연료전지용 금속분리판 내구성 향상을 위한 C-film 표면처리 기술 개발

김명환(Myong-Hwan Kim),구영모(Youngmo Goo),유승을(Seung-Eul Yoo) 한국자동차공학회 2009 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2009 No.11

본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지용 금속분리판의 내구성 향상을 위한 금속첨가(W, Ti, Mo)amorphous C-film(AC-film) 및 순수 amorphous C-film(PAC-film)을 이용하여 전도성을 부여하는 표면처리 방법을 개발하였으며, stainless steel 304를 모재로 하여 금속분리판을 제작하였다. 금속첨가 AC-film의 경우 제작된 금속분리판 및 물성분석용 샘플을 이용하여 내구성, 전기화학적 부식 특성, 성능평가 및 접촉저항을 측정하였으며, 또한 순수 amorphous C-film을 이용하여 불활성조건에서 열처리 온도(300, 400, 500, 550, 600, 700℃)에 따른 접촉저항 및 체적저항을 분석하였다. 금속첨가(W, Ti, Mo) C-film의 연료전지환경에서의 부식전류밀도는 각각에 대해 6.69, 1.2, 1.0㎂/㎠로 모재인 STS 304의 25㎂/㎠에 비해 우수한 부식특성을 보였다. 초기성능에서 Mo C-film분리판의 경우 300mA/cm2에서 0.757V로 측정되었고, 이는 graphite 분리판의 0.758V와 유사한 성능을 보였다. 내구성평가에서 초기성능대비 10% 감소하는데 소요된 시간은 graphite는 2,000시간으로 나타났으며, Mo AC-film 분리판은 1,700시간으로 측정되었다. 1,500시간까지의 성능 감소율은 graphite, (W, Ti, Mo AC-film)분리판 각각에 대해 37.7, 60.3, 92.8, 45.7㎶/hr로 나타났다. 또한 PAC-film의 경우 700℃에서 열처리한 분리판에서 graphite와 동등한 접촉저항 값을 보였으며, 표면처리전 모재인 STS304에 비해 약 50배 좋은 성능을 보였다. 체적저항의 경우 600℃에서 열처리한 분리판에서 graphite와 유사한 770S/㎝의 전기전도도를 보였으며, 550℃이상에서 열처리한 분리판의 경우 연료전지용 금속분리판으로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 700℃이상의 온도에서 열처리를 할 경우 모재의 열팽창에 의해 표면처리물질 일부가 박리되는 현상을 보였다. 따라서 모재가 stainless steel일 경우에는 최적의 열처리 온도는 550℃에서 700℃사이가 될 것으로 예상된다.

금속표면처리에 의한 연료전지 분리판의 내식성 개선 연구

임해준(Lim, Haejun),이택수(Lee, Taeksu),오미혜(Oh, Mihye),김형열(Kim, Hyungyeol),김태진(Kim, Taejin) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

분리판(Bipolar plate)은 MEA 및 GDL의 구조적지지, 연료와 산화제를 공급해 주는 통로역할, 발생한 전류의 수집 및 전달, 그리고 반응 생성물의 수송 및 제거 등의 다양한 역할을 한다. PEMFC 및 DMFC의 분리판에 주로 사용되고 있는 재질은 Graphite 및 금속 물질이다. Graphite는 내부식성이 좋고 가벼워 현재 가장 많이 사용되고 있지만, 가공이 어렵고 깨질 위험이 있으며 두껍고 비교적 값이 비싸다. 금속은 가공성이 좋고 높은 전기 전도도를 가지며 가격이 저렴한 반면, 내부식성이 좋지 않은 단점이 있다. 연료전지를 실용화하는데 있어 중요한 문제 중 하나는 전지 성능의 수명과 경제성이며, 위와 같은 Graphite와 금속의 특성으로 인하여, Graphite 분리판을 금속 분리판으로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 원가절감을 위한 대량생산공정 중 하나인 염욕질화공정의 도입 및 적용을 위한 목적으로, 다양한 처리조건에 의해서 금속 표면을 처리하였으며, 표면처리된 금속은 부식특성, 접촉저항, 및 내구성 등을 평가하고 이를 통하여 금속계 분리판 적용성에 대해 알아보고자 한다.

연료전지용 금속분리판 내구성 향상을 위한 표면처리기술 개발

김명환(Kim, Myong-Hwan),구영모(Goo, Young-Mo),유승을(Yoo, Seung-Eul) 한국신재생에너지학회 2008 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.05

본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지용 금속분리판의 전기화학적 부식을 방지하기 위한 금속 첨가 DLC(Diamond-like-carbon) 표면처리 방법을 개발하였으며, stainless steel 304를 모재로 하여 텅스텐 첨가 DLC, 티타늄 첨가 DLC, 몰리브덴 첨가 DLC 금속분리판을 제작하였다. 제작된 금속분리판을 이용하여 내구성 평가,전기화학적 부식 특성, 성능평가 및 접촉저항 특성 등을 평가하였다. 전기화학적 부식특성의 경우 각각의 분리판에 대해 6.69, 1.2, 1.0 {mu}A/cm²로 모재인 STS 304의 25 {mu}A/cm²의 부식전류밀도에 비해 우수한 부식특성을 보였다. 또한 초기 성능에서 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 경우 300 mA/cm²에서 0.757 V로 측정되었으며, 이는 graphite 분리판 측정 결과인 0.758 V와 유사한 성능을 보였다. 또한 내구성 평가에서 초기 성능 대비 성능 감소율이 10% 감소하는데 소요된 시간은 graphite 분리판의 경우 2,000시간으로 나타났으며, 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 경우 1,700시간으로 측정되었다. 1,500시간 까지의 성능 감소율은 grphite,텅스텐 첨가DLC,티타늄 첨가DLC, 몰리브덴 첨가 DLC 분리판 순으로 각각에 대해 37.7, 60.3, 92.8, 45.7 {mu}V/hr로 나타났다.

폐PCB에 장착된 전기/전자부품의 분리 및 특성

김영진,이재령,이정훈,이재천 한국자원공학회 2012 한국자원공학회지 Vol.49 No.6

폐인쇄회로기판에 장착되어 있는 전기/전자 부품의 재사용/재활용 가능성을 향상시키기 위해 부품분리 실험 및 분리된 부품의 특성평가를 실시하였다. 부품 분리실험은 연삭방법을 채용한 부품분리기를 자체개발하여 수행하였으며, 연마석의 높이(0.5, 1.5 mm), 회전속도(2500, 5500 rpm), WPCB 이동속도(1~5 cm/sec), 연삭횟수 등을 변화시키면서 부품분리 효율을 평가하고 최적 처리조건을 도출하였다. 부품분리 효율은 장착된 부품의 전체무게에 대한 분리된 부품의 무게비로 평가하였으며, 각 처리조건에서 3개의 WPCB에 대해 평균값으로 계산하였다. 연마석 높이 1.5 mm, 회전속도 5500 rpm, 이동속도 1 cm/s 처리조건으로 3 회 처리 시, 95.2 %의 부품분리가 가능하였다. 처리 후 WPCB는, 부품, 부품이 탈거된 WPCB, 연삭분말로 분리되었으며, WPCB의 금속성분 함량은 17.9 wt%였으며, 이 중 48.4 % 금속성분(8.7 wt%)은 부품에 함유되어 있음을 확인하였다. WPCB에서 총 20개 금속원소가 검출되었으며, 이 중 Cu, Al, Fe, Pb가 전체 금속의 90.7 %를 차지하였고, Pb, Ag는 연삭분말에 농축되어 분포하였다. Disassembly of the mounted electric/electronic components (EECs) on WPCBs and their characterizations were surveyed for enhancing the reusing/recycling feasibility of WPCBs. Disassembling treatment was carried out by using the self-designed apparatus installed grinding attachment. The weight ratio of the detached EECs was used as the efficiency of disassembly, which was the average value of the result treated with 3 WPCBs in each condition. 95.2 wt% of the disassembling efficiency could be accomplished ultimately by 3 repetitive treatments at a grinder height of 1.5 mm, a grinder speed of 5500 rpm and the WPCB moving speed of 1 cm/s. After this treatment, WPCB could be categorized to three divisions such as disassembled EECs, dismantled board and abrasion powders. Total content of metal in WPCB was surveyed to 17.9 wt%, and 48.4 % of them (8.7wt%) was contained in the division of EECs. 20 metal elements could be detected in WPCBs. Moreover, 4 major elements (Cu, Al, Fe, Pb Cu) in total metal content were comprised at 90.7 % and Pb/Ag existed mainly in abrasion powders.

금속분리판 연료전지 스택의 구조 해석

이상민(Lee, Sang-Min),전지훈(Jeon, Ji-Hoon),이창우(Lee, Chang-Woo),서정도(Suh, Jung-Do),장훈(Chang, Hoon),김세훈(Kim, Sae-Hoon),이성호(Lee, Sung-Ho),황운봉(Hwang, Woon-Bong) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.06

Mechanical behavior in metal bipolar plate of a fuel cell stack was studied using finite element analysis. The fuel stack is essentially composed of a metal bipolar plate (metal BP), a gasket, an end plate, a membrane electrolyte assembly (MEA), and a gas diffusion layer (GDL). It is important to maintain a suitable fastening force of Metal BP, because it influences the power efficiency of the fuel cell stack. After a gasket and a GDL are placed on the metal BP, the reaction force with the displacement is measured. The channel of metal bipolar plate is replaced by a simple geometrical plate. The results of FEM are similar to those of experiment. Therefore mechanical behavior in metal BP of a fuel cell stack can be estimated by using FEM.

PEMFCB금속분리판 코팅 기술 개발

정경우(Chung, Kyeong-Woo),김세융(Kim, Se-Yung),양유창(Yang, Yoo-Chang),안승균(Ahn, Seung-Gyun),전유택(Jeon, Yoo-Taek),나상묵(Na, Sang-Mook) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.11

Bipolar plate, which forms about 50% of the stack cost, is an important core part with polymer electrolyte membrane in PEMFC. Bipolar plates have been commonly fabricated from graphite meterial having high electrical conductivity and corrosion resistance. Lately, many researchers have concentrated their efforts on the development of metallic bipolar plate and stainless steel has been considered as a potential material for metallic bipolar plate because of its high strength, chemical stability, low gas permeability and applicability to mass production. However, it has been reported that its inadequate corrosion behavior under PEMFC environment lead to a deterioration of membrane by dissolved metal ions and an increase in contact resistance by the growth of passive film therefore, its corrosion resistance as well as contact resistance must be improved for bipolar plate application. In this work, several types of coating were applied to 316L and their electrical conductivity and corrosion resistance were evaluated In the simulated PEMFC environment. Application of coating gave rise to low interfacial contact resistances below 19m{Omega}cm² under the compress force of 150N/cm². It also made the corrosion potential to shift in the posit ive direct ion by 0.3V or above and decreased the corrosion current from ca. 9{mu}A/cm² to ca. 0.5{mu}A/cm² in the mixed solution of 0.1N;N₂SO₄ and 2ppm HF A coat ing layer under potentiostatic control of 0.6V and 0.75V_{SCE} for 500 hours or longer showed some instabilities, however, no significant change in coat Ing layer were observed from Impedance data. In addition, the corrosion current maintained less than 1{mu}A/cm² for most of time for potentiostatic tests. It indicates that high electrical conductivity and corrosion resistance can be obtained by application of coatings in the present work.

금속분리판의 Electro Polishing 및 CrN 코팅을 통한 PEMFC 성능 향상을 위한 연구

황성택(Sung Tack Hwang),천승호(Seung Ho Cheon),송준석(Jun Seok Song),윤영훈(Young-Hoon Yun),김병헌(Byeong Heon Kim),장하(Xia Zhang),김대웅(Dae-Ung Kim),현덕수(Deoksu Hyun),오병수(Byeong Soo Oh) 한국자동차공학회 2014 한국 자동차공학회논문집 Vol.22 No.4

연료전지 차량용 금속분리판 개발

진상문(Jin, Sang-Mun),양유창(Yang, Yoo-Chang),김세훈(Kim, Sae-Hoon) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

Currently, the bipolar plates are fabricated mainly from graphite materials. However, metal bipolar plate are getting most attractive due to their good feasibility of mass production and low cost. In this study, metal bipolar plates for fuel cell Vehicles were developed with a concept based on the straight flow patterns to minimize the pressure drop and spring back. And molded gasket apply to the bipolar plate for improve sealing performance. Results show that the metal bipolar plate have a high potential to replace for graphite materials in fuel cell application.

고분자전해질 연료전지용 스테인리스강 금속분리판 표면의 균일한 Cr-nitride 형성을 위한 Cr 확산 촉진 (초)

이기형,이석현,김민철,김종희,위당문 대한금속재료학회 2007 대한금속재료학회 학술대회 개요집 Vol.2007 No.1

금속분리판을 이용한 무인기항공기(UAV)용 경량화 DMFC 스택 개발

이수원,김도환,노정호,조영래,김도연,주현철 한국수소및신에너지학회 2017 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.28 No.5

A 900 W scale direct methanol fuel cell (DMFC) stack is designed and fabricated for unmanned aerial vehicle (UAV) applications. To meet the volume and weight requirements, metallic bipolar plates are applied to the DMFC stack for the first time wherein POS470FC was chosen as bipolar plate material. To ensure good robustness of the metallic bipolar plate based DMFC stack, finite element method based simulations are conducted using a commercial ANSYS Fluent software. The stress buildup and deformation characteristics on bipolar plates and end plates are analyzed in details. The present DMFC stack exhibits the performance of 1,130 W at 32 V and 35.3 A, clearly demonstrating that it could successfully operate for UAVs requiring around 1,000 W of power.