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문제 정의
- 본 연구에서는 금속분리판의 전기화학적 부식을 방지하기 위한 금속첨가 DLC 표면처리기술을 개발하였으며, stainless steel 304를 모재로 하여 텅스텐 첨가 DLC, 티타늄 첨가 DLC, 몰리브덴 첨가 DLC 표면처리기술을 적용한 금속분리판을 제작하였으며, 부식특성 등 물성평가 및 성능평가, 내구성 평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 연료전지 금속분리판의 내부식성 향상을 위한 표면처리기술을 개발하였으며, 개발된 금속분리판을 이용하여 물성 평가, 성능, 내구성 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 1. 내구성 평가 전 후 금속첨가 DLC 분리판에 대해 접촉저항을 평가하였다. 또한 anode 분리판과 cathode 분리판의 경우로 나누어 측정되었으며, anode 분리판에 비해 cathode 분리판에서 심한 저항 상승이 발생하는 것이 관찰되었다.
- 각각의 분리판에 대한 성능을 비교하기 위해서 단위전지를 구성하였으며, 금속첨가 DLC 금속분리판의 성능 및 내구성 결과와 비교하기 위하여 모재인 STS 304 분리판과 graphite 분리판을 제작하여 실험을 수행하였다. 다음 Fig 3은 각 분리판별 초기 성능을 나타내고 있다.
- 개발된 표면처리기술을 이용하여 제작된 금속 분리판을 단위전지로 제작하여 성능 및 내구성을 측정하였다. 기체의 유량변화에 따른 실험을 위해 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하였으며, 기체의 가습과 온도조절을 위해 bubble 형태의 가습기(Humidifier)를 설치하고 압력에 의한 성능변화를 측정하기 위해서 back pressure regulator를 설치하였다.
- 85 mm2로 작업전극 holder를 이용하였다. 기준전극으로는 SCE(포화칼로멜 전극)를 이용하였고, SCE의 경우 80℃ 환경에서 작동이 불가능하므로 상온의 부식셀을 설치하고 염다리를 이용하여 측정하였다. 또한 counter electrode로는 백금 mesh를 이용하여 측정하였다.
- 개발된 표면처리기술을 이용하여 제작된 금속 분리판을 단위전지로 제작하여 성능 및 내구성을 측정하였다. 기체의 유량변화에 따른 실험을 위해 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하였으며, 기체의 가습과 온도조절을 위해 bubble 형태의 가습기(Humidifier)를 설치하고 압력에 의한 성능변화를 측정하기 위해서 back pressure regulator를 설치하였다. 단위전지에서 생성된 전기는 전자부하기를 통하여 전송받아 성능시험 결과를 분석하였다.
- 기체의 유량변화에 따른 실험을 위해 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하였으며, 기체의 가습과 온도조절을 위해 bubble 형태의 가습기(Humidifier)를 설치하고 압력에 의한 성능변화를 측정하기 위해서 back pressure regulator를 설치하였다. 단위전지에서 생성된 전기는 전자부하기를 통하여 전송받아 성능시험 결과를 분석하였다. 수소(H2)와 공기(Air)를 이용하여 운전온도 65℃, 상압에서 성능평가 및 내구성 평가를 수행하였으며, 자세한 시험 조건은 아래와 같다.
- 기준전극으로는 SCE(포화칼로멜 전극)를 이용하였고, SCE의 경우 80℃ 환경에서 작동이 불가능하므로 상온의 부식셀을 설치하고 염다리를 이용하여 측정하였다. 또한 counter electrode로는 백금 mesh를 이용하여 측정하였다.
- 또한 개발된 표면처리기술의 적합성을 판단하기 위해서 대조군으로 모재인 STS 304 분리판과 일반적으로 많이 사용되어지고 있는 graphite 분리판도 평가하였다.
- 금속분리판 모재 및 표면처리 층의 단기 내식 평가를 위하여 동전위법(Potentiodynamic polarization method)을 이용하였다. 부식 특성 평가를 위해 부식용액은 H2SO4와 2ppm HF 혼합용액(pH3)을 사용하였으며 80℃로 온도를 유지하였고 또한 연료전지의 cathode 환경을 모사하기 위해서 air bubbling을 하였다. 작업전극의 반응면적은 7.
- 분리판과 GDL간의 접촉저항만을 측정하기 위해서 아래 Fig. 1과 같이 세 부분의 저항들을 이용하여 접촉저항을 측정하였다.
- 단위전지에서 생성된 전기는 전자부하기를 통하여 전송받아 성능시험 결과를 분석하였다. 수소(H2)와 공기(Air)를 이용하여 운전온도 65℃, 상압에서 성능평가 및 내구성 평가를 수행하였으며, 자세한 시험 조건은 아래와 같다.
- 표면처리물질의 단기 부식 특성 평가를 위해서 동전위법으로 측정하였으며, 모재인 STS 304를 대조군으로 하여 평가하었다. Fig 2는 모재인 STS 304, 텅스텐 첨가 DLC, 티타늄 첨가 DLC, 몰리브덴 첨가 DLC의 분극곡선을 보여주고 있고 Table 2는 평형부식전류밀도 및 0.
대상 데이터
- 분리판용 소재로는 가공성이 우수한 stainless steel 304를 사용하였으며, STS 304 표면위에 금속첨가 DLC(텅스텐 첨가 DLC, 티타늄 첨가 DLC, 몰리브덴 첨가 DLC) 표면처리기술을 적용하여 분리판을 제작하였다.
- 부식 특성 평가를 위해 부식용액은 H2SO4와 2ppm HF 혼합용액(pH3)을 사용하였으며 80℃로 온도를 유지하였고 또한 연료전지의 cathode 환경을 모사하기 위해서 air bubbling을 하였다. 작업전극의 반응면적은 7.85 mm2로 작업전극 holder를 이용하였다. 기준전극으로는 SCE(포화칼로멜 전극)를 이용하였고, SCE의 경우 80℃ 환경에서 작동이 불가능하므로 상온의 부식셀을 설치하고 염다리를 이용하여 측정하였다.
이론/모형
- 금속분리판 모재 및 표면처리 층의 단기 내식 평가를 위하여 동전위법(Potentiodynamic polarization method)을 이용하였다. 부식 특성 평가를 위해 부식용액은 H2SO4와 2ppm HF 혼합용액(pH3)을 사용하였으며 80℃로 온도를 유지하였고 또한 연료전지의 cathode 환경을 모사하기 위해서 air bubbling을 하였다.
성능/효과
- 2. 금속분리판의 단점인 전기화학적 부식 특성을 평가한 결과 작동 전압 0.8V에서 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴 첨가 DLC 분리판 별로 96.5, 11.7, 7.9 μA/cm2의 부식전류밀도가 측정되었으며, 모재인 STS 304 분리판은 34.5 μA/cm2의 부식전류밀도 값이 관찰되었다.
- 3. 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 초기 단위전지 성능은 저전류 영역인 300 mA/cm2에서 graphite와 유사한 성능을 보였으며, 고전류 영역인 1000 mA/cm2에서는 더 우수한 성능이 관찰되었다. 초기 성능으로 판단하면 graphite 분리판을 대체해 실제 적용 가능성이 높은 물질임을 알 수 있다.
- 4. 1,500시간까지의 내구성 평가 결과 몰리브덴 첨가 DLC 금속분리판이 금속산화물 생성과 금속이온 용출에 의한 연료전지 성능 감소현상은 미미한 것으로 판단 되어진다.
- 각 분리판 별로 300 mA/cm2에서 graphite, STS 304, 텅스텐 첨가 DLC, 티타늄 첨가 DLC, 몰리브덴 첨가 DLC 분리판에 대한 전압 값은 0.758, 0.683, 0.718, 0.744, 0.757 V로 나타났으며, 고전류 영역인 1000 mA/cm2에서는 STS 304분리판을 제외하고 각각 0.545, 0.500, 0.541, 0.577 V로 관찰되었다. 결과적으로 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 경우 저전류 영역에서는 graphite 분리판과 동등한 성능을 보이며, 고전류 영역에서는 더 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있었다.
- 577 V로 관찰되었다. 결과적으로 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 경우 저전류 영역에서는 graphite 분리판과 동등한 성능을 보이며, 고전류 영역에서는 더 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있었다. 따라서 초기 성능 면에서는 몰리브덴 첨가 DLC 금속분리판의 경우 graphite 분리판을 대체해 실제 연료전지에 적용 가능성이 높은 물질임을 알 수 있다.
- 결과적으로 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 경우 저전류 영역에서는 graphite 분리판과 동등한 성능을 보이며, 고전류 영역에서는 더 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있었다. 따라서 초기 성능 면에서는 몰리브덴 첨가 DLC 금속분리판의 경우 graphite 분리판을 대체해 실제 연료전지에 적용 가능성이 높은 물질임을 알 수 있다.
- 내구성 평가 전 후 금속첨가 DLC 분리판에 대해 접촉저항을 평가하였다. 또한 anode 분리판과 cathode 분리판의 경우로 나누어 측정되었으며, anode 분리판에 비해 cathode 분리판에서 심한 저항 상승이 발생하는 것이 관찰되었다. 이는 cathode 측의 공기 환경이 금속분리판 표면에 산화물을 형성시켜 저항을 상승시키는 것으로 판단된다.
- 연료전지의 작동 전압 인 0.8V에서 STS 304, 텅스텐 첨가 DLC, 티타늄 첨가 DLC, 몰리브덴 첨가 DLC 분리판 각각의 부식전류밀도는 34.5, 96.5, 11.7, 7.9 μA/cm2로 나타났다.
- 텅스텐 첨가 DLC, 티타늄 첨가 DLC, 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 경우 성능 감소율은 각각 12.5%, 18.8%, 9.2%로 나타났고, 시간당 전압 감소율은 60.3, 92.8, 45.7μV/hr의 값을 보였다.
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