[국내논문]금속분리판의 Electro Polishing 및 CrN 코팅을 통한 PEMFC 성능 향상을 위한 연구 A Study to Improve PEMFC Performance by Using Electro Polishing and CrN Coating on Metal Bipolar Plate원문보기
As an important component of a fuel cell, the bipolar plate comprises a large proportion in the fuel cell's volume, weight and price. The bipolar plate is the most widely used; however, graphite bipolar plate is large in volume, brittle and therefore easily broken during assembling. In addition, due...
As an important component of a fuel cell, the bipolar plate comprises a large proportion in the fuel cell's volume, weight and price. The bipolar plate is the most widely used; however, graphite bipolar plate is large in volume, brittle and therefore easily broken during assembling. In addition, due to its poor machinability, production costs a lot, unless mass production. Compared with the graphite bipolar plate, the metal bipolar plate has good machinability, high electric conductivity and strong mechanical strength; however, it corrodes easily and has a high contact resistance, so in order to prevent corrosion and reduce the contact resistance, the basic metal needs to be processed by use of electro polishing and coating. The water which is produced by electrochemical reactions in the fuel cell must be discharged smoothly. In this study, in order to prevent corrosion the processes of electro polishing and CrN coating were used. According to the presence or absence of these processes, the contact angles can be measured and different metal bipolar plates can be made, these plates can be used for comparing and analyzing the performance of the fuel cell.
As an important component of a fuel cell, the bipolar plate comprises a large proportion in the fuel cell's volume, weight and price. The bipolar plate is the most widely used; however, graphite bipolar plate is large in volume, brittle and therefore easily broken during assembling. In addition, due to its poor machinability, production costs a lot, unless mass production. Compared with the graphite bipolar plate, the metal bipolar plate has good machinability, high electric conductivity and strong mechanical strength; however, it corrodes easily and has a high contact resistance, so in order to prevent corrosion and reduce the contact resistance, the basic metal needs to be processed by use of electro polishing and coating. The water which is produced by electrochemical reactions in the fuel cell must be discharged smoothly. In this study, in order to prevent corrosion the processes of electro polishing and CrN coating were used. According to the presence or absence of these processes, the contact angles can be measured and different metal bipolar plates can be made, these plates can be used for comparing and analyzing the performance of the fuel cell.
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문제 정의
본 연구에서는 SUS316L을 모재로 만들어진 금속분리판에 전처리과정의 하나인 전해연마(EP : Electro Polishing)와 CrN 코팅을 통하여 금속분리판의 접촉각을 측정하고, 연료전지에 영향을 미치는 원인을 분석한다. 또한 전해연마 및 CrN코팅의 유무에 따른 금속분리판을 이용한 연료전지의 성능을 분석한다.
제안 방법
5) 코팅의 두께는 양쪽 각각 2 μm이며, 온도는 400°C에 1 Pa의 환경조건에서 코팅을 하였다.
Table 2는 연료전지의 활성화 단계를 나타낸다. Constant current모드로 전기적 부하를 주었으며, 25 A에서 3분, 10 A에서 3분, 45 A에서 6분, 0 A에서 1분 동안 로드를 주었다.
전해연마 및 CrN코팅 처리를 통하여 금속분리판을 4종류로 구분하였다. 구분된 금속분리판을 이용하여 연료전지의 성능을 평가하였다. 연료전지에 사용되는 MEA의 활성화면적은 50 cm2이며, Current Collector의 모재는 구리를 사용하였고, Gold코팅을 하여 부식성 및 전기전도도를 유지하였다.
금속분리판을 전해연마 및 CrN코팅을 적용하여 4종류로 구분하였다. 금속분리판의 표면의 정성분석과 정량분석을 위하여 EDS실험을 실시하였다.
금속분리판을 전해연마 및 CrN코팅을 적용하여 4종류로 구분하였다. 금속분리판의 표면의 정성분석과 정량분석을 위하여 EDS실험을 실시하였다. Type A의 표면에 Cr은 18.
본 연구에서는 SUS316L을 모재로 만들어진 금속분리판에 전처리과정의 하나인 전해연마(EP : Electro Polishing)와 CrN 코팅을 통하여 금속분리판의 접촉각을 측정하고, 연료전지에 영향을 미치는 원인을 분석한다. 또한 전해연마 및 CrN코팅의 유무에 따른 금속분리판을 이용한 연료전지의 성능을 분석한다. 이를 통하여 전해연마와 CrN코팅이 연료전지의 성능에 미치는 원인을 분석한다.
3은 분리판의 측정 지점을 나타낸다. 분리판의 anode극과 cathode극의 접촉각을 각각 측정하였다. Fig.
접촉각 측정은 표면의 단원자층의 변화도를 정밀하게 측정할 수 있고, 분석방법이 단순하고, 짧은 시간에 원하는 정보를 재현성 있게 획득할 수 있는 특징이 있다. 시료 위에 액체를 떨어뜨려 시료의 표면과 액체drop 사이에 형성되는 접촉각을 측정함으로써 표면 특성을 평가한다. 이 때 접촉각은 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 이루는 각을 말하며, 접촉각은 액체와 고체 사이의 표면장력의 영향을 받으며 고체의 표면장력이 높을수록 물의 젖음성은 높아지고 접촉각은 작아진다.
연료전지에 사용되는 MEA의 활성화면적은 50 cm2이며, Current Collector의 모재는 구리를 사용하였고, Gold코팅을 하여 부식성 및 전기전도도를 유지하였다. 연료전지 체결토크는 7 N-m의 일정한 토크로 체결하여 연료전지를 활성화과정을 거친 후에 I-V curve를 측정하였다. Table 2는 연료전지의 활성화 단계를 나타낸다.
Type B의 금속분리판을 사용한 연료전지의 성능이 가장 좋았으며, Type D, Type C, Type A의 순으로 성능이 낮아졌다. 이는 금속분리판의 처리방법에 따라서 전기전도도가 달라지는 것으로 예상하여 금속분리판의 전기전도도를 측정하는 실험을 진행하였다. 시험방법은 4-point probe법을 이용하였다.
또한 전해연마 및 CrN코팅의 유무에 따른 금속분리판을 이용한 연료전지의 성능을 분석한다. 이를 통하여 전해연마와 CrN코팅이 연료전지의 성능에 미치는 원인을 분석한다.
전해연마 및 CrN코팅 처리를 통하여 금속분리판을 4종류로 구분하였다. 구분된 금속분리판을 이용하여 연료전지의 성능을 평가하였다.
금속분리판은 SUS316L을 이용하여 제작하였다. 제작된 금속분리판에 전해연마 및 CrN코팅의 유무로 구분하여 4개의 종류로 금속분리판을 구분하였다. Table 1은 전해연마 및 CrN코팅의 유무로 금속분리판을 구분하였다.
대상 데이터
Type A는 SUS316L에 전해연마와 코팅을 하지 않은 분리판으로 평균 접촉각은 anode극 88.563°, cathode극 91.167°로 측정되었다.
Type D 는 SUS316L에 전해연마와 CrN코팅 처리를 한 분리판이며 평균 접촉각은 anode극 83.430°, cathode극 88.408°으로 측정되었다.
금속분리판은 SUS316L을 이용하여 제작하였다. 제작된 금속분리판에 전해연마 및 CrN코팅의 유무로 구분하여 4개의 종류로 금속분리판을 구분하였다.
금속분리판의 접촉각은 Phoenix300(SEO Ltd., Korea)을 이용하여 측정하였다. 접촉각 범위는 0°에서 180°까지 측정이 가능하며, 범위정확성은 ± 1°이다.
구분된 금속분리판을 이용하여 연료전지의 성능을 평가하였다. 연료전지에 사용되는 MEA의 활성화면적은 50 cm2이며, Current Collector의 모재는 구리를 사용하였고, Gold코팅을 하여 부식성 및 전기전도도를 유지하였다. 연료전지 체결토크는 7 N-m의 일정한 토크로 체결하여 연료전지를 활성화과정을 거친 후에 I-V curve를 측정하였다.
이론/모형
금속분리판 코팅의 재료는 다양한 재료가 사용되지만 일반적으로 TiN과 CrN/Cr2N 및 Gold가 사용된다. 본 연구에서는 CrN코팅을 PVD(Physical Vapor Deposition)방법의 하나로 아크 이온 플레이팅법을 이용하여 코팅을 진행하였다. PVD 코팅기술 중 아크 이온 플레이팅법은 이온화율이 매우 높고 기재와의 밀착력 및 생산성 등이 우수하여 공구 및 금형의 표면처리에 적합한 기술이다.
이는 금속분리판의 처리방법에 따라서 전기전도도가 달라지는 것으로 예상하여 금속분리판의 전기전도도를 측정하는 실험을 진행하였다. 시험방법은 4-point probe법을 이용하였다. Type A의 전기전도도는 5995.
성능/효과
1) 금속분리판의 접촉각은 전해연마보다 CrN코팅을 이용한 과정에 영향을 더 받는다. 모재인 SUS316L의 평균 접촉각은 91.
2) 금속분리판의 모재에 전해연마와 CrN코팅을 하면 연료전지의 전류밀도는 SUS316L을 이용한 연료전지보다 115.4%가 향상이 되었으며, 전해연마를 통한 금속분리판을 이용한 연료전지의 전류밀도는 46.2% 향상이 되었다. CrN코팅을 통한 금속분리판을 이용한 연료전지의 전류밀도는 130.
3) 금속분리판의 처리 방법에 따라서 금속분리판 표면의 성분과 표면의 불균일성이 상당히 달라졌으며, 전기전도도가 달라졌다. SUS316L에 CrN코팅 처리를 하면 전기전도도가 가장 높아지며, 오히려 전해연마와 CrN코팅 처리를 한 금속분리판의 경우CrN코팅 처리만 진행된 금속분리판보다 낮은 전기전도도를 보유하는 것을 보였다.
4) 금속분리판에 전해연마보다 CrN코팅 처리를 하였을 때, 가장 큰 접촉각과 가장 높은 전기전도도를 나타내었으며, 성능이 가장 좋은 것을 볼 수 있다.
5 V에서 전류밀도는 960 mA/cm2이고, 전력은 24 W로 측정이 되었다. CrN코팅을 통하여 전기전도도를 유지하면서 접촉저항을 감소시킬 수 있었으며, 분리판이 갖는 접촉각이 상당히 커서 연료전지 내부의 전기화학적 반응을 통하여 생성된 물이 원활하게 흐를 수 있어서 좋은 성능을 갖는 것으로 판단된다. Type C의 전류밀도는 0.
2% 향상이 되었다. CrN코팅을 통한 금속분리판을 이용한 연료전지의 전류밀도는 130.8%의 향상을 되었다. 또한 전해연마보다 CrN코팅을 이용한 금속분리판의 연료전지 성능이 향상 되었다.
3) 금속분리판의 처리 방법에 따라서 금속분리판 표면의 성분과 표면의 불균일성이 상당히 달라졌으며, 전기전도도가 달라졌다. SUS316L에 CrN코팅 처리를 하면 전기전도도가 가장 높아지며, 오히려 전해연마와 CrN코팅 처리를 한 금속분리판의 경우CrN코팅 처리만 진행된 금속분리판보다 낮은 전기전도도를 보유하는 것을 보였다.
11은 종류별 금속분리판을 이용한 연료전지를 전압과 전류로 비교를 하였다. Type B와 Type D의 금속분리판을 이용한 연료전지의 성능이 가장 좋은 것으로 측정이 되었으며, Type A의 금속분리판을 이용한 연료전지의 성능이 가장 낮게 나왔다.
금속분리판의 처리방법에 따라서 연료전지 단위셀 실험을 진행한 결과 각각의 연료전지 단위셀의 성능이 다르게 나왔다. Type B의 금속분리판을 사용한 연료전지의 성능이 가장 좋았으며, Type D, Type C, Type A의 순으로 성능이 낮아졌다.
8%의 향상을 되었다. 또한 전해연마보다 CrN코팅을 이용한 금속분리판의 연료전지 성능이 향상 되었다.
5 W의 전력을 갖는다. 전해연마를 통하여 표면이 일정하게 정리되면서 가공 중에 발생될 수 있는 표면의 불균일성이 줄어들어 접촉저항의 감소로 인하여 성능의 향상이 있었으며, 접촉각 향상으로 인하여장시간 운전 중에 발생될 수 있는 flooding현상도 막을 수 있을 것으로 예상된다. Type D의 전류밀도는 0.
전해연마를 통한 금속분리판의 평균 접촉각은 96.857°이나 전해연마와 CrN코팅을 모두 처리한 금속분리판의 접촉각은 88.408°로 오히려 접촉각이 감소하는 경향을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지의 분리판은 재질에 따라 어떻게 구분되는가?
연료전지를 구성하는 부품 중에서 분리판은 연료전지의 부피, 무게, 가격에 큰 비율을 차지한다. 분리판은 구성되는 재질에 따라 구분이 되는데, 흑연계(Graphite), 복합재료계(Composite), 금속계(metal)로 구분이 된다. 흑연계 분리판은 부피가 크고, 취성이 강하기 때문에 체결 시 쉽게 깨질 수 있는 단점이 있다.
흑연계 분리판은 어떤 단점이 있는가?
분리판은 구성되는 재질에 따라 구분이 되는데, 흑연계(Graphite), 복합재료계(Composite), 금속계(metal)로 구분이 된다. 흑연계 분리판은 부피가 크고, 취성이 강하기 때문에 체결 시 쉽게 깨질 수 있는 단점이 있다. 또한 기계적 가공성이 약하기 때문에 대량 생산이 아닌 경우에는 제작비용이 비싸다는 단점이 존재한다. 이에 비하여 금속분리판은 가공성이 좋고 높은 전기전도도를 가지며, 기계적 강도가 우수하다.
금속분리판을 사용할 때 주의해야할 사항은 무엇인가?
이에 비하여 금속분리판은 가공성이 좋고 높은 전기전도도를 가지며, 기계적 강도가 우수하다. 하지만 부식성이 높고 접촉저항이 높아 사용되는 모재금속에 전처리 및 코팅처리를 통하여 부식을 방지하고, 연료전지 내부에서 발생되는 전기화학적인 반응물인 물의 배출이 원활하게 하는 과정을거쳐야한다. 코팅은 주로 Gold, CrN/Cr2N, TiN 등의 부식성에 강한 물질로 이루어진다.
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