Studies on the performance and degradation characteristics by GDL anisotropy of PEMFC

Abstract

고분자 전해질 막 연료전지에서 가스확산층은 촉매층으로의 반응가스 이송, 전자의 전도, 촉매층에서 생성된 포화액의 원활한 배출, 그리고 연료전지 구성품의 체결시 기계적으로 막전극 접합체를 기계적으로 지지해주는 역할을 한다. 가스확산층을 제작할 때에 그 특성상 기계적 평면이방성을 가진다. 본 연구에서는 연료전지 주 유로에 평행하게 배치하여 조립되는 경우를 0도, 반대로 수직하게 배치하여 조립되는 경우를 90도 가스확산층으로 각각 정하였다. 연료전지가 조립될 때 가스확산층의 변형 혹은 유로측으로의 투과는 일어날 수 밖에 없는 현상으로 이러한 변형 및 투과성을 최소화 하는 것이 연료전지 성능을 향상시키는 중요한 요인이 된다. 따라서, 가스확산층의 평면 이방성에 따른 기계적 강성의 차이가 연료전지 체결시에 발생하는 변형 및 투과에 미치는 영향을 분석하고 최종적으로 성능 및 내구성에 미치는 영향을 실험 및 모델을 통해 분석하였다. 먼저 가스 확산층의 평면이방성에 따른 연료전지 성능 및 분리판의 기하구조에 따른 경향을 분석하기 위하여 유로의 채널부와 랜드부의 비에 따라서, 그리고 채널부의 깊이에 따라 각각 3개씩의 분리판을 제작하였다. 90도 가스확산층을 사용하는 연료전지가 0도 가스확산층을 사용하는 경우보다 모든 조건에서 성능이 높게 나왔으며 이는 연료전지 체결시 90도 가스확산층의 높은 기계적 강도에 따른 것으로 분석되었다. 또한, 분리판의 채널/랜드부의 비가 감소할수록 90도와 0도를 사용하는 연료전지의 성능과 고주파저항의 차가 더 크게 나타났으며 이는 랜드부의 비가 감소할수록 가스확산층이 변형 및 침투되는 경향이 강하게 나타나기 때문으로 분석된다. 그리고 유로의 깊이의 증가에 따라서는 공기의 압력저하가 유로 깊이의 증가로 인하여 감소하므로 전반적으로 성능이 증가하였다. 다음으로 연료전지 유로의 랜드부 아래 가스확산층의 반응가스의 투과성이 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 해석을 수행하였다. 가스확산층의 이방성을 모사하기 위하여 가스 투과도를 측정하는 장치를 제작하여 90도와 0도의 가스 투과도를 측정하였다. 그 결과 90도 가스확산층의 투과도가 0도의 경우보다 높게 나왔으며 측정된 값은 모델에 적용하였다. 모델을 수행한 결과, 90도 가스확산층의 경우 유로의 랜드부 아래에서 보다 높은 투과가 발생하였으며 고전류밀도에서 더욱 그 차이가 높게 나타났다. 마지막으로 고분자 전해질 막의 반복적인 팽창과 수축으로 인한 막전극 접합체 및 가스확산층의 내구성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 습/건조 공기를 반복적으로 주입하는 가속화 실험을 수행하였다. 3000회 반복 실험 결과 0도 가스확산층을 사용한 연료전지의 성능이 90도 가스확산층을 사용한 경우에 비해 성능 감소가 더욱확연히 나타났다. 또한 고주파 저항 및 크로스오버에서도 0도 가스확산층의 경우 그 증가율이 높게 나타났다. 이는 주사형 전자현미경을 사용하여 촬영된 이미지를 통해 검증되었다. 이러한 분석결과는 가스확산층의 평면이방성의 적용 및 분리판의 최적 설계를 통하여 성능을 보다 향상 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 내구성의 향상을 통하여 연료전지 시스템의 상용화를 앞당기기 위한 핵심 자료로써 활용 될 수 있을 것으로 기대한다.

Gas diffusion layers (GDLs) play important roles that include reactant gas transportation, electron conduction, liquid water management and structural supporting of membrane electrode assembly (MEA) in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). The macro-porous layer has anisotropic characteristics by preferential direction of mechanical properties. The in-plane anisotropy of GDL has both fiber directions that is perpendicular (designated by 90° GDL) and parallel (designated by 0° GDL) to the major flow when fuel cell components are assembled. Deformation and intrusion into the cell channel of GDL are inevitable during the cell assembly. Mechanical bending stiffness direction by the in-plane anisotropy can influence on the GDL deformation/intrusion and accordingly, the cell performance and durability. For analyzing clearly the effects of the GDL in-plane anisotropy, experimental and numerical studies are conducted. Firstly, the effects of GDL in-plane anisotropy on cell performance were investigated experimentally. For analyzing correlation between anisotropic bending stiffness of a GDL and geometries of bipolar plates, 6 bipolar plates having 3 different channel/land width ratios and 3 different channel depths are prepared. I-V performance of the fuel cells with 90° GDL are generally higher than those with 90° GDL. On the contrary, high-frequency resistance (HFR) of the fuel cells with 90° GDL is lower than those with 0° GDL due to the higher resistance to force of bipolar plates during fuel cell assembly. In experimental results by different channel/land width ratios, the differences of I-V performances and HFR values between 90° and 0° GDL cells gradually decrease with increasing land/channel width ratio. It is because that anisotropic stiffness effect of the GDLs with wider land is reduced due to the better support. Therefore, less deformation and intrusion into channel of fuel cells with 90° GDL can improve the fuel cell performance. Air pressure drop of all the fuel cells with 90° GDLs was similar to those with 0° GDLs because air flow in channel at sufficient wide channel height of 0.6 mm. The cross-sectional images of GDLs upon compression pressure support the results by 90° GDLs have less deformation. In experimental results by different channel depths, the differences of air pressure drop values between the 90° and 0° GDL cells were appeared. In shallowest channel, the air pressure drop values of the 0° GDL cells were clearly higher than those of the 90° GDL cells due to more intrusion of 0° GDL into the channel. However, other channels except the shallowest channel appear no significant difference presumably due to the exceptional increase in the air pressure may cause more deformation and poor contact status of the GDLs in the fuel cell. In dead-end mode, the peak voltage of the 0° GDL cell was also higher than 90° GDL indicating the higher contact resistance in 0° GDL cell. Also, the purge interval of the fuel cell with 0° GDL was also longer than that of the fuel cell with 90° GDL implying the difference of GDL porosity reduction between both to 90° and 0° GDL cells at same cell assembly pressure. The averaged voltages of 90° GDL cell were higher than those of 0° GDL cell and the difference is more obvious at higher current density owing to the higher contact resistance in the higher current density. Numerical model using commercial computational fluid dynamics (CFD) was conducted for analyzing the effect of anisotropic GDLs on cell performance by gas permeation through the cell channel. Permeability of anisotropic GDLs for applying to model simulation was measured. Afterwards, same geometry as single cell used in chapter 3 was applied in this model. The voltage difference in high current density over 0.9 A/cm2 was relatively distinct, whereas the voltage difference in low current density below 0.9 A/cm2 was negligible. The simulation results show that the higher performance was induced by gas permeation through the cell channels. By the result, it is identified that not only contact resistance by GDL deformation but also gas permeation through the cell channel influence on the cell performance. Lastly, the effect of in-plane anisotropic characteristics on the mechanical degradation of an MEA was investigated using an AST. The wet/dry cycling method was adopted to cause mechanical degradation of the MEA. I–V performances and HFRs of the 90° GDL cell and 0° GDL cell were measured every 500 cycles and hydrogen crossover rates were measured every 1000 cycles. I–V performance and HRF drop of the 0° GDL fuel cell according to wet/dry cycles was higher because the 0° GDL had lower resistance to stress by repetitive membrane swelling/shrinkage than the 90° GDL. The increase in the hydrogen crossover rate of the 0° GDL fuel cell was higher than that of the 90° GDL fuel cell because of mechanical degradation of the MEA. Through SEM, it was shown that the MEA deformation of 0° GDL fuel cells was more severe than that of the 90° GDL fuel cell after wet/dry cycles. No spatial gap due to deformation of the 90° GDL under compression was detected

however, a gap for the 0° GDL was observed. These results support our assumptions that a higher resistance of the GDL to repetitive membrane swelling/shrinkage by wet/dry cycles increases the performance and durability of the fuel cell. It was identified that cell performance can be improved by simple adjustment of GDL arrangement during cell assembly. The results about the effects by geometry of bipolar plates can be helpful for optimum designs of fuel cell components. Also, this effort to minimize the GDL deformation and degradation will bring forward the commercialization of PEMFC.