Study on the performance enhancement of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) by modifying bipolar plate

Abstract

수소연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 이용해 전기에너지를 생산해 내는 기관으로 부산물로 물만이 발생되는 환경 친화적인 에너지원이다. 오늘날 화석연료 사용에 따른 환경오염문제, 화석연료 고갈에 따른 신 에너지원 개발의 필요성에 따라 수소연료전지는 친환경-신재생 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 수소연료전지의 많은 장점들에도 불구하고 가격요인, 여러 기술적 제약으로 인해 널리 상용화 되지 못하고 있는 실정이다. 특히 높은 출력을 얻기 위해 반응면적을 넓히고 많은 분리판을 적층하는 과정에서 부피와 무게가 증가하여 상용화하는데 큰 어려움이 있다. 본 연구에서는 위와 같은 문제를 해결하기 위하여, 같은 단위면적에서 고출력을 발생시킬 수 있는 연료전지를 개발하고자 하였다. 그 방법으로 공기극 분리판의 유로구조를 변화시켜 반응기체의 확산을 개선하고, 생성수의 관리가 잘 이루어 질 수 있는 연료전지를 설계하였다. 본 연구에서는 크게 두 가지의 새로운 유로구조를 제안하였다. 첫 번째로, 공기극 유로구조를 모두 없애고 금속 다공체(메탈폼) 를 삽입하였다. 기공크기가 서로 다른 다섯 가지의 금속 다공체를 사용하여 성능을 평가하였으며, 기존 사형유로구조와 비교하였다. 그리고 금속 다공체를 삽입한 연료전지의 동특성 분석 실험을 수행하여, 기존의 연료전지에 비해 빠른 반응성과 안정성을 나타냄을 보였다. 두 번째로, 기존의 사형유로구조를 유지하되, 유로의 깊이가 서서히 얕아지는 경사진 유로를 적용한 연료전지의 성능평가를 수행하였다. 유로의 깊이가 얕아짐에 따라 반응기체의 흐름속도가 증가되어 생성수를 효과적으로 제거하고, 점점 옅어지는 산소농도에도 불구하고 확산이 잘 이루어 질 수 있도록 고안되었다. 실험 결과, 새로운 유로구조를 적용한 두 가지의 연료전지 모두 기존의 사형유로구조를 적용한 연료전지보다 고성능을 나타내었으며, 반응기체의 고른 확산, 생성수의 효과적인 관리 측면에서 개선되었음을 확인 할 수 있었다. 이 같은 결과들은 유로구조의 개선만으로 같은 반응면적에서 획기적인 성능증가가 가능함을 보인 것으로, 유로구조 연구의 중요성을 시사하는 것이라 할 수 있다. 또한 유로, 분리판에 대한 지속적인 연구를 통해 연료전지의 소형화, 경량화를 이루어, 보다 많은 분야에서 연료전지가 적용될 수 있을 것이라 예상한다.

Researchers have made an effort to increase the performance of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) by using many ways. In order to commercialize fuel cell, it is necessary to make fuel cell small and light. Therefore lots of methods have invented to generate more power per unit active area. Although fuel cell is composed of many parts, especially channel design affects the performance a lot. Well-designed channel structure makes reactant gases diffuse to active area evenly and manages produced water efficiently. So, making optimal channel structure is significant for high current density fuel cell. In this study, we have focused on cathode channels and suggested novel design. At first, the ribs and channels of cathode bipolar plate were removed and porous media was inserted at the cathode channel region. We chose metal foam as a flow distributor. Several different metal foams were adopted and measured the performance. As a result, fuel cell with metal foam showed better performance entirely and kept high voltage even at the high current density region. Also, steady and dynamic responses were also evaluated to verify that reactant gas can be distributed well inside the channel region. Second, inclined channels were installed at the cathode side instead of using conventional channels. Due to the shallow depth of channels near the outlet, the velocity of reactant gas is increased. The accelerated gas removed water well and, consequently, fuel cell with inclined channel indicated better performance compared to the conventional fuel cell. These results imply that only changing channels appropriately can lead to high performance fuel cell and will motivate many researchers to invent new generation fuel cell.