A conventional PEMFC (Polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell) stack is composed of various components such as endplates, bipolar plates, MEAs (membrane electrode assem-bly), and GDLs (gas diffusion layers). Among these, conventional endplates and bipolar plates have been made of massive metallic materials or graphite increasing weight and thermal inertia. The large mass deteriorates the fuel economy especially for passenger vehicles while the large thermal inertia prevents a fuel cell stack from a prompt cold start due to ice-blocking below sub-zero temperature.
Fiber reinforced composites have high potential for the fuel cell applications due to their high specific stiffness and low volumetric heat capacity. This study presents the applications of composite materials both for the endplate and the bipolar plate.
Since the endplates should have high flexural stiffness to maintain flatness offering even contact pres-sure inside the stack when large bending moment is exerted by clamping devices, a design concept of a composite sandwich endplate with pre-curvature was proposed by the Axiomatic Design. The newly designed endplates were fabricated and evaluated both by experiments and finite element analyses. Also the prototype composite endplates were incorporated in a PEMFC stack to verify their effect on cold-start characteristics im-provement. The developed endplates exhibited light-weight and excellent cold start performance.
The bipolar plates made of continuous carbon fiber composite was investigated in order to overcome the obstacles of high cost and low durability reside in conventional graphite or metallic ones. In this study, the curing process and the mold design for the fine channel formability of composite bipolar plates were investigated. In order to decrease the interfacial electrical resistance between a GDL and a bipolar plate, the plasma surface treatment and the hybrid composite bipolar plate with graphite foil surface embedded were investigated. Then the prototype composite bipolar plates were manufactured and employed in a PEMFC stack. The characteristics of the composite bipolar plates were compared with those of conventional bipolar plates made of stainless steel.
종래의 자동차용 고분자 전해질 연료전지 스택은 그 무게 때문에 높은 효율을 기대하기 힘들었다. 본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지 스택의 핵심 부품인 분리판과 엔드 플레이트를 신소재를 적용하여 개발하였으며, 결과적으로 스택의 효율 및 냉시동 특성을 향상시켰다.
고분자 전해질 연료전지 스택용 엔드 플레이트는 연료전지 스택에 고른 면압을 분포시킬 수 있어야 하며, 가습된 연료가스 및 공기, 냉각수의 영향을 받지 않아야 한다. 또한, 경량화가 요구되며, 엔드 플레이트가 연료전지 전체의 냉시동 특성에 큰 영향을 끼치지 않도록 열용량 및 열전달을 최소화해야만 한다. 현재 사용되고 있는 스테인리스 강으로 만들어진 연료 전지 스택용 엔드 플레이트의 문제점을 극복하고자, 공리 설계 (Axiomatic design) 과정을 통해 냉시동 특성이 향상되며, 또한 경량의 샌드위치형 하이브리드 엔드 플레이트 구조를 제시하였다. 샌드위치 구조의 기본 재료 물성 평가를 수행하였으며, 샌드위치 구조의 면재로는 고강성 탄소섬유 복합재료, 심재로는 Nomex 허니콤 구조에 폴리우레탄 폼이 삽입되어 있는 재료가 채택되었다. 또한 실제로 자동차에 장착할 수 있도록 시제품을 제작하였으며, 냉시동 특성, 굽힘 강성, 무게 등을 스테인리스 강으로 제작된 엔드 플레이트와 비교 평가하였다. 또한 실제 스택에 적용하여 시운전한 결과, 기존 엔드 플레이트에 비하여 뛰어난 냉시동 특성을 보임을 확인하였다. 더 나아가 연료전지 스택 내부에 추가적으로 고른 면압을 제공하기 위하여, 복합재료 프리프레그를 비대칭으로 적층하여 진공백 성형함으로써, 의도적으로 복합재료 엔드 플레이트에 pre-curvature를 생성시켰으며, 그 효과를 실험적으로 확인하였다.
분리판은 수소, 공기, 냉각수의 유동을 위한 채널 형상을 가지는 판상 부품으로, 요구되는 조건은 높은 전기 전도성, 내식성, 높은 기계적 강성 및 강도, 냉시동 특성을 위한 열질량이 작을 것 등이다. 기존의 흑연 분리판, 고분자 복합재료 분리판, 금속 분리판의 단점을 극복하는 탄소 장섬유 복합재료 분리판의 기계적, 열적, 화학적 특성을 확인하였으며, 신소재 복합재료 분리판의 연료전지 자동차의 실제적용을 위한 연구를 진행하였다. 특히 두께방향의 전기전도도를 향상시킴에 있어서 플라즈마 처리 및 흑연포일 코팅 기법을 제안하였다. 위의 방법을 통하여 복합재료의 두께방향 저항을 90 % 감소시켰으며, 이는 흑연 평판과 동등한 수준이다. 이와 더불어 복합재료 분리판은 DOE target (59 MPa) 에 비해 약 10배 큰 강도를 가지며, 금속에 비해 70 % 가량 질량이 감소되었다. 또한, 흑연 포일 코팅 방법을 적용하여 대면적 복합재료 분리판을 제작하였다. 제작된 분리판 자체의 전기저항을 측정하였으며, 코팅된 금속 분리판이나 흑연 분리판에 비해서 전기적 성능이 동등한 수준임을 확안하였다. 이로써, 탄소 복합재료를 이용한 분리판이 차세대 연료전지 스택 부품으로서 가능성이 있음을 보여주었다.
