈블리 제조 63
다. 교류 임피던스법에 의한 저항측정 64
3. 실험결과 및 고찰 64
가. Nafion 함량의 영향 65
나. 교류 임피던스법에 의한 저항측정 66
다. 촉매 활성 표면적의 평가 68
라. 전지 운전 조건에 대한 영향 70
4. 결론 71
참고문헌 73
제2절 Hot pressing 조건에 따른 전지 성능 74
1. 연구의 배경 74
2. 실험 74
가. 실험 재료 및 방법 74
나. 열무게 분석에 의한 수화 관찰 75
다. 교류 임피던스법에 의한 저항측정 76
3. 실험결과 및 고찰 76
가. Hot pressing 온도의 영향 76
나. 열무게 분석에 의한 수화관찰 78
다. Hot pressing 압력의 영향 78
라. 교류임피던스에 의한 저항측정 80
마. 고분자 막 두께에 대한 영향 81
4. 결론 82
참고문헌 83
제4장 고분자 전해질형 연료전지 스택개발 101
제1절 연구의 배경 101
제2절 스택 설계를 위한 예비실험 103
1. 스택 실험을 위한 전극／고분자막 준비 및 전극면적 103
2. 가스 유로 설정 104
3. 가스 sealing 104
제3절 고분자 전해질형 연료전지 스택 설계 105
1. 고분자 전해질형 연료전지 스택 제작을 위한 가스켓이 없는 양극판 제조 105
가. 발명의 배경 105
나. 발명의 설명 109
다. 양극판의 상세한 설명 111
제4절 스택 성능 실험 113
1. 실험 장치 113
2. 반응 유효면적 50㎠인 스택의 실험 결과 및 고찰 114
가. Tri-cell stack 성능실험 115
나. 5-cell stack 성능실험 116
(1) 온도, 압력 및 단위전지간 성능 116
(2) 최대출력 및 장시간 실험 117
3. 반응 유효면적 200㎠인 스택의 실험 결과 및 고찰 118
제5절 결론 119
참고문헌 121
제5장 KW급 고분자 전해질형 연료전지 스택 개발 140
제1절 스택 설계개념 140
제2절 KW급 고분자 전해질형 연료전지 스택 제작 141
제3절 스택의 성능 실험 142
제4절 고분자 전해질형 연료전지 상업화 144
제5절 결론 145
부록 162
A. 오-링이 형성된 고분자전해질형 연료전지 스택 특허명세서 162
B. 포항공과대학 위탁연구 보고서 186
요약문 188
SUMMARY 189
목차 192
1장 백금 합금 전극 개발 194
제1절 서론 194
1-1. SPEFC의 개발 및 발전 194
1-2. SPEFC 기술 현황 196
가. SPE membrane 196
나. 전극 촉매 197
1-3. 백금 합금 전극 197
제2절 전극의 제조 199
2-1. 백금 합금 촉매(PtM Catalyst)의 제조 199
2-2. 기체확산층 제조와 전극의 활성화 200
2-3. 전극-전해질막 어셈블리의 제조 200
제3절 단위전지 실험 203
3-1. 단위전지 제작 203
3-2. 전극에 함유된 테프론 양에 따른 전극의 성능 204
3-3. 전극에 첨가된 Nafion 용액의 함량에 따른 전극 성능 변화 206
3-4. 백금-합금 전극에서의 전지성능 실험 208
제4절 XRD characterization 214
4-1. XRD 회절 실험 214
제5절 결론 223
표 1.1. 연구의 내용 및 범위 28
표 3.1. M & E Assembly 제조방법 64
표 3.2. 함침된 nafion양에 따른 Tafel slope 결과 66
표 3.3. 0.9V에서 전극에 함침된 nafion양에 따른 임피던스 data 68
표 3.4. Nafion 함침 효과를 보여주는 임피던스 data 69
표 3.5. 운전 조건에 따른 전류밀도 비교 71
표 3.6. M & E Assembly 제조방법 75
표 3.7. 여러 가지 고온가압 조건에 따라 만들어진 고분자 막의 TGA 결과 79
표 3.8. 여러 가지 방법으로 만든 M&E assembly들의 전류밀도 비교 (운전조건 : 70℃, 14.7psig). 80
표 3.9. 0.9V에서 가압조건에 따른 임피던스 data 비교 81
표 4.1. 전극크기가 50㎠ 인 고분자 전해질형 연료전지 multi-cell stack의 성능. 122
표 5.1. 본 연구에서 개발된 스택(KGPF-3)의 사양 및 스택제작 재료 141
그림 2.1. 고분자 전해질형 단위 전지 개략도. 51
그림 2.2. 고분자 전해질형 연료전지 실험 장치. 52
그림 2.3. 고분자 전해질형 연료전지 실험 장치의 control subsystem 53
그림 2.4. 반응기체 온도에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 1 atm 54
그림 2.5. M&E assembly에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 실험압력 : 1, 실험온도 : 50 ℃ 55
그림 2.6. 단위전지의 온도에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 1 atm 56
그림 2.7. 단위전지의 온도에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 2 atm 57
그림 2.8. 단위전지의 온도에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 4 atm 58
그림 2.9. 단위전지의 작동 압력에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험온도 : 70 ℃ 59
그림 3.1. 전형적인 전지전위와 전류밀도와의 관계. 85
그림 3.2. 고분자막／전극 어셈블리 제조 공정. 86
그림 3.3. 함침된 나피온양에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 14.7psig, 실험온도 : 70 ℃ 87
그림 3.4. 함침된 Nafion양에 따른 Tafel 기울기. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 14.7 psig, 실험온도 : 70 ℃ 88
그림 3.5. 함침된 Nafion양에 따른 Bode plot. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nation 115, 실험압력 : 14.7 psig, 실험온도 : 70 ℃ 89
그림 3.6. 함침된 Nafion양에 따른 complex impedance. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 14.7 psig, 실험온도 : 70 ℃ 90
그림 3.7. 활성화 영역에서의 일반적인 전기회로 91
그림 3.8. 작동온도에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 24.9 psig, M&E assembly 제조조건 : 145 ℃, 1 metric ton 에서 3분 동안 hot pressing 92
그림 3.9. 작동압력에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험온도 : 70 ℃, M&E assembly 제조조건 : 145 ℃, 1 metric ton 에서 3분 동안 hot pressing 93
그림 3.10. Nafion cluster의 구조. (a) hydrated (b) dehydrated 94
그림 3.11. Hot pressing 온도에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 14.7 psig, 온도 : 70 ℃, 1 metric ton 에서 3분 동안 hot pressing 95
그림 3.12. 여러온도에서 hot pressing한 고분자막의 thermogravimetric analysis data. 96
그림 3.13. Hot pressing 압력에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험압력 : 14.7 psig, 온도 : 70 ℃, M&E assembly 제조조건 : 145 ℃, 1 metric ton 에서 3분동안 hot pressing 97
그림 3.14. Hot pressing 압력에 따른 0.9 V에서 Bode plot. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험조건은 그림 3.3과 동일 98
그림 3.15. Hot pressing 압력에 따른 0.9 V에서 impedance. 전극 : Globetech, 고분자 막 : Nafion 115, 실험조건은 그림 3.3과 동일 99
그림 3.16. 고분자 막의 두께에 따른 전위 대 전류밀도 효과. 전극 : Globetech, 실험압력 : 14.7 psig, 온도 : 70 ℃, M&E assembly, 제조조건 : 145 ℃, 1 metric ton 에서 3분동안 hot pressing 100
그림 4.1. 고분자 전해질형 연료전지 tri-cell성능에 대한 가스흐름의 효과. 전극 : Globetech, 실험압력 : 1 atm, 온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 123
그림 4.2. 고분자 전해질형 연료전지 tri-cell성능에 대한 가스켓 재질의 효과. 전극 : Globetech, 실험압력 : 1 atm, 온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 124
그림 4.3. 가스켓이 없는 고분자 전해질형 연료전지 스택 구조. 125
그림 4.4. 한쪽면에만 O-ring이 있는 bipolar plate. 126
그림 4.5. 양쪽면에 O-ring이 있는 bipolar plate. 127
그림 4.6. 고분자 전해질형 연료전지 tri-cell 성능에 대한 작동온도의 효과. 전극 : Globetech, 실험압력 : 1 atm. 유효반응면적 : 50 ㎠ 128
그림 4.7. 고분자 전해질형 연료전지 tri-cell 성능에 대한 작동압력의 효과. 전극 : Globetech, 실험온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 129
그림 4.8. 고분자 전해질형 연료전지 tri-cell의 각각의 전위 대 전류밀도. 전극 : Globetech, 실험압력 :1 atm, 온도 : 70 ℃. 유효반응면적 : 50 ㎠ 130
그림 4.9. 고분자 전해질형 연료전지 5-cell 성능에 대한 작동온도의 효과. 전극 : Globetech, 실험압력 : 1 atm, 유효반응면적 : 50 ㎠ 131
그림 4.10. 고분자 전해질형 연료전지 5-cell 성능에 대한 작동압력의 효과. 전극 : Globetech, 실험온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 132
그림 4.11. 고분자 전해질형 연료전지 5-cell의 각각의 전위 대 전류밀도. 전극 : Globetech, 실험압력 :1 atm, 온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 133
그림 4.12. 고분자 전해질형 연료전지 5-cell의 각각의 전위 대 전류밀도 분포. 전극 : Globetech, 실험압력 1 atm, 온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 134
그림 4.13. 고분자 전해질형 연료전지 5-cell의 각각의 전위 대 전류밀도. 전극 : Globetech, 실험압력 : 상압, 온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 135
그림 4.14. 고분자 전해질형 연료전지 5-cell의 스택 power 대 전류. 전극 : Globetech, 실험온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 136
그림 4.15. 고분자 전해질형 연료전지 5-cell의 장기운전 실험. 전극 : Globetech, 실험압력 : 1 atm, 온도 : 70 ℃, 유효반응면적 : 50 ㎠ 137
그림 4.16. 5-cell 스택에서 cell간 성능. 전극 : Globetech, 실험압력 : 상압, 온도 : 60 ℃, 유효반응면적 : 200 ㎠ 138
그림 4.17. 고분자 전해질형 연료전지 4-cell의 장기운전 실험. 전극 : Globetech, 실험압력 : 상압, 온도 : 70 ℃, 유효반응면적＝200 ㎠. 139
그림 5.1. 30-cell 고분자 전해질형 연료전지 스택(KGPF-3)의 사진 (용량 1.5KW, 유효반응면적 : 289 ㎠) 146
그림 5.2. 고분자 전해질형 연료전지 스택 및 실험장치 사진. 147
그림 5.3. Multi-cell 스택의 신뢰성 실험, 작동온도 60℃, 작동압력 1 bar, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 148
그림 5.4. 10-cell 스택의 전위 및 각 단위 cell 전위 대 전류밀도 작동온도 60℃, 작동압력 대기압, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 149
그림 5.5. 10-cell 스택의 전위 대 power 대 전류밀도. 작동온도 60℃, 작동압력 3 bar, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 150
그림 5.6. 20-cell 스택의 전위 및 각 cell간 전위 대 전류밀도. 작동온도 60℃, 작동압력 3 bar, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 151
그림 5.7. 20-cell 스택의 전류밀도에 따른 각 cell간의 전위분포. 작동온도 60℃, 작동압력 1 bar, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 152
그림 5.8. 20-cell 스택의 전위 및 각 cell간 전위 대 전류밀도. 작동온도 80℃, 작동압력 1 bar, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 153
그림 5.9. 20-cell 스택의 전류밀도에 따른 각 cell간의 전위분포. 작동온도 80℃, 작동압력 1 bar, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 154
그림 5.10. 20-cell 스택의 전류밀도에 따른 각 cell간의 전위분포. 작동온도 80℃, 작동압력 3 bar, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 155
그림 5.11. 20-cell 스택의 작동압력에 따른 평균 전위 및 power 대 전류밀도 작동온도 60℃, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 156
그림 5.12. 20-cell 스택의 작동압력에 따른 평균 전위 및 power 대 전류밀도 작동온도 80℃, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 157
그림 5.13. 20-cell 스택의 각 온도 및 압력에 따른 power 대 전류밀도 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 158
그림 5.14. 30-cell 스택의 평균 전위 및 power 대 전류밀도 작동온도 60℃, 작동압력 1 bar, 유효반응면적 : 289 ㎠, Nafion 115 membrane, E-TEK 전극 159
그림 5.15. 연료전지 test station 사진 160
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원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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