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문제 정의
- 본 연구에서는 스테인리스강을 모재로 하여 표면에 전기전도도를 향상시킬 수 있는 HVOF(high velocity oxygen fuel) 용사 코팅층을 생성시키고자 하였다. 이를 위해 코팅용 분말은 내식성이 양호한 스테인리스강 분말을 기본으로 하고 전기전도도가 우수한 탄화텅스텐(WC) 분말을 첨가하였다.
제안 방법
- 코팅층에 대한 압연 전후의 조직변화를 확인하기 위하여 코팅층의 단면을 관찰하였다.
- (8) 내식성 실험장치는 일반적으로 사용하는 삼전극계를 이용하였다. 또한 스택 내부의 유체유속을 감안하여 부식용 시편을 회전원판 전극(rotating disc electrode)으로 만들어 500rpm으로 회전하면서 측정하였다. 시편의 물성결과는 표면처리를 하지 않은 AISI316L 스테인리스강과 상용으로 사용되는 그라파이트 분리판의 물성을 측정하여 비교하였다.
- 혼합분말은 영상분석기로 입도를 측정하고 주사식 전자현미경(SEM)으로 분말을 관찰하였다. 또한 에너지분광 분석기(EDS)로 혼합분말의 성분을 분석하였다. 코팅은 Sulzer Metco사의 Diamond Jet을 사용하여 모재인 0.
- PEMFC 스택내부는 온도가 80℃인 1몰의 황산 용액과 유사한 부식성 환경을 이루고 있다. 또한 막전극접합체의 구성품인 막에서는 미량 Nafion의 불산이 흘러나오므로 이를 감안하여 1M H2SO4 + 2ppm F- 용액에서 내식성 실험을 수행하였다. 스택내부에는 유체가 빠른 속도로 이동하기 때문에 이를 고려하여 시편을 500rpm의 속도로 회전시켜 부식용액을 교반하였다.
- 본 연구는 코팅재료로 AISI316 스테인리스강과 WC를 혼합한 분말을 사용하여 HVOF 용사법으로 코팅한 시편에 대하여 분리판으로서의 특 PEMFC 성을 분석하였으며 결과는 다음과 같다.
- 6과 같다. 상대비교를 위하여 스테인리스강과 그라파이트를 함께 측정하였다. 일반적으로 분리판의 전류밀도는 1.
- 시편의 물성결과는 표면처리를 하지 않은 AISI316L 스테인리스강과 상용으로 사용되는 그라파이트 분리판의 물성을 측정하여 비교하였다.
- HVOF는 기존의 용사법에 비하여 화염속도가 높고 화염온도가 낮으므로 코팅용 분말의 산화와 같은 물성변화를 줄이고 코팅층을 치밀하게 만들 수 있다. 코팅된 시편은 압연과정을 거쳐 두께를 얇게 한 후 조직관찰과 연료전지 분리판으로서 요구되는 면간접촉저항(ICR)과 내식성 실험을 통하여 연료전지 분리판으로서의 특성을 고찰하였다.
- 코팅시편에 대한 냉간압연과 풀림처리 이후에 코팅층의 표면에 생성된 산화피막은 ICR 결과에 영향을 미치므로 질산과 불산의 혼산 용액으로 산세 처리하였다.
- 코팅층 두께를 각각 14μm와 56μm로 코팅한 시편은 압하율 50%로 냉간압연을 실시하였으며 응력제거를 위하여 1100℃에서 풀림처리한 후에 공냉하였다.
- 코팅층의 저항 값을 비교하기 위하여 표면처리하지 않은 AISI316L 스테인리스강과 분리판으로 사용되는 그라파이트의 저항을 함께 측정하였다.
- 분말은 스테인리스강과 WC를 8대 2의 중량비로 planetary mill에서 24시간동안 혼합하였다. 혼합분말은 영상분석기로 입도를 측정하고 주사식 전자현미경(SEM)으로 분말을 관찰하였다. 또한 에너지분광 분석기(EDS)로 혼합분말의 성분을 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 스테인리스강을 모재로 하여 표면에 전기전도도를 향상시킬 수 있는 HVOF(high velocity oxygen fuel) 용사 코팅층을 생성시키고자 하였다. 이를 위해 코팅용 분말은 내식성이 양호한 스테인리스강 분말을 기본으로 하고 전기전도도가 우수한 탄화텅스텐(WC) 분말을 첨가하였다. HVOF는 기존의 용사법에 비하여 화염속도가 높고 화염온도가 낮으므로 코팅용 분말의 산화와 같은 물성변화를 줄이고 코팅층을 치밀하게 만들 수 있다.
- 코팅용 재료는 AISI316 스테인리스강 분말과 WC 분말의 혼합 분말을 사용하였다. 분말은 스테인리스강과 WC를 8대 2의 중량비로 planetary mill에서 24시간동안 혼합하였다.
- 코팅은 Sulzer Metco사의 Diamond Jet을 사용하여 모재인 0.2mm두께의 AISI316L 스테인리스강 판재에 용사하였으며 코팅방법은 Fig. 1에 나타내었다.
이론/모형
- (6,7) 한편 내식성 실험은 PEMFC 스택 내부의 환경을 모사한 80℃의 1M H2SO4 + 2ppm F- 용액에서 실시하였다.(8) 내식성 실험장치는 일반적으로 사용하는 삼전극계를 이용하였다. 또한 스택 내부의 유체유속을 감안하여 부식용 시편을 회전원판 전극(rotating disc electrode)으로 만들어 500rpm으로 회전하면서 측정하였다.
- 면간접촉저항은 코팅면을 법을 이용하여 Davies 연료전지 스택의 체결압력인 150N/cm2까지 변화 시키면서 측정하였다.(6,7) 한편 내식성 실험은 PEMFC 스택 내부의 환경을 모사한 80℃의 1M H2SO4 + 2ppm F- 용액에서 실시하였다.
성능/효과
- 1. 분말을 혼합하는 planetary mill 과정에서 AISI316 분말은 납작한 원판형태의 입자로 존재하며 WC 분말은 잘게 부서져서 일부가 AISI316 분말과 기계적 결합을 이루었다.
- 2. 코팅층은 표면에 고르게 분포하였으나 냉간압연과정에서 코팅층이 파괴되었으며 이는 코팅층의 경도가 높고 치밀하지 못하기 때문으로 판단된다.
- 3. 코팅시편의 ICR은 대부분의 체결압력 조건에 서 스테인리스강보다 낮고 그라파이트보다는 높았으며 코팅층의 두께가 얇은 경우가 두꺼운 경우보다 낮았다.
- 4. 코팅시편은 부식실험에서 스테인리스강보다 낮은 내식성을 나타내었으며 코팅층의 두께가 얇은 경우가 두꺼운 경우보다 내식성이 낮았다.
- 2에 나타내었다. 스테인리스강과 WC 분말 모두 구형상을 나타내고 있으며 영상분석기를 이용한 입도분석에서 평균 입자크기가 각각 22㎛와 4㎛로 측정되었다. Planetary mill을 이용하여 혼합된 분말을 보면 납작해진 원판모양의 입자주위에 미세한 입자들이 존재하는 것을 관찰할 수 있다.
후속연구
- 코팅층은 스테인리스강의 중량비가 높아서 연성이 높을 것으로 예상되었으나 코팅층이 경질이고 치밀하지 못하여 압연과정에서 코팅층이 파괴된 것으로 보인다. 압연과정에서 코팅층의 파괴를 방지하기위해서는 열간압연이 효과적일 것으로 생각되며 향후 이에 대한 연구를 진행할 예정이다.
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