HOME > 진행중인 연구내용 > 연료전지용 금속 분리판 설계 및 성형기술
 
 
 
 
 
 
   
1970년대의 오일쇼크 이후 세계적으로 에너지 효율화 및 절약이 추진되어 왔지만, 소비는 일관되게 증가하고 있어 에너지의 안정 확보는 세계 각국의 큰 과제로 대두되어 있다. IEA(국제에너지기구)에 의하면, 2020년의 세계 에너지 수급은 1997년 대비 57% 증가하게 되어, 1차 에너지에서 화석연료가 차지할 비율이 90%, CO2 배출량이 60% 증대할 것으로 전망되고 있는데, 지구의 채굴 가능 석유 매장량은 41년분인 338억 배럴인 것을 감안할 때, 향후 세계의 에너지 문제가 얼마나 심각한지를 짐작할 수 있다.

일본 정부는 경제 산업성을 중심으로 하여 고체 고분자형 연료 전지 실용화를 위하여 노력하고 있다. 션샤인 계획에 의하면 1992년부터 고체 고분자형 연료 전지에 관계하는 요소 기술과 시스템개발의 연구 개발이 실시되고 있다. 또한, 뉴선샤인 계획의 일환으로 재생가능 에너지를 이용하고 수소를 제조하여 광범한 분야에서 이용하는 국제에너지 네트워크 도입을 가능하게 하는 기술의 확립을 목표로 기술개발을 실시하고 있다. 특히 일본은 수송용과 가정용 연료전지의 기술개발 및 실증 프로그램을 동시에 추진하고 있다. 그림. 1은 수소·연료전지 관련 세계적 현황 및 내용을 도식하였다.
 
우리나라의 수소 및 연료전지 기술수준은 미국, 일본 등 선진국에 비해?매우 저조한 수준에 머물러 있으며, 원천기술이 전혀 없는 상태라 할 수 있다. 2010년 대체에너지 공급을 1차 에너지의 5%까지 확대하는 등 국가 에너지사용의 다변화 정책을 배경으로 태양광, 풍력과 함께 중점기술 개발 분야로 선정된 연료전지는 21세기 국가의 기술 경쟁력 제고와 함께 환경친화적 산업 육성 차원에서 볼 때에도 연료전지의 기술격차를 극복하고 향후 연료전지 분야에서 세계시장 주도권을 확보하기 위해서는 기술적 측면에서 원천기술의 개발이 매우 시급한 상황이라고 할 수 있다. 특히 기술 상용화 시점을 앞당기기 위한 연구개발이 더욱 필요한 실정이다.

그림. 2는 2007년까지의 우리 정부의 수소 및 연료전지 R&D의 예산을 나타내고 있는데, 올해 2009년 정부가 선정한 17개 신성장동력산업 중 녹색기술산업 분야의 신·재생에너지 산업은 수소 및 연료전지를 그 주요내용으로 하고 있으며 올해는 1973억원을 신·재생에너지 산업의 R&D에 투자할 계획으로 그 투자액은 매년 증가 추세에 있다.
 
분리판의 기능을 살펴보면, 그림 3 에서 보는 바와 같이 한쪽 면에는 애노드 가스 채녈(Anode Gas Channel)이, 다른 쪽 면에는 캐소드 채널(Gathode Gas Channel)이 새겨져 있는 전기 전도성 판이다. 분리판은 애노드에서 생성된 전자를 캐소드 쪽으로 전도해 주는 전류 컬렉터 역할을 하며, 전극막(Membrane Electrode Assemble, MEA)을 지지해 주고, 애노드 및 캐소드 쪽으로 각각 연료와 산화제를 공급해주는 통로를 제공해 주는 동시에 전지운전 중에 생기는 물을 제거해 주는 통로 역할도 한다.
분리판 소재로 이용되기 위해 요구되는 특성으로는 연료전지의 높은 효율을 위해 분리판에 의한 전압 손실이 최소화 되어야 하므로 전기 전도도가 좋아야 하며, 연료가스들의 누설은 안정성 및 효율에 직접적인 연관이 있으므로 공급되는 수소와 공기의 흐름을 완벽히 분리해야 되며, 내식성, 컴팩트화(Compactness), 기계적 강도와 같은 물성과 가격 경쟁력을 위해 높은 생산성을 만족해야 한다. 이러한 다양한 요구 사항을 만족시키는 재료로 현재 우수한 내식성 및 가공성이 좋은 스테인리스 강을 위주로 한 금속 분리판과 탄소 분말과 고분자로 제조한 복합 분리판 개발이 이루어지고 있다.

하지만 스테인리스 강의 경우 가공성과 가격, 기계적 강도, 소재의 전기 전도도 등은 월등히 우수하지만, 부식이 발생하여 전해질 막을 오염시킬 뿐만 아니라 표면에 산화막을 형성함으로써 전기 전도도가 급격히 감소하는 문제점이 있다. 한편 복합 분리판은 밀도가 낮고 화학적 안정성 등은 우수하지만 기계적 특성과 전기전도도가 떨어지는 단점이 있다.
본 연구는 스테인리스 분리판의 알루미늄화를 통하여 중량 감소 및 원가 절감이 요구되는 현 시점에 입각하여 두께 0.2 ~ 0.4 mm 범위 내에서 다양한 형태의 미세홈을 가진 경량재료 분리판을 대량으로 생산할 수 있는 원천기술을 개발하고자 한다.
기존의 주조법에 의하여 생산하는 각종 부품은 대형 박막 부품을 제조가 불가능 하다. 따라서 본 기술은 유체역학적 개념을 응용하여 진공 흡입식 복합 가압 방식(그림. 4)에 의하여 분리판을 제조하는 기술로서 산업계에 응용되어지기 위해서는 액상 편석 제어 기술, 박막 제조에 필요한 금형 설계 기술, 소재의 코팅기술, 제조공정의 열/유동 해석 등에 관한 핵심 연구가 필수적이다.
용융상태의 소재에서 전자교반 장치(그림. 5)를 이용하여 결정립을 제어하면서 레오로지 소재를 제조하는 기술은 박막 소제 제조를 위하여 절대적으로 필요한 핵심기술이다. 결정립의 크기를 40㎛ 이하로 제어되어진 결정립 제어 경계영역 소재를 제조하기 위해서는 금형에 주입되기 전 소재의 청정도 유지 및 성분이 균일하게 분산할 수 있도록 특수형태의 노즐 설계 및 탕도 형상 및 크기, 단열 및 보온 시스템 등 다양한 기술이 접목되어야 한다.
고상입자의 크기가 20∼50㎛이고 고상율이 30~40% 내외인 소재가 분리판 제작용 Mold 내에 유입될 때 고상 입자는 액상의 온도 변화에 따라서 회전, 진동, 병진운동을 한다(그림. 6). 이러한 현상을 해석하기 위해서 분자 동력학(Molecular Dynamics)적 고상 입자의 결합을 표현하는 새로운 Potential을 온도 및 점도의 함수로 제안한다.
진공 흡입식 연료전지용 분리판 성형 시스템을 이용하여 최종적으로 Serpentine, Parallel Serpentine 패턴을 가진 두께가 0.3mm, 패턴 높이가 각각 0.6, 1.0mm인 알루미늄 분리판을 제조하여 (그림. 7) 그 적용 가능성을 평가한다.
알루미늄 연료전지 분리판의 내부식성 향상과 접촉저항을 저감시키기 위하여 분리판 표면을 무전극 코팅법에 의하여 코팅막을 형성한다. 그리고 박막 분리판의 코팅 특성을 평가하기 위해 Hall effect measurement (ECOPIA)를 이용하여 다양한 코팅막의 전기적 특성을 분석, 평가 한다.
실제 연료전지 작동조건하에서 분리판의 특성을 평가하기 위해 자체 제작된 MEA 1매를 포함하는 소규모의 Unit Cell을 구성하고 다양한 운전조건(작동온도, 압력, 상대습도 등) 하에서 특성을 평가한다.
다이캐스팅 공법은 복잡한 형상의 제품을 한번에 제작할 수 있고, 대량생산 체제로 제조 단가를 줄일 수 있는 최적의 공정이다. 특히, 진공 다이캐스팅은 일반 다이캐스팅에서 발생하는 가스 포집에 의한 기공, 미충진 등을 억제하여 고 신뢰성이 요구되는 부품을 생산할 수 있다. 다이캐스팅 공정은 이러한 장점이 있음에도 불구하고, 1mm 이하의 박육 제품을 제조하기란 상당히 어렵기 때문에 분리판을 주조공법으로 제작하는 연구는 미비하다.

본 연구에서는 분리판이 스택에 적층되어 구성요소들을 지지 할 때, rib 부분이 박막면(Membrane)과 서로 맞닿는 모서리 부분에서 응력집중에 의한 변형을 막고, 부식방지를 위하여, 강도 및 연신율, 내식성이 매우 우수한 ALDC6(Al-Mg계)을 고진공 다이캐스팅 공정으로 CAE를 수행한 후, 고진공 다이캐스팅 실험을 실시하였다. 주조해석프로그램인 MAGMAsoft를 이용하여 serpentine type의 유로채널(활성면적 : 50 × 50mm)이 삽입된 알루미늄 박판(200 × 200 × 0.8mm)을 용탕의 충전 거동과 응고해석을 통하여 채널의 위치 및 방향에 따른 결함을 예측 함으로써 금형 온도 방안을 설정하고, 각 플런저의 스트로크 제어 조건(저속 및 고속 구간의 속도)에 대한 해석결과를 실제제품과 비교하였다. 그리고 해석결과에서 예측된 결함을 실제제품에서의 결함과 비교 검토하였다.

HPDC(High Pressure Die Casting) 실험을 통하여 연료전지 핵심부품 의 성형성 평가를 하였다. 미세채널을 가진 0.8t의 핵심부품은 성형성 평가이후 성능평가를 하여 연료 전지 상용화의 적용가능성에 대해 검토하였다.
레오로지 박막 및 분리판 제조에 필요한 특수형태 몰드 설계 기술 확립
 
유동해석을 통한 분리판 미세 패턴 해석 및 설계 기술 개발 및 액상, 고상의 점도 및 유동을 고려한 멀티스케일 분리판 제조 공정 해석
연료전지 작동조건하에서의 전기화학적 부식 메카니즘의 엄밀한 규명을 통한 내부식성 향상 및 접촉저항 저감 기술 개발
제작된 분리판을 이용한 단일셀 연료전지의 성능평가 및 결과 피드백에 의한 제작공정 최적화
 
전자교반, 진공장치 시스템 박막 제조 기술
연료전지용 경량화 분리판 성형 공정 및 해석기술
연료전지용 단일셀의 제작 기술
대면적 박막 코팅 기술 개발