[논문]알카라인 연료전지 가스확산층 내구성 향상을 위한 초발수 코팅 최적화 연구

김숭연; 서민혜; 엄성현

doi:10.14478/ace.2017.1091

알카라인 연료전지 가스확산층 내구성 향상을 위한 초발수 코팅 최적화 연구
Study on the Optimization of Superhydrophobic Coating for the Durability of Gas Diffusion Layer in Alkaline Fuel Cells 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.6, 2017년, pp.691 - 695

김숭연 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) , 서민혜 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) , 엄성현 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터)

초록
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본 연구에서는 알카라인 연료전지 환원극 가스확산층에 내열화학성이 우수한 초발수 성능을 부여하기 위하여 PDMS 코팅 공정을 최적화하였다. 성격이 상이한 두 개의 상용 가스확산층을 선택하였으며, 소재의 열적 안정성을 검토하여 코팅 온도를 최적화하고, PDMS 점도를 제어하여 코팅 균일성을 확보하고자 하였다. PDMS 전구체의 점도와 관계없이 $200^{\circ}C$ 부근에서 코팅하게 되면 모든 확산층 표면에서 높은 초발수 성능을 나타내었다. 가혹실험 조건에서 초발수 성능변화를 측정한 결과 1000 CS PDMS를 이용하여 28BC 가스확산층에 코팅한 경우가 가장 높은 내구성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Optimization study was carried out to improve the durability of the gas diffusion layer (GDL) in alkaline fuel cell cathode by the use of highly stable PDMS superhydrophobic coating. Two different commercial GDLs were selected as substrates. Coating temperature and viscosity of PDMS were controlled for the stability of structure in microporous layer of GDL as well as uniform coating according to thermal characteristics of GDL. Regardless of PDMS viscosity, highly stable superhydrophobicities were obtained with both GDLs at $200^{\circ}C$. After the accelerated test, however, 28BC GDL coated with 1000 CS PDMS showed the best durability with the lowest loss of superhydrophobicity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 코팅 박막의 내화학성이 뛰어나며 고체 및 산화물 분말 뿐만 아니라 적절한 바인더를 사용하여 직물 형태의 대상 물질에도 효과적으로 적용될 수 있다[12]. 본 논문에서는 알카라인 연료전지에 환원극 가스확산층으로 사용되고 있는 상용 제품의 내열화학적 내구성을 향상시키기 위하여 PDMS 화학적 증기 증착 공정을 최적화하였다. 코팅균일성, 코팅량 및 코팅속도를 제어하기 위하여 코팅조건을 조절하였으며, 가스확산층의 기공밀도 차이에 따른 내구성 변화도 분석하였다.
본 연구에서는 알카라인 연료전지 환원극 가스확산층에 내열화학성이 우수한 초발수 성능을 부여하기 위하여 PDMS 코팅 공정을 최적화하였다. 성격이 상이한 두 개의 상용 가스확산층을 선택하였으며, 개발 소재의 열적 안정성을 검토하여 코팅 온도를 최적화하고, PDMS 점도를 제어하여 코팅 균일성을 확보하고자 하였다.
본 연구에서는 알카라인 연료전지 환원극 가스확산층에 내열화학성이 우수한 초발수 성능을 부여하기 위하여 PDMS 코팅 공정을 최적화하였다. 성격이 상이한 두 개의 상용 가스확산층을 선택하였으며, 개발 소재의 열적 안정성을 검토하여 코팅 온도를 최적화하고, PDMS 점도를 제어하여 코팅 균일성을 확보하고자 하였다. 200, 1000, 5000 CS PDMS 전구체를 사용할 경우 점도와 관계없이 200 ℃ 부근에서 코팅하게 되면 모든 확산층 표면에서 높은 초발수 성능을 나타내었다.

제안 방법

PDMS로 코팅된 가스확산층의 초발수 성능의 내열화학성을 평가하기 위하여 알카라인 연료전지 환원극의 가혹조건을 모사한 내구성 평가를 수행하였다[6]. 5 M NaOH 용액 표면에 초발수 표면을 접촉시키고 60 ℃에서 120 h 이상 유지한 후 테스트 전후의 접촉각 측정값을 비교함으로써 최적화된 코팅 조건을 도출하였다. Figure 4에 가스확산층 및 코팅조건에 따른 내열화학성 테스트 결과를 도식화하였다.
PDMS가 증착된 가스확산층의 염기에 대한 내열화학성을 평가하기 위하여, 80 mL 유리병에 1 M과 5 M NaOH 용액 20 mL를 담은 후 가스확산층의 미세공 탄소층이 NaOH 용액과 접촉하도록 용액 위에 위치한 후, 유리병을 밀봉한다. 실제 연료전지 구동 온도인 60 ℃에서 120 h 동안 유지한 후 내구성을 확인했다.
PDMS로 코팅된 가스확산층의 초발수 성능의 내열화학성을 평가하기 위하여 알카라인 연료전지 환원극의 가혹조건을 모사한 내구성 평가를 수행하였다[6]. 5 M NaOH 용액 표면에 초발수 표면을 접촉시키고 60 ℃에서 120 h 이상 유지한 후 테스트 전후의 접촉각 측정값을 비교함으로써 최적화된 코팅 조건을 도출하였다.
가스확산층에 PDMS 코팅을 최적화하기 위하여 코팅 온도에 따른 대상 물질의 열적 안정성 및 표면 물성 변화를 분석하였다. 이것은 기존 연구에서 채택된 PDMS 코팅 온도 영역이 PTFE 유리전이온도(glass transition temperature) 부근인 300 ℃이기 때문이며, 가스확산층 미세공 탄소층의 구조적 안정성이 유지되는 것을 확인할 필요성이 있다[8].
가스확산층의 내구성 평가는 내열화학성 전후 표면의 접촉각 측정값 변화로 계산하였다. 표면 접촉각 측정은 Theta Optical Tensiometer(KSV Instruments, Ltd.
상기 결과를 토대로 코팅 온도와 사용한 PDMS 점도를 달리하여 가스확산층 탄소층 표면에 PDMS 코팅 조건을 최적화하였다. Table 3에 코팅 온도에 따른 접촉각 결과를 볼 수 있다.
PDMS가 증착된 가스확산층의 염기에 대한 내열화학성을 평가하기 위하여, 80 mL 유리병에 1 M과 5 M NaOH 용액 20 mL를 담은 후 가스확산층의 미세공 탄소층이 NaOH 용액과 접촉하도록 용액 위에 위치한 후, 유리병을 밀봉한다. 실제 연료전지 구동 온도인 60 ℃에서 120 h 동안 유지한 후 내구성을 확인했다.
원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM, XE-150, Park Systems, Korea)과 전자 주사 현미경(high-resolution scanning electron microscope, HRSEM, Nova Nano 200, USA)을 사용하여 열처리된 가스확산층 미세공 탄소층의 표면 거칠기를 측정하고 표면 구조를 확인하였다.
Backbone인 carbon fiber 층에 최대한 PDMS가 증착되지 않도록 SUS plate를 덧대는 방식으로 PDMS 증기 접촉을 차단하였다. 챔버를 밀봉한 후, 200, 250, 300 ℃ 온도 조건에서 3 h 동안 가열하여 PDMS를 기화시킴으로서 가스확산층의 미세공 탄소층 표면에 증착될 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 알카라인 연료전지에 환원극 가스확산층으로 사용되고 있는 상용 제품의 내열화학적 내구성을 향상시키기 위하여 PDMS 화학적 증기 증착 공정을 최적화하였다. 코팅균일성, 코팅량 및 코팅속도를 제어하기 위하여 코팅조건을 조절하였으며, 가스확산층의 기공밀도 차이에 따른 내구성 변화도 분석하였다.
표면 접촉각 측정은 Theta Optical Tensiometer(KSV Instruments, Ltd., Korea)를 사용하였으며, 측정을 위해 3 µL의 증류수를 PDMS가 코팅된 가스확산층의 미세공 탄소층에 떨어뜨린 후 30 s 동안 기다리면서 물방울 모양이 안정된 후 표면 접촉각을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 상용 가스확산층(GDL) 표면에 초발수 기능을 부여하기 위하여 이전 연구와 유사한 방법으로 PDMS (polydimethylsiloxane, Dow Corning)을 이용한 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)을 사용하였다[5,8-11]. PDMS 점도는 500, 1000, 5000 CS 세 가지를 선정하였으며, 평균 분자량은 13000, 16500, 32000 g/mol이다. 다만, GDL의 미세공 탄소층(microporous carbon layer, MPL)에만 선택적으로 증착될 수 있도록 Figure 1과 같이 코팅장치를 설계하여 사용하였다.
다만, GDL의 미세공 탄소층(microporous carbon layer, MPL)에만 선택적으로 증착될 수 있도록 Figure 1과 같이 코팅장치를 설계하여 사용하였다. 대상으로 하는 상용 GDL은 SGL 29BC (SIGRACET-GDL 29BC, SGL Group)와 SGL 28BC (SIGRACET-GDL 28BC, SGL Group)을 사용하였다. 두 제품에 대한 특성은 Table 1에 나타내었다.
알카라인 연료전지에 사용되고 있는 가스확산층(gas diffusion layer, GDL)은 구조적 안정성, 전기전도도, 기체투과도 및 물관리 등 여러 가지 요인들을 고려하여 선택되게 된다. 본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지 연구분야에서 가장 범용적으로 채택되고 있는 SIGRACET GDL Series 중에 물관리 측면에서 이슈가 될 수 있는 기공밀도 차이가 있는 두 제품을 선택하였다. Table 1에서 볼 수 있듯이 28BC 제품은 29BC에 비해 단위 질량이 높고 유효 기공도(open or effective porosity)가 낮은데, 이것은 세공 골격(macroporous backbone)이 상대적으로 고밀도로 제조되어 있기 때문이다.

데이터처리

, Korea)를 사용하였으며, 측정을 위해 3 µL의 증류수를 PDMS가 코팅된 가스확산층의 미세공 탄소층에 떨어뜨린 후 30 s 동안 기다리면서 물방울 모양이 안정된 후 표면 접촉각을 측정하였다. 표면 접촉각은 5회 이상 측정하여 평균값을 계산하였다.

이론/모형

본 연구에서 상용 가스확산층(GDL) 표면에 초발수 기능을 부여하기 위하여 이전 연구와 유사한 방법으로 PDMS (polydimethylsiloxane, Dow Corning)을 이용한 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)을 사용하였다[5,8-11]. PDMS 점도는 500, 1000, 5000 CS 세 가지를 선정하였으며, 평균 분자량은 13000, 16500, 32000 g/mol이다.

성능/효과

성격이 상이한 두 개의 상용 가스확산층을 선택하였으며, 개발 소재의 열적 안정성을 검토하여 코팅 온도를 최적화하고, PDMS 점도를 제어하여 코팅 균일성을 확보하고자 하였다. 200, 1000, 5000 CS PDMS 전구체를 사용할 경우 점도와 관계없이 200 ℃ 부근에서 코팅하게 되면 모든 확산층 표면에서 높은 초발수 성능을 나타내었다. 내열화학성 테스트 전에는 확산층의 표면 물성과 PDMS 점도 변수는 초발수 성능 변화에 크게 기여하지 않는 것처럼 보이나, 5 M NaOH, 60 ℃, 120 h의 높은 pH와 가혹실험 조건에서 초발수 성능 변화가 뚜렷해진다.
Table 4의 가속실험 전 접촉각 측정값은 코팅 조건에 따라 큰 차이가 발생하지 않았으나, 가속실험 후의 접촉각 측정값은 가스확산층 및 코팅 조건에 따라 확연한 차이를 보인다. 28BC 가스확산층에 점도 1000 CS PDMS로 코팅된 가스확산층 표면의 초발수 성능 손실이 3.6%로 가장 작은 값을 보여주었다. 29BC 확산층의 경우 테스트 전후 초발수 성능이 급격히 저하되는 것으로 보아 내부 구조적 안정성이 결여되는 것으로 판단된다.
가스확산층 구조의 온도 안정성과 온도 상승에 따른 초발수 성능변화 결과를 고려하여 200 ℃에서 코팅하였다. Table 3의 코팅 온도에 따른 결과 값과 마찬가지로 전체적으로 변수 변화에 따른 접촉각 측정값의 큰 차이는 없으며, 다만 200 ℃의 상대적으로 낮은 온도 영역에서 코팅된 표면도 대체로 높은 수준의 초발수 성능이 유지됨을 확인할 수 있다.
Table 2에는 열처리된 확산층에 대한 AFM 분석결과를 보여준다. 기본적으로 표면 거칠기 편차가 큰 가스확산층의 특성을 감안할 때 SEM 이미지에서 본 바와 마찬가지로 200 및 250 ℃에서 큰 차이가 없다가 300 ℃에서 표면 거칠기가 크게 작아짐을 확인할 수 있다. 전체적으로는 모든 열처리 온도 조건에서 표면 거칠기가 작아지는 것을 알 수 있다.
기본적으로 표면 거칠기 편차가 큰 가스확산층의 특성을 감안할 때 SEM 이미지에서 본 바와 마찬가지로 200 및 250 ℃에서 큰 차이가 없다가 300 ℃에서 표면 거칠기가 크게 작아짐을 확인할 수 있다. 전체적으로는 모든 열처리 온도 조건에서 표면 거칠기가 작아지는 것을 알 수 있다.

후속연구

세공 골격의 기공밀도가 작은 29BC 가스확산층은 내열화학성 테스트 중 NaOH의 내부 확산에 취약하게되고, 내부에 적절히 코팅되지 못한 부분이 공격을 받아 구조적 변화가 발생함에 따라 표면 초발수 성능 변화가 큰 것으로 판단된다. 더욱 세밀하고 완벽한 코팅을 위해서는 코팅하고자 하는 대상 소재의 표면 물성을 정확히 파악하고 PDMS 점도와 코팅온도를 조절하여 코팅 물질의 크기를 제어함으로써 표면 거칠기와 표면에너지를 적절히 제어하여야 할 것이다. 더 나아가 개발된 소재가 적용하고자 하는 연료전지 시스템에 효과적으로 사용될 수 있는지에 대한 평가가 반드시 수반되어야 한다.
최근 들어 연료전지 개발에 초점은 단순하게 초기 성능을 향상시키는 것에서 실질적인 상용화를 위해 소재부품의 내구성과 가격경쟁력을 향상시키고자 하는 방향으로 급속하게 바뀌고 있다. 이를 위해서는 개별 소재들의 단순한 성능 향상에 그치지 않고, 실질적인 연료전지 구동환경에 적합한 구조, 개발 소재를 적절히 평가할 수 있는 평가 환경 및 적절한 평가방법이 더불어 개발되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알카라인 연료전지의 특징은 무엇인가?	연료전지는 수송용과 분산형 분야에 효과적으로 사용될 수 있는 미래 대체 전력원 기술로써 인식되어 왔다[1,2]. 수십 년간의 다양한 연구를 통해 여러 형태의 연료전지가 개발되어 왔으며, 그중에 알카라인 연료전지(alkaline fuel cells)는 낮은 산소 환원반응 과전압으로 인한 저가의 전이금속 촉매 사용, 상대적으로 부식 가능성이 낮은 구동 환경 등의 장점으로 특히 양이온교환막의 등장으로 현재 가장 각광을 받고 있는 나피온 중심의 고분자연료전지(proton exchange electrolyte fuel cells, PEMFC) 기술과 비교하더라도 이송용 저전력 전원 분야에서는 여전히 경쟁력을 갖추고 있다[3,4].
	알카라인 연료전지 구동원리의 반응식은 무엇인가?	O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (cathodic reaction) 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e- (anodic reaction) 2H2 + O2 → 2H2O (overall reaction)
	연료전지의 인식은 어떠한가?	연료전지는 수송용과 분산형 분야에 효과적으로 사용될 수 있는 미래 대체 전력원 기술로써 인식되어 왔다[1,2]. 수십 년간의 다양한 연구를 통해 여러 형태의 연료전지가 개발되어 왔으며, 그중에 알카라인 연료전지(alkaline fuel cells)는 낮은 산소 환원반응 과전압으로 인한 저가의 전이금속 촉매 사용, 상대적으로 부식 가능성이 낮은 구동 환경 등의 장점으로 특히 양이온교환막의 등장으로 현재 가장 각광을 받고 있는 나피온 중심의 고분자연료전지(proton exchange electrolyte fuel cells, PEMFC) 기술과 비교하더라도 이송용 저전력 전원 분야에서는 여전히 경쟁력을 갖추고 있다[3,4].

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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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