사형 구조의 성능 측정 시스템에 압력조절기(Back Pressure Regulator, BPR)를 추가하여 내부의 압력을 1 bar로 유지한 상태에서 동일한 성능 측정 방법으로 분극 곡선을 그렸으며 관련 데이터를 5 Ch. Serpentine(S3 P)로 표현하였다. Figure 12는 1 bar 가압 조건에서 실험한 5 채널 사형 구조와 가압을 하지 않은 사형 구조, 구리 폼 S3의 분극 곡선을 표현한 것이다. 가압 조건 하의 사형 구조 실험에서는 가압 유지를 위하여 모든 전류밀도 조건에서 2000 mA/cm2에 상응하는 양론에 실험 배수(애노드 1.5, 캐소드
2.0)를 곱한 유량을 분극 곡선 실험 내내 지속적으로 공급하였으며 이는 Figure 9에
해당하는 실험보다 더 많은 반응 유체가 공급됨을 의미한다. 가압 조건 하에서 실험된 사형 구조의 전압 프로필은 모든 전류밀도 구간에서 가압하지 않은 사형 구조의 전압 프로필보다 높은 셀 전압을 보였다. 또한 OCV부터 800 mA/cm2까지는 3.2 mm의 구리 폼을 사용한 S3보다도 높은 전압 프로필을 보였는데, 이는 저전류밀도 영역에서도 반응 유체의 과공급으로 인한 성능 증가로 판단된다. 800 mA/cm2부터 셀 전압이 한계 전압에 도달할 때까지의 가압 조건 하의 사형 구조에 대한 전압 프로필을 살펴보면, 역시 구리 폼을 사용한 S3과의 전압 손실로 인한 격차가 벌어지며 물질 전달 능력에 한계를 보이는 것을 확인하였다. 임피던스 분광법을 통하여 각 전류 영역에서의 손실을 자세히 분석하였으며 Figure 13에 Nyquist plot과 각 시료에 대한 저항 비교 그래프를 표현하였다. Figure 13(a)는 5 A(200 mA/cm2) 조건에서 측정되었으며, 가압 조건에 대한 오믹 저항이 가압하지 않은 사형 구조와 구리 폼의 오믹 저항보다 낮았다. Figure 13(b)는 30 A(1200 mA/cm2) 조건에서 수행되었는데, 가압 사형 조건의 전하 전달 저항이 일반 사형 조건보다 51% 낮은 값으로 측정되었다. 동일한 전류 조건에서 구리 폼의 전하 전달 저항은 일반 사형 조건보다 84% 낮았다. 전하 전달 저항은 고전류밀도 영역에서 더 많은 물이 전기화학 반응으로 인해 생성됨에 따른 전해질 막의 친수 비율이
방해되는 요소(압력, 유로 형태 등)를 포함하기 때문에 더 낮은 전하 전달 저항 값을 갖는 것으로 판단된다.
앞선 결과를 바탕으로 유로 형태에 상관없이 내부에 걸리는 압력의 증가를 통하여 중전류밀도 영역에서 연료전지의 오믹 저항이 감소하였다고 판단할 수 있다. 또한 전하 전달 손실과 물질 전달 저항은 금속 폼을 연료전지의 반응물 분배 장치로 사용했을 때 사형 구조의 물질 전달 저항보다 낮은 결과를 통하여, 압력과 반응물 분배 장치의 형태가 지배적인 영향을 끼친 것으로 사료된다. 분극 곡선을 통해 비교하면, Figure 14에 나타난 것처럼 각 전류밀도 구간에서의 지배적인 손실 영향으로 그 원인을 파악할 수 있다. Figure 14(a)에서는 압축 비율에 따른 S1과 S3의 분극 곡선을 볼 수 있는데, S1과 S3의 압축 비율은 각각 37.5%, 84.8%이다. 압축 비율의 증가는 곧 금속 폼 내부의 기공율을 감소시키고, 결과적으로 유로에 걸리는 압력을 증가시킨다. 따라서 중전류밀도 영역에서의 오믹 저항에 의한 전압 손실은 더 높은 압축 비율의 금속 폼을 사용하여 내부의 압력을 높임으로써 해결할 수 있었다. Figure 14(b)에서는 가압한 사형 구조와 S3의 분극 곡선이며, Figure 14(a)에서 언급한 성능 격차의 원인이었던 압력 차이를 가압 환경 조성을 통해 극복한 모습을 보였다. 단, 고전류밀도 영역에서의 물질 전달 저항에 의한 전압 손실은 유로 구조가 다른 태생적 한계로 인한 성능 차이에 기인한다고 판단할 수 있다.
Figure 12. Cell performance of S3(3.2 mm) copper foam and serpentine design.
Figure 13. Effects of applied additional pressure by BPR on fuel cell resistance. (a) Nyquist plot for 5A, (b) 30A condition and (c) differences on charge transfer resistance and ohmic resistance for each
sample at 30A condition.
Figure 14. Fuel cell performance difference with polarization curve. Effect of (a) foam compression and (b) flow distributor.