The primary components of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) systems are bipolar plate, end plate, membrane electrode assembly (MEA), gas diffusion layer (GDL), and gasket. The PEMFC, which is composed of many components, induces a sealing problem in the stack that affects the fuel efficiency, reliability, and maintenance costs of the system. Conventional PEMFCs are sealed with numerous elastomeric gaskets to seal the stack, which increases the manufacturing and assembly costs.
To reduce the assembly time and to increase the sealing reliability without using gaskets, a gasket-integrated carbon/silicone elastomer composite bipolar plate has been developed. The silicone elastomer is used rather than conventional glassy thermoset or thermoplastic polymers for the matrix of the composite bipolar plate, where the silicone elastomer serves not only as a matrix material of composite but also as a gasket material due to its resilience. The mechanical and electrical properties of the developed carbon/silicone elastomer composite were investigated at both room temperature and the operating temperature of high temperature PEMFC (HT-PEMFC). The sealability of the gasket-integrated composite bipolar plate was tested.
To reduce the electrical contact resistance of the carbon composite bipolar plate, the “soft layer method” was developed, which is an innovative manufacturing method that exposes carbon fibers on the surface of the composite bipolar plate. Soft release films were inserted between the compression mold and the composite to prevent the formation of a resin-rich area and to expose carbon fibers on the surface of the bipolar plate. The developed method significantly decreased the contact resistance, which satisfied the target established by the Department of Energy (DOE) of the United States by a great margin. The effects of the curing method with the soft layer method on the mechanical and electrical properties of the composite bipolar plate were investigated. Additionally, the soft layer method was applied for fabrication of the fabric-type composites whose surface morphology is more complicated than that of the unidirectional continuous fiber composites. The thickness of the soft layer was varied, and a purging process was introduced for development of the high performance composite bipolar plate.
Finally, by combining the gasket-integration concept and the soft layer method, a composite bipolar plate for HT-PEMFC was developed. The bipolar plate showed excellent electrical and thermomechanical properties. Compared with the conventional graphite bipolar plate, the newly developed composite bipolar plate displayed better performance in the unit cell test.
양성자 교환막 연료전지 (Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)에서 분리판 (Bipolar plate)은 연료전지 스택 (Stack)을 구성하는 핵심부품으로, 인접한 셀 (Cell) 간의 전기 전도, 기체 확산 층 (Gas diffusion layer, GDL) 및 멤브레인 (Membrane)의 지지, 수소 극 (Anode)과 산소 극 (Cathode)의 분리, 유로 제공 등 다양한 기능을 갖는다. 그러므로 전기 전도성, 기계적 성능, 내산성, 기체 밀폐성이 우수해야 하며, 특히 고온 연료전지 (High temperature PEMFC, HT-PEMFC)용 분리판의 경우 내열성 및 치수 안정성이 중요하다.
본 연구는 고온 연료전지의 성능과 경쟁력을 향상 시키기 위한 고온용 탄소섬유 복합재료 분리판에 관한 연구이다. 탄소섬유 복합재료는 기존의 금속 및 흑연 분리판과 비교하여 높은 비강성, 비강도로 기계적 성능이 우수하나 표면에 잉여 수지 층 (Resin-rich layer)이 형성되어 전기 전도성이 떨어지는 단점을 갖는다. 이를 극복하기 위해 기존 연구들에서는 기계적 연마, 플라즈마 (Plasma), 화염 (Flame) 처리 등을 통해 표면의 잉여 수지 층을 제거하거나, 팽창 흑연 (Expanded graphite) 등의 전도성 물질을 코팅 (Coating)하는 방법으로 전기 전도성을 향상시키고자 하였다. 하지만 표면 처리는 전기 전도성의 향상에 한계가 있으며, 팽창 흑연 코팅은 높은 가격과 낮은 강도로 사용에 제약이 많다. 본 연구에서는 표면 처리 또는 전도성 코팅 없이 복합재료 분리판 표면의 잉여 수지 층을 제거하고 탄소 섬유를 노출 시켜 전기 전도성을 향상 시키는 새로운 분리판 제조 방법인 “Soft layer method”를 개발하였다. Soft layer method는 금형과 복합재료 사이에 강성이 낮은 이형 필름 (Release film)을 삽입하는 방법으로, 이형 필름이 복합재료 표면의 탄소섬유 굴곡을 따라 변형을 하여 잉여 수지 층을 제거하는 것을 특징으로 한다. 본 방법을 이용하여 제작한 분리판의 표면에는 잉여 수지 층이 없이 탄소섬유가 드러나 있는 것을 확인할 수 있었으며 전기 전도성 측정 실험 결과 면적 비 저항 (Areal specific resistance, ASR)이 매우 낮았다. 또한 표면에 탄소섬유가 노출되어 응력 집중이 발생하였으나 인장 강도의 저하는 5%로 기계적 물성에 영향이 적었다. 본 방법을 직물 형태의 복합재료 분리판에 적용한 경우 전기적 성능뿐 아니라 기계적 성능과 기체 밀폐성도 크게 향상되었다. 특히 번들 (Bundle)의 크기가 작은 1k 직물이 3k 직물보다 전기적 성능이 뛰어났다.
기존의 분리판은 연료로 사용하는 산소와 수소의 밀폐를 위해 별도의 가스켓 (Gasket)을 분리판 사이에 설치해야 한다. 하지만 수십~수백 장의 분리판을 적층하는 스택에서 가스켓은 조립 시간 및 신뢰성을 저해하는 요소이다. 이를 극복하기 위해 가스켓을 분리판에 직접 접착하는 방법도 가능하나, 이 경우 분리판과 가스켓 간의 열 팽창 계수와 강성 차이로 인해 접착의 신뢰성이 떨어진다. 이에 본 연구에서는 분리판의 기지 (Matrix)를 가스켓과 동일한 실리콘 (Silicone elastomer)으로 구성하여 가스켓과 일체형으로 제조할 수 있는 분리판을 개발하였다. 탄소섬유/실리콘 복합재료 분리판의 전기적 성능, 기계적 성능, 기체 투과성을 검증하였으며, 특히 일체형으로 제작된 가스켓은 높은 기체 밀폐성을 갖는 것을 확인하였다.
최종적으로, 본 연구에서 개발된 soft layer method와 가스켓 일체형 개념을 도입하여 고온 연료전지용 분리판을 개발하였다. 전기 화학적 반응이 일어나는 반응 면적 (Active area)은 시안 에스테르가 함유된 에폭시 수지 (Cyanate ester modified epoxy resin)를 기지로 하는 탄소섬유/에폭시 복합재료로 채널을 구성했고, 가스켓이 설치되는 부분에는 탄소섬유/실리콘 복합재료를 이용하여 가스켓을 일체형으로 구성하였다. 상온과 고온에서의 전기적 성능 및 기계적 성능을 평가하였으며, 특히 고온 연료전지의 작동 환경 조건을 모사한 크립 (Creep) 실험을 통해 채널의 치수 안정성을 검증하였다. 마지막으로, 분리판의 성능을 단위 셀 (Unit cell) 실험을 통해 검증하였고 종래의 흑연 분리판과의 성능 비교를 통해 새롭게 개발된 복합재료 분리판이 기존의 분리판보다 우수한 성능을 가짐을 확인하였다.
