목 차1. 개 요가. 동기.....p. 1나. 주제선정배경......p. 12. 연료전지의 구조와 기능가. 기본적 구조........p. 4나. 종류.....p. 5다. 스택의 구성........p. 5라. 전기를 생산하는 방식......p. 83. 재료연구가. 연료개질기..........p. 8나. 분리판............trode Assembly)는 연료전지의 가장 기본적인 구성요소로서, 음극(anode)의 수소와 양극(cathode)의 산소 사이에서 발생하는 전기화학적 반응을그림 MEA의 구조통해 전기를 생산하는 역할을 한다. 구성요소로는 이온만을 이동시키는 고분자막과 막 양쪽에 위치하여 가스를 이온으로 분해하는 촉매층이 있다. 그리고 필요에 따라 촉매층 외부에 가스의 원활한 공급과 공기극에서의 물배출 등의 기능을 담당하는 다공성의 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 있다. MEA는 연료극에서의 수소의 산화반응과 공기극에서의 산소의 환원반응을 통하여 1개의 단위전지당 약 1.2V(OCV) ～ 0.5V 정도의 전압과 100mA/㎠ ～ 1,000mA/㎠ 정도의 전류밀도를 발생시킨다. MEA도 상태에 따라 고분자막에 촉매층이 코팅된 상태의 CCM(Catalyst Coated Membrane), CCM에 가스확산층이 추가된 것을 5 layer MEA이라 하여 구별한다. 그림5는 이러한 MEA의 구조를 나타낸다. MEA는 연료전지의 핵심기술부문이며 구성요소인 고분자막, 촉매, 가스확산층, 촉매층의 제조기술에 따라 연료전지의 성능이 좌우된다.그림 스택에서 분리판의 위치와 모습을 표현한 그림2) 분리판(Bipolar Plate)분리판은 MEA의 양쪽에 위치하며 한쪽에는 수소연료를 반대면에는 공기를 운반하는 유로와 매니폴드를 포함한 판을 의미하며 왼쪽의 그림6에서 잘 나타나 있다. 분리판에는 가스의 흐름을 위한 유로가 설계 및 가공되어져 있으며, 스택에서는 여러 셀에 가스를 균질하게 공급하기 위하여 판에 적절히 매니폴드가 설계/가공 되어 있다. 분리판은 수소판과 같이 한 종류의 유로만이 가공된 판(Monopolar plate)과 공기채널과 냉각채널을 한 개의 판의 양면에 구비한 판(Bipolar plate)의 두 가지 종류가 있다. 스택은 한 개의 단위 전지당 2개의 분리판의 조합으로 이루어지는 것이 일반적이다. 분리판 재질은 흑연판, 수지가 함침된 흑연판, 흑연r vapour partialpressure 223 Torr ; SV 4000 h-1 ; 1 atm.(○) ;(□) ;(●) ;(■). Rates are expressed in mol/m² h ×.재료의 가격과 얼마나 안정적으로 재료를 구할 수 있는지, 그리고 얼마만큼의 성능을 가지는지가 중요한 사항이라고 생각된다. 여기서 금은 구리와 아연에 비하여 상당히 비싼 귀금속이며 그들에 비해 매장량도 적은 편이라(세계 총 매장량 : 구리는 23억톤, 아연 19억톤, 금 10만톤) 가격대 성능비, 재료구입의 안정성을 고려해 본다면 구리/아연 혼합 산화물이 훨씬 유리함을 알 수 있다. 그러나 금 혼합 산화물 촉매는 저온에서 상당히 높은 활성화도를 보이고 있기 때문에 무시할 수 없다고 판단다. 그리고 가격 비교 그림에서 구리와 아연의 가격이 최근 5년간 8배가 상승했다는 점을 보았을 때에, 따라서 우리는 수성반응에 있어서 구리/아연 혼합 산화물이 우수한 재료라고 생각되나 금 혼합 산화물도 저온 반응에 상당히 유용하다는 판단을 했다.나) 선택적 산화반응(정화)선택적 산화반응에 있어서 일반적으로 백금 촉매가 사용된다. 백금이 선택적 산화반응에 유리하다고 알려져 개질기부분에서도 촉매로 널리 쓰이고 있다. 그런데 수소가 풍부한 개질 가스에 존재하는 일산화탄소의 선택적 산화반응에서, 일반적정화 촉매인보다 더 활성이 좋은 금촉매()가 사용 될 수 있다. 이는 연료전지에서 공급된 수소와 산소가 금에 의해 촉매 반응을 일으키기는 하지만, 수소 산화 반응 온도가 일산화탄소의 산화 반응온도 보다 높기 때문이다. 거기에다가 제조과정에서의 가격을 따져보아도 금이 백금보다 유리함을 알 수 있다. 그리고 재료 구입의 안정성에 있어서 백금의 세계 총 매장량은 약 2만 8천톤인데 금은 10만톤이며, 백금은 러시아와 남아프리카 공화국에서 거의 생산되는 반면 구리와 아연, 그리고 금은 거의 전 세계적으로 생산된다는 점에서 백금보다 안정적으로 재료를 구할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 우리는 금 촉매가 여 강도가 높아지며(단, 2,500℃까지), 최대 약 2배의 강도까지 올라가므로 고온의 용도로는 상당히 유리한 재료이다.넷째, 그래파이트는 매우 가볍다. 재료의 외견밀도는 1.8~2.0으로, 같은 치수의 물건을 만들 경우, 유리보다 가볍다. 이유는 위에 언급한 바다.다섯째, 화학적으로 내식성이며, 내 마모성이 우수하다.이상의 성질을 고찰해 볼 때, 처음 언급한 분리판 재료의 요구특성에 많은부분을 만족시키는 것을 알수 있다. 따라서 최적의 재료는 아니지만 현재 분리판의 재료로서 그래파이트가 가장 널리 사용되고 있다.나) 제조방법이제 분리판의 제조방법에 대해 알아보자. 그래파이트 분리판은 전기전도성 입자인 흑연 분말을 몰딩하여 일정한 크기의 흑연 괴를 만든 후, 이를 원하는 두께 및 크기의 흑연판으로 자르고 페놀수지등을 3~4회 합침(가스 상태나 액체로 된 물질을 물체 안에 침투시켜 그 물체의 특성을 사용 목적에 따라 개선하는 제조방법)시킴으로서 제조한다. 분리판에 함침된 레진은 흑연판 내부에 존재하는 기공을 봉쇄함으로서 기공 사이로 반응기체가 침투하여 반대편 전극으로 가스누출해 주는 것을 방지해 주는 역할을 한다. 그래파이트 분리판의 가스유로는 밀링가공이나 전기 방전가공으로 만들 수 있다.※레진화학적으로 합성한 수지가 아니고 천연으로 산출되는 수지 일반을 말한다. 비결정성 또는 비휘발성이며 알코올, 에테르에 녹으나, 물에는 녹지 않는다. 가열하면 연화 융해한다. 용제에 녹였다가 용제를 증발시키면 막상물질(膜狀物質)이 된다. 단일성분이 아니고 각종 성분의 혼합물로 정유(精油)에 수반되어 생산되는 경우가 많다. 정유 쪽이 많고 액상인 것에는 발삼·고무수지 등이 있으며, 화석 모양으로 되어 있는 것에는 화석수지 등이 있다. 화학성분은 개개의 수지에 따라 다르고 다양하다다) 개선방향그래파이트 분리판은 우리가 알아본 것과 같이 분리판으로써 많은 장점을 가지고 있지만, 최적의 재료는 아니다. 내부에 기공이 많으므로 밀도가 낮아 경량의 스택제작이 가능한 이점이 있지만, 반대Sub Chain)에 설폰산 관능기를 도입하고 있는 Perfluorosulfonic acid polymer이다. Nafion은 Side Chain에 Sulfonic acid ion(SO3- H+)이 연결되어 있으며, 음이온(SO3-)은 계속해서 연결되어 움직이지 못하나 Membrane이 수화(Hydration)될 때 수소이온들은 물분자와 결합되어 음이온으로부터 다른 음이온으로 이동할 수 있게 된다. 이 메커니즘 때문에 고체 고분자 전해질이 수소이온의 좋은 전도체가 되는 것이 가능하며, 이때 Membrane은 항상 적정한 수분을 함유하고 있어야 한다는 조건이 있다. 이 수분은 기체확산 전극으로 들어오는 가습기체의 흐름을 통하여 전지내로 들어오며, Membrane 내에서 물의 이동은 전지 성능의 중요한 영향을 끼친다.가습기체는 반응기체, 수증기 그리고 액체 물의 혼합물이며 막전극계면까지 각 전극을 통과하고, 이 계면을 지나는 물은 막을 수화(Hydration)시키게 된다.한편 Membrane은 너무 건조하면 이온전도도가 떨어지므로 전지의 성능이 감소하게 되고, 너무 과량의 물이 공급되면 연료극 쪽에 Flooding이 생겨서 전지의 성능이 저하된다. Membrane은 일반적으로 수분의 함유량이 감소함에 따라 이온전도도가 감소하므로 막내에는 함유가능한 최대 양의 물을 함유시키는 것이 바람직하다.Nafion은 50～175㎛의 두께로 Polymer backbone인 PTFE가 여러 단위로 이루어졌으며 Perfluorinated vinyl polether에 sulfonic group을 가진 가지를 형성하고 있는 구조로 그림21과 같이 표현된다.그림 Nafion의 화학구조여기서 x와 y의 비율은 20:1에서 2:1이며, m=0~2, n=1~12의 정수이다.Nafion과 같은 불소계 이온교환막은 100℃ 이하의 PEMFC 작동 조건 하에서 안정한 반면, 가격이 매우 고가여서 연료전지 가격을 상승시키는원인이 된다. 또한 장시간 사용하게 되면 불소구조가 파괴되는 열화현상이 발생하6(n
