형상 구현 난이도가 높은 대형 후향곡면 팬을 설계하였으며, 팬의 성능은 전산유체역학으로 대략 예측하였다. 알루미늄 사형 주조를 위한 3개의 게이팅 시스템을 설계하여 팬을 제조하였다. 주조 시뮬레이션을 통해 용융 금속의 유동 패턴과 응고 과정을 분석하였다. 적용한 유형은 4개의 게이트를 갖는 바텀업(bottom-up), 10개의 게이트를 갖는 바텀업, 그리고 피더(feeder)를 갖는 탑다운(top-down) 3종이다. 4개의 게이트를 갖는 바텀업의 시뮬레이션 결과, 얇은 블레이드로 용융 금속이 유입되는 동안 큰 온도 손실이 발생하였으며, 액상선(liquidus) 온도 이하의 온도 범위가 나타났다. 비균일한 온도 분포로 인해 응고 패턴 또한 균일하지 않았다. 10개의 게이트를 갖는 바텀업은 유동 및 응고 패턴이 거의 유사하나, 용융 금속의 온도 손실을 약간 감소시키는 효과가 있었다. 탑다운 유형은 온도 손실이 훨씬 작았으며, 바텀업 유형에 비해 용융 금속이 몰드 캐비티로 더 잘 유입되고, 방향성 응고 패턴이 형성되었다. 또한 피더는 두꺼운 부분의 수축에 대한 보상 리저(riser) 역할도 하므로, 기공(porosity)에 관한 시뮬레이션 결과 역시 크게 감소하였다. 탑다운 유형으로 주조된 팬은 미충전 부위 없이 건전성을 확보하였다.

혁신적인 적층제조(additive manufacturing) 기법을 사용하여 제작된 스테인리스강 양극/양극(바이폴라) 플레이트(BP)는 연료전지 성능을 향상시키고 비용을 절감할 수 있다. 저가의 막-전극 어셈블리(MEA)에서 양극(anode) 측 백금(Pt) 로딩을 낮추는 한편, 직사각형 미세 채널을 갖는 BP를 사용함으로써 낮은 비용으로도 높은 전류 밀도를 얻을 수 있다. 직사각형 채널의 폭을 달리한 후, 뱀형(serpentine) 유로장(flow field)을 갖는 3종의 BP를 설계하였다. 두 가지 종류의 MEA를 사용하였다. 첫째는 양극에서 Pt 로딩이 0.12 mg cm −2 인 경우이고, 둘째는 0.50 mg cm −2 인 경우이다. 양극 Pt 로딩이 0.12 mg cm −2 인 MEA를 사용하면, 채널 폭이 감소할수록 높은 전류 밀도가 얻어진다. 300 µm 채널을 가진 BP의 전류 밀도는 1.205 A cm −2 로, 500 µm 채널을 가진 BP보다 31.4% 높고, 940 µm 채널을 가진 BP보다 70.2% 높다. 그러나 Pt 로딩이 0.50 mg cm −2 인 MEA를 시험에 적용하면 반대의 결과가 나타난다. 채널 폭이 좁아질수록 전류 밀도는 감소한다. 장기 운전에서는 단기 운전과 유사한 경향의 전류 밀도가 관찰된다.

양극판(bipolar plate, BP)에 적용되는 연료전지의 고성능을 위해서는 직사각형 채널, 마이크로채널 폭, 마이크로-리브, 충분한 채널 개수, 적절한 채널 깊이 및 혁신적인 유동장(flow field) 설계가 구성 관점에서 구현되어야 한다. 본 연구에서는 연료전지 성능을 향상시키기 위해 분말 베드 융합(powder bed fusion, PBF) 3D 프린터로 마이크로채널 유동장을 갖는 스테인리스강 BP를 제작하였다. 삼중 세르펜타인(triple serpentine) 유동장, 직사각형 채널, 300 μm 채널 폭, 300 μm 리브, 500 μm 채널 깊이를 갖는 BP를 설계하였다. 출력은 유동장까지 완벽하게 완료되었다. 열변형에 의한 굽힘 현상은 두께를 2 mm로 설계함으로써 제작된 BP에서는 발생하지 않았다. 제작된 스테인리스강 BP를 사용하여 성능 시험을 수행하였다. 전류밀도 값은 0.6 V에서 1.2052 A/cm2이었다. 이 값은 940 μm 채널(직사각형, 940 μm 리브, 및 500 μm 채널 깊이)을 갖는 BP보다 52.8% 더 높다. 또한 이 값은 940 μm 채널(직사각형, 940 μm 리브, 및 1000 μm 채널 깊이)을 갖는 흑연(graphite) BP보다 24.9% 더 높다. 전류밀도 값은 0.6 V에서 260 h 동안 측정하였다.

측면 충돌 시 충돌 특성을 향상시키기 위해 중심 기둥(center pillar)에 다양한 기법을 적용할 수 있다. 예를 들어, 패치워크(PW)를 중심 기둥에 용접하여 강성을 증가시킬 수 있으며, 부분 연화(PS)를 적용하여 연성(ductility)을 제공할 수 있다. 충돌 저항성을 평가하기 위해 고속도로 안전보험협회(Insurance Institute for Highway Safety, IIHS)가 측면 충돌 테스트를 수행한다. 그러나 각 자동차 부품에 대해 충돌 인성(collision toughness)과 에너지 분포 흐름(energy distribution flow)을 평가하기는 어렵다. 본 연구에서는 IIHS 지침에 따라 측면 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 중심 기둥을 PW와 PS 기법의 조합으로 열프레스 성형(hot press forming, HPF)했을 때, 충돌 인성과 에너지 분포 흐름에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 측면 충돌 동안 PW와 PS 기법의 역할이 확인되었다. PW는 변형률 에너지(strain energy)와 침입 변위(intrusion displacement)를 각각 10%와 7.5% 향상시켰으며, PS는 소성 변형 에너지(plastic deformation energy)와 침입 변위를 각각 10% 향상시켰다. PW와 PS를 HPF 중심 기둥에 동시에 적용했을 때 상호 상승 효과(synergistic effect)가 달성되었다.

형상 구현 난이도가 높은 대형 후향곡면 팬을 설계하였으며, 팬의 성능은 전산유체역학으로 대략 예측하였다. 알루미늄 사형 주조를 위한 3개의 게이팅 시스템을 설계하여 팬을 제조하였다. 주조 시뮬레이션을 통해 용융 금속의 유동 패턴과 응고 과정을 분석하였다. 적용한 유형은 4개의 게이트를 갖는 바텀업(bottom-up), 10개의 게이트를 갖는 바텀업, 그리고 피더(feeder)를 갖는 탑다운(top-down) 3종이다. 4개의 게이트를 갖는 바텀업의 시뮬레이션 결과, 얇은 블레이드로 용융 금속이 유입되는 동안 큰 온도 손실이 발생하였으며, 액상선(liquidus) 온도 이하의 온도 범위가 나타났다. 비균일한 온도 분포로 인해 응고 패턴 또한 균일하지 않았다. 10개의 게이트를 갖는 바텀업은 유동 및 응고 패턴이 거의 유사하나, 용융 금속의 온도 손실을 약간 감소시키는 효과가 있었다. 탑다운 유형은 온도 손실이 훨씬 작았으며, 바텀업 유형에 비해 용융 금속이 몰드 캐비티로 더 잘 유입되고, 방향성 응고 패턴이 형성되었다. 또한 피더는 두꺼운 부분의 수축에 대한 보상 리저(riser) 역할도 하므로, 기공(porosity)에 관한 시뮬레이션 결과 역시 크게 감소하였다. 탑다운 유형으로 주조된 팬은 미충전 부위 없이 건전성을 확보하였다.

혁신적인 적층제조(additive manufacturing) 기법을 사용하여 제작된 스테인리스강 양극/양극(바이폴라) 플레이트(BP)는 연료전지 성능을 향상시키고 비용을 절감할 수 있다. 저가의 막-전극 어셈블리(MEA)에서 양극(anode) 측 백금(Pt) 로딩을 낮추는 한편, 직사각형 미세 채널을 갖는 BP를 사용함으로써 낮은 비용으로도 높은 전류 밀도를 얻을 수 있다. 직사각형 채널의 폭을 달리한 후, 뱀형(serpentine) 유로장(flow field)을 갖는 3종의 BP를 설계하였다. 두 가지 종류의 MEA를 사용하였다. 첫째는 양극에서 Pt 로딩이 0.12 mg cm −2 인 경우이고, 둘째는 0.50 mg cm −2 인 경우이다. 양극 Pt 로딩이 0.12 mg cm −2 인 MEA를 사용하면, 채널 폭이 감소할수록 높은 전류 밀도가 얻어진다. 300 µm 채널을 가진 BP의 전류 밀도는 1.205 A cm −2 로, 500 µm 채널을 가진 BP보다 31.4% 높고, 940 µm 채널을 가진 BP보다 70.2% 높다. 그러나 Pt 로딩이 0.50 mg cm −2 인 MEA를 시험에 적용하면 반대의 결과가 나타난다. 채널 폭이 좁아질수록 전류 밀도는 감소한다. 장기 운전에서는 단기 운전과 유사한 경향의 전류 밀도가 관찰된다.

양극판(bipolar plate, BP)에 적용되는 연료전지의 고성능을 위해서는 직사각형 채널, 마이크로채널 폭, 마이크로-리브, 충분한 채널 개수, 적절한 채널 깊이 및 혁신적인 유동장(flow field) 설계가 구성 관점에서 구현되어야 한다. 본 연구에서는 연료전지 성능을 향상시키기 위해 분말 베드 융합(powder bed fusion, PBF) 3D 프린터로 마이크로채널 유동장을 갖는 스테인리스강 BP를 제작하였다. 삼중 세르펜타인(triple serpentine) 유동장, 직사각형 채널, 300 μm 채널 폭, 300 μm 리브, 500 μm 채널 깊이를 갖는 BP를 설계하였다. 출력은 유동장까지 완벽하게 완료되었다. 열변형에 의한 굽힘 현상은 두께를 2 mm로 설계함으로써 제작된 BP에서는 발생하지 않았다. 제작된 스테인리스강 BP를 사용하여 성능 시험을 수행하였다. 전류밀도 값은 0.6 V에서 1.2052 A/cm2이었다. 이 값은 940 μm 채널(직사각형, 940 μm 리브, 및 500 μm 채널 깊이)을 갖는 BP보다 52.8% 더 높다. 또한 이 값은 940 μm 채널(직사각형, 940 μm 리브, 및 1000 μm 채널 깊이)을 갖는 흑연(graphite) BP보다 24.9% 더 높다. 전류밀도 값은 0.6 V에서 260 h 동안 측정하였다.

측면 충돌 시 충돌 특성을 향상시키기 위해 중심 기둥(center pillar)에 다양한 기법을 적용할 수 있다. 예를 들어, 패치워크(PW)를 중심 기둥에 용접하여 강성을 증가시킬 수 있으며, 부분 연화(PS)를 적용하여 연성(ductility)을 제공할 수 있다. 충돌 저항성을 평가하기 위해 고속도로 안전보험협회(Insurance Institute for Highway Safety, IIHS)가 측면 충돌 테스트를 수행한다. 그러나 각 자동차 부품에 대해 충돌 인성(collision toughness)과 에너지 분포 흐름(energy distribution flow)을 평가하기는 어렵다. 본 연구에서는 IIHS 지침에 따라 측면 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 중심 기둥을 PW와 PS 기법의 조합으로 열프레스 성형(hot press forming, HPF)했을 때, 충돌 인성과 에너지 분포 흐름에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 측면 충돌 동안 PW와 PS 기법의 역할이 확인되었다. PW는 변형률 에너지(strain energy)와 침입 변위(intrusion displacement)를 각각 10%와 7.5% 향상시켰으며, PS는 소성 변형 에너지(plastic deformation energy)와 침입 변위를 각각 10% 향상시켰다. PW와 PS를 HPF 중심 기둥에 동시에 적용했을 때 상호 상승 효과(synergistic effect)가 달성되었다.

스티소(thixo) 공정은 미세한 1차 α-Al 입자가 균일하게 분포된 반고체 재료를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 고가의 원재료 빌릿이 필요하다는 단점 또한 존재한다. 본 연구에서는 레오(rheo) 공정에서 냉각과 전자기 교반을 통해 반고체 슬러리를 제조한 뒤, 반고체 슬러리를 이용하여 압연(upsetting) 공정으로 스티소 공정용 빌릿을 제작하였다. 이후 빌릿을 재가열(스티소 공정)하여 반고체 상태로 만든 다음, 성형 공정을 통해 최종 시편을 제조하였다. A356 및 A6061 소재 모두에서 1차 α-Al 입자의 등가직경은 레오, 압연, 스티소 및 성형 공정 전 과정에 걸쳐 더 작아졌으며, 원형도(roundness)는 1에 가깝게 향상되었다. 1차 α-Al 입자의 미세화 및 구상화 효과로 인해 각 공정에서 인장강도는 향상되었고, 연신율은 약간 감소하였다. 그러나 T6 열처리 후에는 A356의 인장강도는 감소한 반면, 연신율은 크게 향상되었다. 반면 A6061의 경우에는 인장강도가 유의하게 향상되었으며, T6 열처리 후 연신율은 감소하였다.

TWB-HPF 22MnB5 강의 인장시험에 대한 유한요소(FE) 해석을 수행하고 실험 결과와 비교하였다. 시뮬레이션의 정확도를 향상시키기 위해 2D 및 3D 시뮬레이션에서 FLD 손상 이론과 연성 손상 이론을 사용하였다. FE 시뮬레이션을 위해 22MnB5 강의 인장강도를 다양한 용접 열 입력 조건에서 결정하였다. 용접부의 균열 전파는 일반적인 용접 조건에서는 모재에서 파괴가 관찰됨을 나타냈다. 또한 용접의 열 입력이 더 클 때 균열이 HAZ(열영향부) 영역을 따라 전파되었으며, 이에 따라 선행(리드) 파단이 잠재적 합병증으로 강조되었다.

아래에서부터의 게이트 제어 충전(bottom-up gated filling) 시스템을 수행하여 아연 합금의 샌드 캐스팅을 통해 웜휠을 제조하였다. 두 개의 웜휠을 동시에 주조하는 대칭형 설계로, 웜휠은 중력 방향으로 세워서 배치하였으며, 용탕을 아래쪽에서부터 붓도록 한 게이팅 시스템을 갖추었다. 설계된 몰 캐비티의 회수율은 60%였다. 주조 분석을 통해 용융 아연 합금이 게이트를 통과할 때 난류 없이 순차적으로 웜휠이 채워지는지를 확인하였다. 초기 투입되는 용융 아연 합금의 속도는 불안정하였으나, 연속 유입에 의해 일정한 속도를 유지하면서 안정화되었다. 방향성 응고 결과는 확인되었다. 통합 몰 캐비티 패턴은 3D 프린터로 제작하였고, 이에 따라 샌드 몰드를 제조하였다. 결함이 없는 건전한 웜휠은 샌드 캐스팅을 통해 제작할 수 있었다.

맞춤 용접 블랭크(TWB)와 열간 프레스 성형(HPF)을 사용하여 22MnB5 블랭크를 네 가지 조건에서 표면 처리하였다. 네 가지 표면 처리 조건 하에서 FexAly 화합물의 침투율을 조사하고, 경도 값을 측정하였다. 유한요소(FE) 시뮬레이션을 수행하여 열영향부(HAZ)의 특성을 하드니스 값과 이전 연구자의 결과를 이용해 고찰하였다. 특히, 메시의 기계적 물성 설정은 열영향부에서의 FexAly 화합물 조건을 구현하도록 설계되었다. 열영향부 구간을 분할하여 정밀 메싱을 수행하였다. 열영향부의 FexAly 화합물에 대한 기계적 특성에서 강도는 경도 값으로부터 예측하였고, 연신율 값은 다른 연구자들이 조사한 결과를 사용하였다. 연신율에 비례하는 성형한계도(FLD)를 예측하였다. FexAly 화합물이 존재하는 특정 요소들을 불순물과 동일한 역할을 하는 영역으로 정의하였다. 네 가지 표면 처리 조건에 따른 서로 다른 열영향부 특성을 갖는 인장 TWB–HPF 시편을 제작하였다. 실험과 FE 시뮬레이션을 수행하여 비교하였다. 세부 내용은 다음과 같다. 하중의 경우 최소 오차율 3%, 최대 오차율 6%를 얻었다. 변위의 경우 최소 오차율 9%, 최대 오차 25%를 얻었다. 시뮬레이션의 타당성은 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하여 검증하였다. 75% 이상 수준의 일치를 얻었다.