PEM 연료전지의 성능에 대한 전기접촉저항의 영향

국문 초록 (Abstract)

연료전지 내부에 BPP와 GDL 사이의 경계면에서 발생하는 불완전한 접촉 때문에 전기접촉저항이 발생한다. GDL과 membrane은 hot press로 붙여지거나, hot press로 제작을 하지 않더라도 구동을 하는 중 저절로 hot pressing 되어 붙기 때문에 GDL과 membrane사이의 전기접촉저항은 상대적으로 미미하여 고려하지 않는다.
이 논문에서는 FEM을 이용하여 수치해석 모델을 만들어 접촉저항을 측정하였다. 좀더 정확한 해석을 위해 GDL의 실제 표면을 confocal scanning laser microscope (CSLM) 으로 측정하여 데이터를 얻었고, 이 표면을 ABAQUS package를 이용하여 FEM 모델링을 하였다. 기계적 변형 및 응력 해석을 통해 접촉 면적과 접촉 압력 및 변형된 형상에 대한 정보를 얻었고 이 정보를 이용하여 전기 전도 해석을 통해 접촉면에서의 전류와 전압 값을 찾아 전기접촉 저항을 계산하였다. 스케일에 따른 접촉현상을 알아보기 위해 Multiscale contact analysis 수행하였고, 오류 해석을 통하여 전기접촉저항의 정확한 값을 예측하였다.
하중에 따라 GDL 다공성이 어떻게 변화하는지 FEM 해석을 통해 여러 종류의 GDL을 사용하여 알아 보았다. 이 해석 결과 BPP와 GDL의 접촉 표면의 가장자리에 가장 많은 다공성 감소가 나타났다. 이러한 GDL 다공성 감소는 GDL 내부에서의 물과 가스의 확산을 방해하기 때문에 GDL 다공성 감소를 최소화하기 위해 BPP rib 형상을 변경하였다. 20가지가 넘는 모델 중 cylindrical 모델이 가장 성능이 좋은 모델로 나타났다.
FEM 해석 만으로는 cylindrical모델에서 최적의 반지름을 찾을 수가 없다. 따라서 다공성에서 가장 좋은 결과가 나온 반지름 4mm 모델과 전기접촉저항에서 가장 좋은 결과가 나온 반지름 5mm 모델을 multi physics해석을 통해 연료전지 성능을 측정해 비교해 보았고, BPP rib 의 형상 변경이 연료전지 전체 성능을 얼마나 개선 시킬 수 있는지 알아보았다.