The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) or proton exchange membrane fuel cell is composed of bipolar plates, end plates, membrane electrode assemblies (MEAs) and gas diffusion layers (GDLs). Among the constituents of PEMFCs, the bipolar plates are major components, which make up a large portion of the stack volume and cost.
In this study, the bipolar plate has been developed using carbon fabric/phenolic composite and flame surface treatment for mass production. Plain weave carbon fiber is used to increase the manufacturing productivity and to decrease the bulk electric resistance. A graphite coating and dummy method is developed to measure the bulk resistance in through thickness direction of the bipolar plate. The experimental results show that the bulk resistance of the plain weave carbon composite bipolar plate is about 50% less than that of a carbon composite bipolar plate made of unidirectional carbon fiber epoxy composites with the same thickness.
Phenolic resin is used because it cures much faster and is cheaper than other resins. Because the phenolic resin becomes brittle after being fully cured, it is mixed with carbon black to increase its ductility. The surface of the carbon fabric/phenolic composite bipolar plates has been treated with flame to reduce the interfacial contact resistance. The experimental results show that the contact resistance of the carbon fabric/phenolic composites bipolar plate decreases as the flame-treatment temperature and time are increased due to the degree of carbonization of the phenolic resin, while the flexural strength decreases. Therefore, the optimum flame surface treatment temperature and processing time for the carbon fabric/phenolic composite bipolar plates are investigated to optimize the electrical conductivities and mechanical properties.
고분자 전해질 연료전지는 분리판, 엔드플레이트, 전해질교환막, 가스확산층으로 이루어진다. 이중 분리판은 연료전지 스택의 부피와 가격을 가장 큰 비율을 차지하는 중요한 부품이다.
본 연구에서는, 카본 섬유 직물과 레졸타입 페놀레진을 사용한 복합재료와 그 표면을 화염처리하여 대량양산이 가능한 분리판을 개발하였다. 생산성과 분리판의 자체저항을 줄이기 위하여 평직 형태의 탄소 직물이 사용되었다. 흑연 코팅과 흑연 더미를 이용한 복합재료 분리판의 자체저항을 측정하는 방법을 개발하였다. 실험결과, 평직 탄소 직물을 사용할 경우 일방향 탄소 섬유을 적층한 경우보다 50%이상 낮은 자체저항을 가졌다.
페놀레진은 기존의 에폭시 레진보다 그 가격이 싸고 경화시간이 매우 빠르므로 분리판 개발에 적용되었다. 페놀레진의 취성을 개선하고 전기저항을 줄이기 위해서 카본블랙 입자를 혼합하였다. 이렇게 개발된 탄소 직물/페놀레진 복합재료 분리판의 표면은 가스확산층과의 접촉저항을 줄이기 위해 화염처리되었다. 실험결과 화염처리 시간과 온도가 높아질수록 접촉저항과 굽힘강도가 줄어듬을 확인하였다. 이는 페놀레진의 탄화 및 산화 정도에 의해 결정됨을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 분리판의 전기적, 기계적 특성을 고려하여 화염 표면처리의 온도와 시간을 조절하여 공정을 최적화하였다.
