초록 ▼

고분자전해질 연료전지에 사용되는 Nafion 전해질이 강한 부식성 분위기를 형성하므로 내식성이 우수한 스테인리스강을 기초 재료로 선정하여 망과 판 형태로 분리판을 제작하고, 0.6V 에서 각각 606, 660 mA/㎠ 의 성능을 얻어 망 보다는 판 형태의 금속분리판이 그라파이트 분리판 성능 (996 mA/㎠) 에 근접하였다. CFD 모델링 결과를 토대로 판 형태의 316 스테인리스강 분리판의 유로를 개선하여 0.6 V 에 796 mA/㎠ 까지 성능이 향상시켰다. 금속분리판의 내식성을 향상시키기 위해 스테인리스강 표면을 TiN 및 T

고분자전해질 연료전지에 사용되는 Nafion 전해질이 강한 부식성 분위기를 형성하므로 내식성이 우수한 스테인리스강을 기초 재료로 선정하여 망과 판 형태로 분리판을 제작하고, 0.6V 에서 각각 606, 660 mA/㎠ 의 성능을 얻어 망 보다는 판 형태의 금속분리판이 그라파이트 분리판 성능 (996 mA/㎠) 에 근접하였다. CFD 모델링 결과를 토대로 판 형태의 316 스테인리스강 분리판의 유로를 개선하여 0.6 V 에 796 mA/㎠ 까지 성능이 향상시켰다. 금속분리판의 내식성을 향상시키기 위해 스테인리스강 표면을 TiN 및 TiC 으로 코팅하여 내식성 및 단위전지 성능을 측정하여 0.6 V에서 각각 896, 788 mA/㎠ 의 성능을 얻었다. 가혹조건에서 측정한 분리판의 수명은 TiN 이 750 시간으로 스테인리스강 (150 시간) 과 TiC (100 시간) 에 비해 현저히 길었다. 이러한 결과를 토대로 TiN을 코팅한 판 형태의 대면적 금속분리판을 이용해 고분자전해질 연료전지 1.2 kW 스택을 제작하여 장기운전을 수행하였다. 출력밀도는 373 W/L, 168 W/kg 였으며, 200 mA/㎠ 연속운전에서 1,000 시간 동안 평균 84 ㎶/hr·cell 의 낮은 성능 감소 속도를 나타내었다. 금속 분리판의 제작비용은 그라파이트의 ∼1/4 수준이었다.

Abstract ▼

316 stainless steel separators were manufactured in a screen- and a plate-type. To improve corrosion resistance, surface of the stainless steel was coated with TiN and TiC and evaluated as a separator for PEMFC. 1 kW-class PEMFC stack was developed using the TiN-coated stainless steel bipolar plates

316 stainless steel separators were manufactured in a screen- and a plate-type. To improve corrosion resistance, surface of the stainless steel was coated with TiN and TiC and evaluated as a separator for PEMFC. 1 kW-class PEMFC stack was developed using the TiN-coated stainless steel bipolar plates.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 보고서 초록 ...4
• 요약문 ...6
• SUMMARY ...8
• CONTENTS ...10
• 목차 ...12
• 제 1 장 연구개발과제의 개요...14
• 제 1 절 연구배경...14
• 제 2 절 연구목적 및 범위...17
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...18
• 제 1 절 국외 현황...18
• 제 2 절 국내 현황...24
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...26
• 제 1 절 이론적 배경...26
• 1. 고분자전해질 연료전지...26
• 가. 작동원리...26
• 나. 구성요소...29
• 다. 전기화학적 분석...38
• 2. 고분자 전해질 연료전지용 분리판 재료...46
• 가. 요구 특성...46
• 나. 분리판 재료...47
• 제 2 절 실험 방법...50
• 1. Materials...50
• 가. 모재 선정...50
• 나. 표면 coating 층 선정...50
• 2. 분리판 제작...58
• 가. 금속 망 (screen) 형 분리판...58
• 나. 분리판 유로 설계 및 CFD 해석...58
• 다. 단위전지용 금속 판 (plate) 형 분리판...61
• 라. 대면적 금속 판형 분리판...61
• 3. 단위전지 제작 및 운전...61
• 가. 막-전극 접합체 (membrane-electrode assembly, MEA) 제작...61
• 나. 단위전지 제작 및 운전...64
• 4. 1 kW 급 스택 제작 및 장기 운전...68
• 가. MEA 제작...68
• 나. 스택 제작...68
• 다. 스택 운전...69
• 5. 분리판 및 MEA 의 운전 후 분석...69
• 제 3 절 결과 및 고찰...71
• 1. Materials...71
• 가. 코팅 전 금속 분리판 재료의 내식성...71
• 나. 스퍼터링으로 증착한 단층 코팅 층의 특성...79
• 다. HCD ion plating 으로 증착한 다층 코팅 층의 특성...86
• 라. Au 코팅 층의 내식성...91
• 마. 분리판으로서 그라파이트, AISI 316, TiN/316, TiC/316 의 특성...94
• 2. 유로구조의 CFD 해석...96
• 가. 단위전지용 분리판의 유로 해석...96
• 나. 대면적 분리판 CFD 해석...104
• 3. 단위전지 성능...104
• 가. 금속 망 분리판을 이용한 단위전지...104
• 나. 금속 판 분리판을 이용한 단위전지...111
• 4. 스택 제작 및 운전...133
• 가. 대면적 금속 분리판을 이용한 단위전지...133
• 나. 1 kW 급 고분자전해질 연료전지 스택...133
• 제 4 절 결론...152
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...154
• 제 5 장 참고문헌...158
• 특정연구개발사업 연구결과 활용계획서...162
• [첨부1] 연구결과 활용계획서...164
• 기술요약서...167