Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are able to efficiently generate high power densities, making the technology potentially attractive for certain mobile and portable applications. Since the bipolar plate is a major part of the PEMFC stack both in weight and volume, the bipolar plate should be developed with its weight and thickness in mind. One of the most important properties of the fuel cell bipolar plates is their electrical resistance, which should be very low to conduct the electricity generated in the fuel cells with minimum electrical loss. The resistance of the bipolar plate of PEMFC consists of bulk material resistance and interfacial contact resistance
In this study, a bipolar plate for automotive fuel cells was developed with a carbon fiber/epoxy composite by compression molding due to the fact that the carbon fiber/epoxy composite has not only high electrical and thermal conductivities, but also high specific stiffness and strength. The mechanical and thermo-electrical properties of the developed composite bipolar plate were measured to investigate its suitability for the automotive fuel cell. Also, the integrated composite bipolar plate that has channels for fuel, air and coolant was developed to eliminate contact resistance between the bipolar plates.
고분자 연료전지는 높은 효율 때문에 미래형 자동차 엔진 대체방법으로 각광 받고 있다. 기존에 연료전지 분리판 재료로는 흑연, 스테인리스 스틸이 주로 쓰였다. 흑연 분리판은 높은 전기전도도와 열전도도를 가지지만 분리판에 채널을 형성하기 위하여 기계적 가공이 필요하게 된다. 따라서 제작비용과 시간이 증가하는 단점을 가진다. 스테인리스 스틸 분리판은 좋은 성형성을 가지지만 높은 접촉저항으로 인해 연료전지 효율을 떨어뜨리는 단점을 가진다. 따라서 본 연구에서는 신소재 복합재료를 이용하여 흑연과 스테인리스 스틸의 단점을 보완할 수 있는 신소재 복합재료 분리판을 개발하였다.
첫째로, 2장에서는 신소재 복합재료를 이용하여 복합재료 분리판을 제작하고, 미국 에너지성에서 정한 기준과 비교 평가하였다. 전기전도도는 약 3배가 좋았으며, 열전도 또한, 약 4배가량 향상되었다. 굽힘강도는 기준값보다 약 6배 정도 증가하였으며, 열 적 안정성도 우수하였다. 유로 성형에서도 스테인리스스틸에서는 발생하던 탄성복원이 일어나지 않아 편평한 유로 면을 얻을 수 있었으며, 이는 분리판 사이의 접촉저항을 줄일 수 있는 효과를 가진다.
3장에서는 분리판 간의 접촉저항을 제거하기 위하여 통합 복합재료 분리판을 개발하고 검증하였다. 통합 복합재료 분리판의 재료로는 고강도 복합재료 분리판을 사용하였으며, 비교평가를 위하여 2장에서 개발 되어진 타입도 고강도 신소재 복합재료를 사용하여 제작하였다. 접촉저항이 감소함으로써, 에너지 효율을 약 200% 향상시킬 수 있었다.
본 연구를 통하여, 신소재 복합재료 분리판은 연료전지 효율의 향상과 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 생각된다.