The current collector, a repeated structure of high sheared protrusions, is a major component of metallic bipolar plates for molten carbonate fuel cells (MCFCs). In this work, four topics, which related to the current collector for manufacturing and commercialization, are discussed.
First, in order to minimize defects from the forming process such as local thinning, the preform shape in the three-stage forming process that integrates the slitting process, the preforming process, and the final forming process was optimized. In the simulation of the forming process, the ductile fracture criterion was employed to the user material subroutine VUMAT in ABAQUS/Explicit. The steepest descent method was utilized in the design of the forming process to minimize the effective plastic strain. High sheared protrusions were manufactured without defects from the three-stage forming process by using the optimized preform shape.
Next, an efficient method to construct the simulation model of the current collector considering the results of the forming process was introduced. Hexahedral mesh coarsening was first conducted using the simulation results of the three-stage forming process of a sheared protrusion. The effective plastic strain was mapped from the old mesh to the newly generated mesh. The simulation model for the current collector was constructed by duplicating and reflecting the newly generated mesh. For the verification of the proposed method, various numerical examples were investigated. From the examples for verification, it was found that the proposed simulation for the current collector was found to be efficient and applicable to the simulation of the mechanical behavior of the current collector for practical application.
Then, the deformed shape of the current collector after springback was discussed based on the large deflection theorem. The current collector is bent, resulting in specific curvature with respect to the size of the metallic sheets after the forming process. In order to predict the deformed shape after springback, the current collector was assumed to be an orthotropic plate and springback of the current collector was assumed to be caused by biaxial bending. The analytic model for the biaxial bending of an orthotropic plate was derived based on the large deflection theory. The material properties of the current collector were determined by using the finite element analysis with the hexahedral mesh coarsening model incorporating the results of the forming process.
Finally, in order to straighten the current collector, the levelling process using three rolls was employed. A simple and effective method for designing the levelling process was proposed. An analytic model and the finite element analysis were used in combination. The optimal curvature minimizing the resultant curvature and the resultant moment of the current collector down to zero was calculated from the bending moment - curvature relationship. The bending moment - curvature relationship of the current collector was determined from the finite element analysis of uniform bending by using the simulation results of the three-stage forming process. In the analytic model based on the curvature integration method, the proper roll arrangement corresponding to the optimal curvature was calculated. Experiments were conducted using the calculated roll arrangement. The current collector was levelled to be nearly flat by using the levelling process. After the levelling process, the sheet with sheared protrusions was assembled with the center-plate. In addition, a new levelling process using rotated roll sets was proposed. The effect of the rotate roll set was investigated by using the finite element analysis. By using the rotated roll sets, the bending moments both in the longitudinal direction and in the transverse direction can be applied to the sheet.
In this study, the basic researches on the metallic bipolar plate to apply MCFCs were investigated. The metallic bipolar plates are recommended for MCFCs. This study provides systematic insights into the metallic bipolar plate for MCFCs, which integrates the forming process, the mechanical behavior and the levelling process.
용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)는 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 등의 장점을 공유하는 동시에, 고온 연료전지의 장점을 갖고 있어 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 효율적인 성형 공정 설계, 구조 특성 분석, 교정 공정 해석 등 금속 분리판과 관련된 다양한 분야에 대한 체계적인 연구를 진행하였다.
먼저, 개방형 사다리꼴 형상의 3단 성형 공정에 유한요소 해석을 적용하고, 이를 이용하여 성형 공정을 설계하였다. 개방형 사다리꼴 형상의 성형공정 설계를 위해 소재의 전단 거동을 모사할 수 있도록 유한요소 해석 및 연성 파괴 조건을 사용하여 소재의 파단을 모사하였다. 또한 최속 강하법을 사용하여, 사다리꼴 형상에서 발생하는 최대 소성 변형률을 최소화하는 중간 성형 형상을 계산하고, 실험을 통해 성형 결함 없이 개방형 사다리꼴 형상을 성형할 수 있었다.
다음으로, 성형 공정에서 발생한 성형 이력을 고려하고, 대면적의 유한요소 해석이 가능하도록 요소 재구성을 통한 효율적 해석 모델을 개발하였다. 용융탄산염 연료전지의 집전판은 성형 후 두께 변화, 형상 변화, 소성 변형 때문에, 성형 해석 결과 및 형상을 고려할 수 있는 효율적 해석 모델이 필요하다. 이를 위해 단위 형상의 성형 해석 결과를 낮은 밀도를 갖는 육면체 요소로 재구성하고, 이에 대칭과 반복 조건을 사용하는 대면적 해석 모델 구성 방법을 제안하였다. 제안된 해석 모델을 통해 만들어진 모델을 사용하여, 단위 형상의 압축 거동, 굽힘 거동 등을 정확히 예측할 수 있었다. 그리고 이를 균질화 해석에 적용하여, 개방형 사다리꼴 형상이 성형된 집전판의 균질화 물성을 계산하였다.
또한 개방형 사다리꼴 형상이 성형된 판재의 스프링백 후 거동을 분석하기 위해 대변형 이론을 기반으로 한 이론식을 적용하였다. 집전판 소재는 균질화 해석 모델을 통해 구한 물성을 갖는 평면 이방성 소재로 가정하였고, 스프링백에 의한 변형은 직사각 판재의 모든 모서리에서 굽힘 모멘트가 작용하는 두 방향 굽힘 변형으로 가정하였다. 먼저 절단된 집전판을 통해 연립 방정식을 구성, 소재에 작용하는 각 방향의 모멘트를 계산하였다. 각 방향의 모멘트를 도출한 식에 대입하여, 절단된 소재 크기에 따른 스프링백 후 변형 형상 및 변형 원인을 계산할 수 있었다.
마지막으로, 개방형 사다리꼴의 성형 공정에서는 성형 후 잔류응력에 의해 패턴의 길이 방향으로 곡률이 발생하게 되는데, 이를 평탄화 할 수 있는 교정 공정을 제안하고, 실험을 통해 검증하였다. 먼저 3개의 롤을 사용한 교정 공정 설계 방안을 제안하였다. 유한요소 해석을 통해 소재의 굽힘 특성 및 평탄화를 위한 최적 곡률을 계산하고, 곡률 적분 기법을 사용하여 롤의 최적 위치를 결정하였다. 그리고 개방형 사다리꼴 패턴 수직 방향으로의 잔류 변형을 개선하기 위해, 회전된 롤 셋을 사용한 교정 공정을 제안하였다. 2개의 회전된 롤 셋을 사용한 실험을 통해 개방형 사다리꼴 이 성형된 판재를 소재의 패턴 방향 및 패턴 수직 방향으로 평탄화할 수 있었다. 교정 공정이 완료된 개방형 사다리꼴이 성형된 판재는 센터플레이트와 조립하여 용융탄산염 연료전지의 집전판으로 사용할 수 있었다.
