Studies on the Performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell with Porous Flow Field

Abstract

고분자 전해질막 연료전지 시스템은 산소와 수소의 전기화학반응을 이용하여 전기를 발전시키는 시스템이다. 연료전지는 부산물로 순수한 물만을 배출하기 때문에 수년간 친환경 대체 에너지 기술로 각광받고 있다. 그러나 연료전지 기술 상용화를 위해서는 아직 해결해야할 몇 가지 난제들이 남아있다. 그 중에서 연료전지 시스템의 출력 및 효율을 높이는 것은 매우 중요하다. 연료전지 시스템의 성능을 높이기 위해서는, 전기화학반응 손실들을 최소화해야 하는데, 전기화학 손실을 줄이는 방법으로 연료전지 유로를 새롭게 설계하는 방법이 있다. 따라서, 많은 연구자들이 연료전지 유로 설계 관하여 연구를 수행하였고 현재까지 평행 구조 유로, 사형 구조 유로, 다공성 유로, 다른 3D 구조체 유로 등 여러가지 종류의 연료전지 유로가 발달되어 왔다. 본 연구에서는 다공성 유로를 적용한 고분자 전해질막 연료전지의 성능에 관하여 연구를 수행하였다. 메탈폼(metal foam) 유로를 연료전지 양극 유로에 적용하였고, 첫째로, 극한 상황에서 메탈폼 유로를 적용한 연료전지의 성능 변화를 연구하였다. 가속 스트레스 시험을 설계하여 다공성 유로를 적용한 연료전지 성능의 기계적 열화 및 전기화학적 열화 현상을 실험적으로 관찰하였고 사형 구조 유로를 적용한 연료전지 성능 열화 현상 또한 관찰하여 두 실험 결과를 비교 분석하였다. 또한, 공급 연료가 부족한 경우 혹은 극심하게 낮은 가습 조건과 같은 극한 상황 조건에서 메탈폼 유로를 적용한 연료전지와 사형 구조 유로를 적용한 연료전지의 성능 변화를 관찰하였다. 결과적으로, 메탈폼을 적용한 연료전지의 성능 열화 비율이 사형 구조 유로를 적용한 연료전지에 비하여 조금 더 컸지만, 가속 스트레스 시험 이후에 메탈폼을 적용한 연료전지의 성능이 사형 구조 유료를 적용한 연료전지의 성능보다 여전히 높았다. 그리고 극한 작동 조건에서 다공성 유로를 적용한 연료전지가 높은 연료 이용률과 보다 효과적인 물 관리를 보였다. 다음으로, 본 연구에서는 공극률이 점차적으로 변하는 다공성 유로를 연료전지 양극 유로에 적용하였다. 연료전지 유로 내에서 전류 밀도, 온도, 공급 기체, 생성된 물의 분포가 일정하지 않기 때문에 이러한 연료전지 특성을 반영한 유로의 국부 설계는 불가피하다. 그러므로, 공극률이 점차적으로 변하는 다공성 유로를 국부 설계하였고, 여러 실험을 통하여 다공성 유로의 국부 설계로 인해 그렇지 않은 일반적인 다공성 유로를 적용하였을 때 보다 연료전지의 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 공극률이 점차적으로 변하는 다공성 유로를 연료전지에 적용하였을 때 공극률이 균일한 기존의 다공성 유로를 적용하였을 때 보다 연료전지의 최대 전력 밀도가 8.23% 증가하였다. 또한, 연료전지의 성능 향상을 연료전지 시스템 소모 전력 관점에서 분석하였고, 공극률이 점차적으로 변하는 국부 설계된 다공성 유로를 연료전지에 적용하였을 때 성능이 향상되는 원인을 연구하였다. 마지막으로, 기존의 양극 개방형 공냉식 연료전지의 문제점을 해결 하기 위하여 다공성 유로를 설계하여 적용하였고, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있었다. 전해질막에서 과도한 물 증발 및 공기 공급 부족과 같은 기존의 양극 개방형 연료전지의 문제점들을 해결하기 위하여 메탈폼 유로를 양극 개방형 연료전지 단위 셀에 적용하였다. 실험 연구를 통하여 메탈폼 유로를 양극 개방형 연료전지에 적용하였을 경우 그렇지 않은 경우 보다 최대 전력 밀도가 25.1% 향상됨을 확인하였고, 메탈폼 유로를 적용한 양극 개방형 연료전지는 작은 저항 손실 및 농도 손실을 보였다. 또한, 메탈폼 유로를 적용한 양극 개방형 연료전지는 전해질막이 과도하게 마르는 현상을 방지할 수 있다는 것을 수치해석을 통하여 입증하였다. 마지막으로, 메탈폼 유로를 적용 가능한 양극 개방형 공냉식 연료전지 스택(stack)을 설계 및 제작하였고, 연료전지 스택에서 연료전지 단위 셀과 상응하는 높은 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system generates electricity by using electrochemical reactions of oxygen and hydrogen. It has been in the spotlight for many years as an alternative eco-friendly energy system because it produces only pure water as a by-product. However, there are still several challenges to apply PEMFC technology into practice. Among several challenges, it is significant to have higher performance and efficiency of the fuel cell system. In order to improve the performance of the fuel cell system, electrochemical losses should be minimized. One of the methods to reduce these electrochemical losses is re-designing the flow field in the fuel cell. Therefore, many researches about designs of flow fields in the fuel cell have been performed, and there are several types of flow fields such as parallel flow field, serpentine flow field, porous flow field, and other 3D structures. In this study, the performance of the PEMFC with porous flow field was investigated. Metal foam flow field was used as the flow distributors in the cathode side of the fuel cell. Frist of all, performance change under various severe operating conditions for the PEMFC using metal foam flow field was scrutinized. Accelerated stress tests with and without load cycle were designed to investigate both mechanical degradation and electrochemical degradation of the fuel cell with metal foam flow field. In addition, the performance degradation of the fuel cell with conventional serpentine flow channel was examined to compare the differences between them. The performance responses of two fuel cells with serpentine flow channel and metal foam flow field were also compared under harsh operating conditions such as extremely low stoichiometric ratio and relative humidity values. The performance degradation rate of the fuel cell with metal foam flow field was slightly larger than that of the fuel cell with serpentine flow channel. However, the fuel cell with metal foam flow field showed still higher performance than that with serpentine flow channel after performance degradation. Furthermore, the fuel cell with metal foam flow field showed higher air utilization rate and better water management in low stoichiometric ratio and extremely low relative humidity, respectively. Secondly, several different metal foam flow fields with different porosity gradients were introduced and used as flow distributors in the fuel cell. It is significant to have locally non-uniform designs in the flow field since distributions of the current density, temperature, gas, and water concentration are usually non-uniform along the flow path in the PEMFC. Therefore, non-uniform porous flow fields were designed. By evaluating and analyzing polarization curve, power curve, and electrochemical impedance spectroscopy test results, it was verified that the tailored porosity gradient in the metal foam flow field had positive effects on the performance of the fuel cell. Maximum power density of the fuel cell with proper porosity gradient in the metal foam flow field increased by 8.23% compared with the conventional metal foam flow field without porosity gradient. Furthermore, the performance enhancement of the fuel cell was examined in the system net power aspect, and the reasons of performance enhancement of the fuel cell with proper porosity gradient were investigated. Lastly, other application of using the metal foam in the fuel cell field was introduced. Metal foam flow field was used as a novel way to improve the performance of the air-cooled open cathode PEMFC. Metal foam flow field was used in the cathode side of the planar unit fuel cell for the solution to conventional problems of the open cathode fuel cell such as excessive water evaporation from the membrane and poor transportation of air. Experiments were conducted, and the maximum power density of the fuel cell with metal foam increased by 25.1% compared with the conventional fuel cell without metal foam. The open cathode fuel cell with metal foam has smaller ohmic losses and concentration losses. In addition, the open cathode fuel cell with metal foam prevents excessive water evaporation and membrane drying out phenomena, and it was proven with numerical approach. Finally, the metal foam was applied to the air-cooled open cathode fuel cell stack as well as the planar unit cell. The newly designed air-cooled open cathode fuel cell stack with metal foam showed high maximum power density as much as the open cathode planar unit cell with metal foam.