무인기 구동을 위한 PEM 연료전지의 금속 분리판 제작 및 성능 평가

Abstract

이 연구에서는 무인기의 새로운 동력원으로 적용하고자 하는 고분자 전해질막 연료전지의 경량화를 통해 무인기의 항속시간과 유효 탑재량을 증가시키기 위한 내용을 다루었다. 연료전지 무인기의 전체 시스템은 크게 제어, 추진, 연료전지 부분으로 구분되며, 전체 시스템의 무게 중 44% 이상을 연료전지 부분이 차지하였다. 특히, 단위 전지의 구성 요소인 분리판이 연료전지 부분의 전체 무게 중 80% 이상을 점유하고 있으므로, 이번 연구에서는 일반적으로 사용되고 있는 흑연 분리판을 대체할 수 있는 경량의 금속 분리판의 제작과 성능 평가를 다루었다. 분리판은 6061 알루미늄 합금을 이용하여 공기 채널형 (airflow-channel type) 및 호흡형 (ambient air-breathing type) 방식으로 제작하였으며, 비교 평가를 위해 알루미늄 분리판과 동일한 크기와 반응면적의 흑연 분리판을 제작하였다. 제작된 알루미늄과 흑연 분리판을 이용한 단전지의 성능을 측정한 결과 다공질인 흑연의 특성으로 인해 알루미늄 분리판을 이용한 단전지의 성능이 흑연 분리판에 비해 약 18% 향상되었다. 또한, 동일한 반응면적을 지닌 상용 흑연 분리판을 기준으로, 제작된 알루미늄의 형상을 비교한 결과, 상용 흑연 분리판에 비해 무게는 약 1/3, 부피는 약 1/4로 감소하였다. 알루미늄 분리판의 특성 평가를 위해 공기 공급 방식과 작동 온도를 변화시켜 실험을 수행하였으며, 3개의 단전지를 직렬로 연결한 스택의 성능을 평가하였다. 연료전지 무인기 시스템의 경량화 및 단순화, 비용 절감 등을 위해 공기 호흡형 방식과 공기 채널형 방식의 성능을 평가하였다. 그 결과 공기 채널형 단전지의 성능이 약 110% 이상 향상 되었으며, 그 이유는 자연 대류 방식으로 공급되는 공기에 의해 전지 내의 수분이 감소하였기 때문으로 판단된다. $40 / 50 / 60 \degC$의 작동 온도에서 알루미늄 분리판을 이용한 단전지의 성능을 평가하였으며, $40 \degC$의 작동 온도에서 가장 높은 성능을 보였고, $60 \degC$에서 가장 낮은 성능을 보였다. 그 이유는 작동 온도는 전지의 활성화와 이온 전도도에 큰 영향을 미치게 되는데, 작동 온도가 높을수록 전지는 더욱 활성화 되나, 온도 상승에 따른 전해질막의 건조 현상에 의해 이온의 이동 통로가 충분히 확보되지 못하는 경향을 확인하였다. 즉, 높은 작동 온도에서 향상된 성능을 확보하기 위해서는 전해질막이 원활한 이온의 이동 통로를 제공하기 위해 충분히 수화되어야 하나, 그렇지 못한 조건에서는 이온의 전도도 감소가 전지의 활성화 보다 전지의 성능에 더욱 큰 영향을 미치게 된다는 것을 확인하였다. 반면, 전지 내의 물 함유량이 적절량을 초과할 경우에는 오히려 홍수 현상의 발생으로 반응기체의 공급을 막을 수 있으므로 적절한 수분 함유가 중요한 변수로 작용하게 된다. 공기 채널형과 호흡형의 알루미늄 분리판을 이용한 단전지 3개로 구성된 스택의 성능을 평가한 결과, 단전지 성능 평가 결과와 동일하게 공기 채널형 방식의 스택 성능이 공기 호흡형 방식의 스택에 비해 훨씬 향상된 것을 확인하였다. 그 이유 또한, 두 종류의 단전지의 성능에 영향을 미치는 요소들과 동일한 것을 확인하였다.