[논문]고분자전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 다층 코팅의 증착

윤영훈; 정훈택; 차인수; 최정식; 김동묵; 정진호

doi:10.4191/kcers.2008.45.8.472

고분자전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 다층 코팅의 증착
Multi-layered Coating Deposited on PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Bipolar Plates 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.45 no.8 = no.315, 2008년, pp.472 - 476

윤영훈 (동신대학교 수소에너지학과) , 정훈택 (동신대학교 수소에너지학과) , 차인수 (동신대학교 수소에너지학과) , 최정식 (동신대학교 수소에너지학과) , 김동묵 (동신대학교 수소에너지학과) , 정진호 (전남대학교 물리학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The surface region of commercial stainless steel 304 and 316 plates has been modified through deposition of the multi-layered coatings composed of titanium film ($0.1{\mu}m$) and gold film ($1-2{\mu}m$) by an electron beam evaporation method. XRD patterns of the stainless steel plates deposited with conductive metal films showed the peaks of the external gold film and the stainless steel substrate. Surface microstructural morphologies of the stainless steel bipolar plates modified with multi-layered coatings were observed by AFM and FE-SEM images. The stainless steel plates modified with $0.1{\mu}m$ titanium film and $1{\mu}m$ gold film showed microstructure of grains of under 100 nm diameter. The external surface of the stainless steel plates deposited with $0.1{\mu}m$ titanium film and $2{\mu}m$ gold film represented somewhat grain growth of Au grains in FE-SEM image. The electrical resistance and water contact angle of the stainless steel bipolar plates modified with multi-layered coatings were examined with the thickness of the gold film.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 고분자전해질 연료전지의 bipolar plate의 전기전도성을 향상시키기 위해 noble metal film을 증착하였다. 고분자전해질 연료전지의 bipolar plate의 소재로서 stainless steel 304, 316 plate에 고품질의 박막을 형성시키고자 E-beam method를 이용하여 gold와 titanium의 metallic film들을 증착하였다.

제안 방법

고분자전해질 연료전지의 bipolar plate의 소재로서 stainless steel 304, 316 plate에 고품질의 박막을 형성시키고자 E-beam method를 이용하여 gold와 titanium의 metallic film들을 증착하였다. Gold-titanium의 multilayered coating이 형성된 stainless steel plate에 대해 XRD pattern에 의한 상분석이 이루어졌으며, bare stainless steel과 Gold-titanium의 multi-layered coating이 형성된 stainless steel plate 표면의 전기저항이 측정되었다. Goldtitanium의 multi-layered coating이 형성된 stainless steel plate의 미세구조 형상이 AFM과 SEM에 의해 관찰되었으며, water contact angle이 조사되었다.
Gold-titanium의 multilayered coating이 형성된 stainless steel plate에 대해 XRD pattern에 의한 상분석이 이루어졌으며, bare stainless steel과 Gold-titanium의 multi-layered coating이 형성된 stainless steel plate 표면의 전기저항이 측정되었다. Goldtitanium의 multi-layered coating이 형성된 stainless steel plate의 미세구조 형상이 AFM과 SEM에 의해 관찰되었으며, water contact angle이 조사되었다.
SUS plate 표면에 0.1 µm titanium film을 증착한 후, 1 µm와 2 µm gold film을 증착하여 시편을 제작하였다.
Korea)를 이용하여 Atomic Force Microscopy (AFM) mode를 통해 이루어졌으며, Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM, JSM 6700F, JEOL, Japan)을 이용하여 SEI mode에서 표면을 관찰하였다. Stainless steel과 multi-film 증착된 시편들에 대해 contact angle measuring system (Easydrop, KRUSS, Germany)를 이용하여, water contact angle을 측정하였다.
Stainless steel과 multi-layered coating이 형성된 plate들의 전기저항은 I-V sourcemeter (Keithley, USA)에 의해 측정하였으며, 최대인가전류 : 500 µA~5 A, current noise는 5 nA 이내, 전압측정 범위는 1 µV~40 V 조건에서 측정하였다.
전기저항의 측정은 plate 표면에 대해 two-point probe가 접촉하는 것에 의해 측정하였다. Surface morphology 관찰은 Scanning Probe Microscope (XE-200, PSIA corp. Korea)를 이용하여 Atomic Force Microscopy (AFM) mode를 통해 이루어졌으며, Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM, JSM 6700F, JEOL, Japan)을 이용하여 SEI mode에서 표면을 관찰하였다. Stainless steel과 multi-film 증착된 시편들에 대해 contact angle measuring system (Easydrop, KRUSS, Germany)를 이용하여, water contact angle을 측정하였다.
본 연구에서는, 고분자전해질 연료전지의 bipolar plate의 전기전도성을 향상시키기 위해 noble metal film을 증착하였다. 고분자전해질 연료전지의 bipolar plate의 소재로서 stainless steel 304, 316 plate에 고품질의 박막을 형성시키고자 E-beam method를 이용하여 gold와 titanium의 metallic film들을 증착하였다. Gold-titanium의 multilayered coating이 형성된 stainless steel plate에 대해 XRD pattern에 의한 상분석이 이루어졌으며, bare stainless steel과 Gold-titanium의 multi-layered coating이 형성된 stainless steel plate 표면의 전기저항이 측정되었다.
Stainless steel과 multi-layered coating이 형성된 plate들의 전기저항은 I-V sourcemeter (Keithley, USA)에 의해 측정하였으며, 최대인가전류 : 500 µA~5 A, current noise는 5 nA 이내, 전압측정 범위는 1 µV~40 V 조건에서 측정하였다. 전기저항의 측정은 plate 표면에 대해 two-point probe가 접촉하는 것에 의해 측정하였다. Surface morphology 관찰은 Scanning Probe Microscope (XE-200, PSIA corp.

대상 데이터

1. XRD patterns of the stainless steel 304 plates deposited with Ti film and Au film. TA-110 (1 µm Au / 0.

이론/모형

Titanium film과 gold film의 증착은 E-beam method (Electron Beam Evaporator, World Science Co., Korea)를 활용하였고, 10−6 torr vacuum (in operation)의 조건에서 행하였다.

성능/효과

7) 고분자전해질 연료전지 스택에 있어서 bipolar plate는 40% 정도의 매우 높은 가격 비중을 차지하며, 중량 비율이 80%로서 매우 높은 편이다. 고분자전해질 연료전지의 bipolar plate로 활용하기 위해 요구되는 특성으로는 낮은 가격, 우수한 가공성, 기계적 강도, 전기 전도성, 낮은 밀도, 낮은 기체 투과율, 부식저항성 또는 화학적 안정성 외에도 고분자전해질 연료전지의 작동 하에서 발생되는 물의 배출 및 순환기능을 위해 bipolar plate의 표면 특성 또는 wetting 거동 등이 관련된다.
Multilayered coating으로 개질된 stainless steel plate의 surface morphology에서는 대략 100 nm 정도의 직경을 가지는 입자들이 관찰되었으며, external gold film의 thickness가 1 µm에서 2 µm으로 증가함에 따라 입자크기가 다소 증가하는 경향을 나타냈다.
1 µm)의 매우 높은 water contact angle들을 나타냈다. 일반적으로 고분자전해질 연료전지 바이폴라 플레이트는 생성된 물의 관리를 위해 비교적 높은 접촉각이 요구되며, 본 연구에서, stainless steel 표면에 titanium interlayer와 external gold film의 증착을 통한 표면개질은 stainless steel plate의 water contact angle을 현저하게 증가시키는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자전해질 연료전지 시스템에서 바이폴라 플레이트의 역할은?	고분자전해질 연료전지는 짧은 시동시간과 부하변화에 대한 빠른 응답특성 등을 발현하므로 차량용 연료전지로 채택되어 상용화를 위한 꾸준한 노력이 이루어지고 있다.1-3)고분자전해질 연료전지 시스템의 상용화 및 부품의 개발에 있어서 가장 핵심적으로 다루어지고 있는 것은 연료 전지 스택들 간의 전극을 연결해주는 역할을 하는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)이다.4-6)
	고분자전해질 연료전지가 차량용 연료전지로 채택된 이유는?	고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)를 활용한 미래의 수송용 전력공급 시스템의 연구개발이 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 고분자전해질 연료전지는 짧은 시동시간과 부하변화에 대한 빠른 응답특성 등을 발현하므로 차량용 연료전지로 채택되어 상용화를 위한 꾸준한 노력이 이루어지고 있다.1-3)고분자전해질 연료전지 시스템의 상용화 및 부품의 개발에 있어서 가장 핵심적으로 다루어지고 있는 것은 연료 전지 스택들 간의 전극을 연결해주는 역할을 하는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)이다.
	바이폴라 플레이트의 단점은?	고분자전해질 연료전지에 이용되는 bipolar plate 소재는 대부분 고밀도 흑연(graphite)을 기계적 가공하여 제작하고 있으며, 가공비용이 높은 점이 단점으로 지적되고 있다.7) 고분자전해질 연료전지 스택에 있어서 bipolar plate는 40% 정도의 매우 높은 가격 비중을 차지하며, 중량 비율이 80%로서 매우 높은 편이다.

참고문헌 (12)

V. Mehta and J.S. Cooper, "Review and Analysis of PEM Fuel Cell Design and Manufacturing," J. Power Sources, 114 32-53 (2003)

상세보기
P. Coatamagna and S. Srinivasan, "Quantum Jumps in the PEMFC Science and Technology from the 1960s th the Year 2000: Part I. Fundamental Scientific Aspects," J. Power Sources, 10 242-52 (2001)
J. Wind, R. Spah, W. Kaiser, and G. Bohm, "Metallic Bipolar Plates for PEM Fuel Cells," J. Power Sources, 105 256-60 (2002)

상세보기
M.P. Brady, H. Wang, B. Yang, J. A. Turner, M. Bordignon, R. Molins, M. Abd Elhamid, L. Lipp, and L.R. Walker, "Growth of Cr-Nitrides on Commercial Ni-Cr and Fe-Cr Base Alloys to Protect PEMFC Bipolar Plates," International J. Hydrogen Energy, 32 3778-88 (2007)

상세보기
A. Hermann, T. Chaudhuri, and P. Spagnol, "Bipolar Plates for PEM Fuel Cells: A Review," International J. Hydrogen Energy, 30 1297-302 (2005)

상세보기
R. Blunk, F. Zhong, and J. Owens, "Automotive Composite Fuel Cell Bipolar Plates : Hydrogen Permeation Concerns," J. Power Sources, 159 533-42 (2006)

상세보기
S. Joseph, J. C. Mcclure, R. Chianelli, P. Pich, and P. J. Sebastian, "Conducting Polymer-coated Stainless Steel Bipolar Plates for Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)," International J. Hydrogen Energy, 30 1339-44 (2005)

상세보기
J. Huang, D. G. Baird, and J. E. McGrath, "Development of Fuel Cell Bipolar Plates from Graphite Filled Wet-lay Thermoplastic Composite Materials," J. Power Sources, 150 110-19 (2005)

상세보기
M. P. Brady, K. Weisbrod, I. Paulauskas, R. A. Buchanam, K. L. More, H. Wang, M. Wilson, F. Garzon, and L. R. Walker, "Preferential Thermal Nitridation to form Pin-hole Free Cr-nitrides to Protect Proton Exchange Membrane Fuel Cell Metallic Bipolar Plates," Scripta Materialia, 50 1017-22 (2004)

상세보기
N. Kazufumi, Y. Eiichi, G. Hisaaki, H. Kazuhito, U. Makoto, O. Hideo, S. Yasushi, K. Teruhisa, M. Toshihiro, and N. Junji, Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, European patent, 1094535, 2001
S. H. Wang, J. Peng, W. B. Lui, and J. S. Zhang, "Performance of the Gold-plated Titanium Bipolar Plates for the Light Weight PEM Fuel Cells," J. Power Sources, 162 486-91 (2006)

상세보기
A. K. Iversen, "Stainless Steels in Bipolar Plates-surface Resistive Properties of Corrosion Resistant Steel Grades During Current Loads," Corrosion Science, 48 1036-58 (2006)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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