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문제 정의
- 본 연구에서는 A, B, C, D 및 E의 코팅을 적용해 전기전도성과 내식성에 대해 평가 하였고 이중 우수한 성능을 보이는 코팅 물질을 선정하여연료전지 단기 및 장기 내구 성능 평가를 진행 흥} 였다.
- 내구 성능 평가를 진행하였다. 이를 통해 코팅 금속 분리판의 연료전지 적용가능성에 대해알아보고자 한다.
제안 방법
- 3은 1000시간 동안 1 A/cm?의 정전류 인가 실험 전과 후의 I-V 성능 평가 결과이다. I-V 성능 평가 시 장기 성능 평가 종료 후 질소 퍼 징 없이 바로 측정하였다. 성능 평가 결과, 1 A/cn? 에서 모재인 SUS316L은 가장 낮은 성능을 보인다.
- 0으로 양론비를일정하게 유지 하며 100% 가습 후 공급하였다. 가습기와 셀의 온도는 70°C로 일정하게 유지시켜주며 대기압 조건하에서 성능을 평가하였다.
- 금속분리판 소재 및 코팅층의 단기 내식 평가는 양극분극시험을 통하여 이루어졌다. 작업 전극의 노출면적은 1 ci로 하였으면, 전위는 포화 칼 로멜 전극(SCE)을 기준으로 측정하였다.
- 단기 성능 평가를 통해 코팅 금속분리판의 성능 특성을 조사하였으며 이 중 우수한 성능을 보이는 코팅 금속분리판을 선정하여 정전류 lA/cmz 을 인가하며 1000시간 동안 연료전지 장기 내구성능 평가를 실시하였다. 대조군으로는 스테인리스강과 혹연 분리판을 사용하였다.
- 반응 가스로 수소와 공기를 사용하였고, 유량은 전류에 따라 수소 1.5, 공기2.0으로 양론비를일정하게 유지 하며 100% 가습 후 공급하였다. 가습기와 셀의 온도는 70°C로 일정하게 유지시켜주며 대기압 조건하에서 성능을 평가하였다.
- 반응 가스의 공급을 위해 서펜타인 유로를 가지는 분리판을 사용하여으며 분리판 사이에 막- 전극 접합체와 가스확산층을 둔 후 일정 압력으로 체결하여 제작하였다. 막-전극 접합체(MEA)로 전극 면적이 25cn>2인 상용 MEA를 사용하였고 가스확산층(GDL)은 SGL사의 GDL을 사용하였다.
- 본 연구에서는 건, 습식 방법 등의 다양한 코팅을 적용한 금속 분리판을 이용하여 단기 연료전지 성능을 평가를 수행하였고, 이 중 우수한 성능 특성을 보이는 코팅 금속 분리판을 선택하여장기 내구 성능 평가를 진행하였다. 이를 통해 코팅 금속 분리판의 연료전지 적용가능성에 대해알아보고자 한다.
- 작업 전극의 노출면적은 1 ci로 하였으면, 전위는 포화 칼 로멜 전극(SCE)을 기준으로 측정하였다. 부식용액으로는 0.1N &S여와 2ppm HF 혼합 용액을 사용하였으면 80℃로 온도를 유지하였으면, 연료전지 cathode 분위기를 모사하기 위하여 air 가스를 purging한 상태에서 EG&G 273A를 이용하여 1 mV/sec, 의 전위 주사 속도로 양극 분극 거동을 측정하였다.
- 앞서 언급한 코팅 물질 중 전기전도성과 내식성이 우수한'코팅 물질, 코팅 A, B, C에 대해 연료전지 단기 성능 평가를 수행하였다. Fig.
- 막-전극 접합체(MEA)로 전극 면적이 25cn>2인 상용 MEA를 사용하였고 가스확산층(GDL)은 SGL사의 GDL을 사용하였다. 연료전지 성능 평가는 단위셀 을 이용해 평가하였다.
- 코팅 B와 비교를 위해 스테인리스강과 흑연 분리판 역시 장기 내구성능 평가를 실시하였다. 이때 장기 내구성능 평가 방법은 정전류로 lA/cn? 의전류를 인가하여 평가 하였다. 장기 성능 평가 중 원치 않는 외부적인 요인에 의해 내구 성능평가가 중지 되는 사고가 가끔 발생하였다.
- 양극분극시험을 통하여 이루어졌다. 작업 전극의 노출면적은 1 ci로 하였으면, 전위는 포화 칼 로멜 전극(SCE)을 기준으로 측정하였다. 부식용액으로는 0.
- 전기전도성은 코팅 샘플 양면에 가스확산층 (GDL)과 Au 코팅된 Cu판을 배열시켜 인장 시험기를 이용하여 하중을 가하고 Zahner IM6D 임피던스 측정기를 이용하여 저항을 측정 평가하였다.
- 2는 연료전지 단기 성능 평가 결과 가장 우수한 성능 특성을 보인 코팅 B 금속 분리판의 1000시간 장기 내구 성능 평가 결과 그래프이다. 코팅 B와 비교를 위해 스테인리스강과 흑연 분리판 역시 장기 내구성능 평가를 실시하였다. 이때 장기 내구성능 평가 방법은 정전류로 lA/cn? 의전류를 인가하여 평가 하였다.
대상 데이터
- 평가를 실시하였다. 대조군으로는 스테인리스강과 혹연 분리판을 사용하였다.
- 제작하였다. 막-전극 접합체(MEA)로 전극 면적이 25cn>2인 상용 MEA를 사용하였고 가스확산층(GDL)은 SGL사의 GDL을 사용하였다. 연료전지 성능 평가는 단위셀 을 이용해 평가하였다.
- 분리판용 소재로는 316L 을 사용하였으며, 316L 상에 A, B, C, D, E의 다섯 가지 코팅 시스템을 적용하였다.
- 사용된 분리판은 스테인리스강에 코팅을한 코팅 금속 분리판을 사용하였고 코팅 금속분리판과상호 비교를 위해 순수한 스테인리스강과 흑연분리판을 사용하였다.
이론/모형
- 연료전지 운전 장치는 NSE Test Station 700W Class를 사용하였고 연료전지 성능 평가를 위한 전자 부하장치로 KIKUSUI PLZ 664 Electronic Loader를 사용하였다.
성능/효과
- 2. 스테인리스강 분리판에 낮은 접촉저항과 우수한 내식성을 보이는 코팅 A, B 및 C를 코팅하여 연료전지 단기 연료전지 성능 평가 결과 lA/cm2 의 전류 영역에서 코팅 B 및 C는 흑연대비 10mV 이상 성능이 향상 되었다. 또한 농도 분극 저항영역이 흑연보다 고전류 방향으로 이동됨이 관찰되었다.
- 3. 단기 성능 평가 결과 우수한 성능 특성을보인 코팅 #를 선택하여 1000시간 동안 장기 내구 성능 평가를 실시하였고 그 결과 초기의 우수한 성능 특성이 실험 종료 시 까지 유지됨을 알수 있었다. 이를 통해 100。시간 까지 코팅 금속분리판의 부식에 의한 연료전지 성능 감소현상은미미한 것으로 알 수 있다.
- 4는 흑연 분리판의 장기성능 평가 종료후 질소 퍼징 유무에 따른 I-V 성능 평가 결과이다. I-V 성능 평가 결과 1000시간 운전 후 활성화분극 영역에서 성능 감소가 일어난 것을 알 수 있다. 이는 이미 많은 논문에서 발표된 촉매로 사용된 Pt가 소결 되면서 전기화학적인 활성 표면적의감소에 의해 발생된 것으로 판단된다2 그러나 질소 퍼징 유무에 따른 농분 분극 영역에서의 성능특성 비교 시 질소 퍼징을 한 경우 성능이 증가한것을 알 수 있다.
- 장기 성능 평가 중 원치 않는 외부적인 요인에 의해 내구 성능평가가 중지 되는 사고가 가끔 발생하였다. 내구 성능평가 결과 코팅 분리판의 모재로 사용된 스테인리스강은 가장 나쁜 성능 특성을 보였으며 코팅 B 경우 가장 우수한 내구 성능 특성을 보인다. 특히 스테인리스강의 경우 초기에 성능 감소 이후 원래의 성능으로 회복되지 못하는 경향을 보이나 흑연과 코팅 B의 경우 내구 평가 재진행시 초기의 성능으로 회복되는 경향성이 관찰된다.
- 특히 스테인리스강의 경우 초기에 성능 감소 이후 원래의 성능으로 회복되지 못하는 경향을 보이나 흑연과 코팅 B의 경우 내구 평가 재진행시 초기의 성능으로 회복되는 경향성이 관찰된다. 또한 200시간 경과 이 후의 성능 감소 기울기를 비교했을 때 모든 분리판에서 성능 감소 기울기가 비슷함을 알 수 있다. 이는 모두 유사한 성능감소인자가 작용한 것으로 추측할 수 있다.
- 스테인리스강 분리판에 낮은 접촉저항과 우수한 내식성을 보이는 코팅 A, B 및 C를 코팅하여 연료전지 단기 연료전지 성능 평가 결과 lA/cm2 의 전류 영역에서 코팅 B 및 C는 흑연대비 10mV 이상 성능이 향상 되었다. 또한 농도 분극 저항영역이 흑연보다 고전류 방향으로 이동됨이 관찰되었다.
- 급격한 감소가 관찰된다. 모든 적용 코팅 시스템에서 15 - 19 2cm2 사이의 우수한 접촉저항을 나타내어 적용된 모든 코팅 시스템이 전기전도성 측면에서 매우 우수한 특성 향상을 가져옴을 확인할 수 있었다.
- 1. 316L 소재에 코팅 적용시 ZON/cn? 하중에서 19 m^cm2 이하의 낮은 접촉저항을 나타내었으며 양극 분극 측정 결과 A, B 및 C 코팅층은 연료전지 모사 환경 내에서 우수한 내식성을 나타냄을 알 수 있었다.
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