[논문]고분자전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면형상과 전기적 특성

송연호; 윤영훈

doi:10.4191/kcers.2008.45.3.161

고분자전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면형상과 전기적 특성
Surface Morphology and Electrical Property of PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Bipolar Plates 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.45 no.3 = no.310, 2008년, pp.161 - 166

송연호 (조선대학교 생명화학공학과) , 윤영훈 (동신대학교 수소에너지학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The multi-films of a metallic film and a transparent conducting oxide (TCO, indium-tin oxide, ITO) film were formed on the stainless steel 316 and 304 plates by a sputtering method and an E-beam method and then the external metallic region of the stainless steel bipolar plates was converted into the metal nitride films through an annealing process. The multi-film formed on the stainless steel bipolar plates showed the XRD patterns of the typical indium-tin oxide, the metallic phase and the metal substrate and the external nitride film. The XRD pattern of the thin film on the bipolar plates modified showed two metal nitride phases of CrN and $Cr_2N$ compound. Surface microstructural morphology of the multi-film deposited bipolar plates was observed by AFM and FE-SEM. The metal nitride film formed on the stainless steel bipolar plates represented a microstructural morphology of fine columnar grains with 10 nm diameter and 60nm length in FE-SEM images. The electrical resistivity of the stainless steel bipolar plates modified was evaluated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

Bare stainless steel plate들과 TCO (ITO) film, metal lic film 및 chromium nitride film으로 표면이 구성된 multi-film 증착된 stainless steel plate들에 대한 water contact angle을 측정하였다. Bare SUS 304, 316 plate들은 대략 60 degree 정도의 값을 나타냈으며, metallic film 만 증착된 stainless steel bipolar plate들은 대략 80 degree, 90 degree를 각각 나타내었으며, ITO interlayer film을 포함한 multi-film 증착된 stainless steel plate들은 비교적 낮은 50-60 degree 범위의 contact angle을 나타내었다.
film을 증착하였다. Stainless steel plate 표면에 증착된 multi-film에 대해 XRD pattern0, ] 의한 상분석이 이루어졌으며, bare stainless steel 과 multi-film °] 증착된 stainless steel bipolar plate 표면의 전기저항이 측정되었다. Stainless steel 표면에 증착된 muti・film의 미세구조 형상이 AFM과 SEM에 의해 관찰되었으며, water contact angle이 조사되었다.
Stainless steel plate 표면에 증착된 multi-film에 대해 XRD pattern0, ] 의한 상분석이 이루어졌으며, bare stainless steel 과 multi-film °] 증착된 stainless steel bipolar plate 표면의 전기저항이 측정되었다. Stainless steel 표면에 증착된 muti・film의 미세구조 형상이 AFM과 SEM에 의해 관찰되었으며, water contact angle이 조사되었다.
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 anglemeter (Digidrop, GBX, France)를 이용하여, water contact angle을 측정하였다.
Stainless steel 표면에 형성된 TCO (ITO) film 및 Cr metallic film 의 결정상은 X-ray diffractometer (Xpert PRO, PAnalitical, The Netherlands)에 의해 확인되었다. Stainless steel과 multi~film이 코팅된 plate들의 전기저항은 i-v sourcemeter (Keithley, USA)에 의해 측정하였으며, 최대인가전류 : 500 uA〜5 A, current noise는 5 nA 이내 , 전압측정범위는 luV〜40V 조건에서 측정하였다. 전기저항의 측정은 plate 표면에 대해 two-point probe가 접촉하는 것에 의해 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 anglemeter (Digidrop, GBX, France)를 이용하여, water contact angle을 측정하였다.
본 연구에서는 PEMFC용 stainless steel plate 표면에 sputtering 방법에 의한 TCO (ITO) film과 E-beam 방법에 의한 chromium metallic film을 순차적으로 증착한 후, chromium metallic film에 대해 N₂ 분위기 하에서 열처리를 통해 chromium nitride film올 topcoat로서 형성시켰다. Interlayer로서 TCO (ITO) film은 200-600 nm, metallic film은 100nm 두께의 표면구조로 multi-film 증착된 stainless steel platei 구성하였다.
Metallic film과 ITO 句m의 multi书Im의 표면구조를 갖는 시편들을 annealing 및 nitridation을 거쳐 완성되었다. 열처리 조건은 nitrogen, 300°C, 1 min이었으며, 100°C/sec로 처리하였다. Stainless steel 표면에 형성된 TCO (ITO) film 및 Cr metallic film 의 결정상은 X-ray diffractometer (Xpert PRO, PAnalitical, The Netherlands)에 의해 확인되었다.
ITO film 형성은 sputtering 증착 이후 rapid therm시 annealing (RIA, MTR USA)을 통해 최종적으로 결정화를 거쳐 완성되었다. 열처리 조건은 nitrogen, 300°C, 1 min이었으며, 가열속도는 100°C/sec으로 처리하였다.
Stainless steel과 multi~film이 코팅된 plate들의 전기저항은 i-v sourcemeter (Keithley, USA)에 의해 측정하였으며, 최대인가전류 : 500 uA〜5 A, current noise는 5 nA 이내 , 전압측정범위는 luV〜40V 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

형성시켰다. Interlayer로서 TCO (ITO) film은 200-600 nm, metallic film은 100nm 두께의 표면구조로 multi-film 증착된 stainless steel platei 구성하였다. Multi-film 증착된 stainless steel plate들은 XRD pattern에서 TCO (ITO)와 chromium metal phase, 그리고 CrN 와 Ci^N와 같은 chromium nitride phase들을 나타내었다.
Stainless steel과 ITO 句m이 증착된 SUS plate에 대해 chromium metallic film을 1000A 두께로 형성하였다. Cr metallic film 증착은 E-beam method (Electron Beam Evaporator, World Science Co.

이론/모형

형성하였다. Cr metallic film 증착은 E-beam method (Electron Beam Evaporator, World Science Co., Korea)# 활용하였고, 10* torr vacuum (in operation), 1000 A 두께에 대해 15 min이 소요되었으며, 기판온도는 200°C에서 행하였다. Metallic film과 ITO 句m의 multi书Im의 표면구조를 갖는 시편들을 annealing 및 nitridation을 거쳐 완성되었다.
본 연구에서는 고분자전해질 연료전지 (PEMFC)의 bipolar plate의 소재로서 stainless steel 304, 316 plate에 sputter ing method오} E-beam method를 이용하여 transparent conducting oxide (TCO, indium-tin oxide, ITO) film 과 metallic film을 증착하였다. Stainless steel plate 표면에 증착된 multi-film에 대해 XRD pattern0, ] 의한 상분석이 이루어졌으며, bare stainless steel 과 multi-film °] 증착된 stainless steel bipolar plate 표면의 전기저항이 측정되었다.

성능/효과

Multi-film이 증착된 stainless steel plate들은 ITO film의 thickness와 metallic film의 증착에 따라 surface rou아mess 변화를 나타냈으며, ITO film 없이 chromium metallic film만을 증착한 시편에서 비교적 낮은 surface roughness를 나타냈다(Table 1). ITO thin film을 200 nm thickness로 증착시키는 과정에서 SUS plate의 본래의 rou않mess에 기인하여 시편들의 roughness가 증가하다가 ITO thickness/} 600nm까지 증가하면서 비교적 roughness가 낮은 ITO film이 증착되는 결과로 추정되었다. Multi-film 증착된 SUS plate 시편들의 AFM mor phology 관찰에서 self-ordered dot 형상이 관찰되기도 하였다.
2는 TCO (ITO, interlayer, thickness: 200-600 nm) film과 chromium metallic film (thickness: 100nm), chro mium metal nitride film으로 구성된 multi-film이 증착된 stainless steel plate들의 AFM surface morphology# 나타내고 있다. Multi-film이 증착된 stainless steel plate들은 ITO film의 thickness와 metallic film의 증착에 따라 surface rou아mess 변화를 나타냈으며, ITO film 없이 chromium metallic film만을 증착한 시편에서 비교적 낮은 surface roughness를 나타냈다(Table 1). ITO thin film을 200 nm thickness로 증착시키는 과정에서 SUS plate의 본래의 rou않mess에 기인하여 시편들의 roughness가 증가하다가 ITO thickness/} 600nm까지 증가하면서 비교적 roughness가 낮은 ITO film이 증착되는 결과로 추정되었다.
Metallic film으로만 증착된 SUS plate들은 bare SUS plate들과 거의 유사한 거동을 나타내거나, current. voltage 특성은 크게 차이를 나타내지 않았으며, TCO (ITO) film과 metallic 句m으로 구성된 multi・fikn이 증착된 SUS plate들은 bare SUS plate들에 비해 급격한 current voltage 특성변화를 나타냈다. ITO interlayer의 thickness의 변화에 따른 multi-film 증착된 plate들의 current-voltage 특성은 매우 유사한 것으로 나타났다.

후속연구

있다.「3)한편, 고분자전해질 연료전지는 다양한 범위의 전원으로 활용이 가능하며, 무게와 부피가 비교적 작아서 잠수함, 열차 등 폭넓은 분야에 적용될 수 있다. 따라서, 고분자전해질 연료전지 (PEMFC) 스택제작 기술 및 PEMFC 구성 부품과 소재 기술 개발을 통한 양산화 기술은 승용차, 버스, 가정용 전원으로의 보급과 산업시설에의 활용에 있어서 매우 중요한 과제로 대두되고 있다.

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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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