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연료전지(PEMFC) 금속재분리판용 Cu/Cr 합금의 내부식성 향상을 위한 Cr-nitride 형성 = Formation of Cr-nitride for the improvement of corrosion resistance in Cu-Cr alloy as metallic separators in fuel cells(PEMFC)
서명 / 저자 연료전지(PEMFC) 금속재분리판용 Cu/Cr 합금의 내부식성 향상을 위한 Cr-nitride 형성 = Formation of Cr-nitride for the improvement of corrosion resistance in Cu-Cr alloy as metallic separators in fuel cells(PEMFC) / 이혜연.
저자명 이혜연 ; Lee, Hye-Youn
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2007].
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PEMFCs are worthy of notice for power generation because of high efficiency and near-zero emissions. One of the most expensive components are bipolar plates. Bipolar plates must be electrically conducting, mechanically and chemically stable, easily machined and so on. Graphite is generally used in early fuel cell stacks. But graphite isn't appropriate to use for bipolar plates for the large market because it is expensive to machine the flow field on graphite. Therefore, alternative materials for bipolar plates have been investigated. Metallic bipolar plates are one of them. But metallic bipolar plates have the biggest problem that is the bad corrosion resistance. Coating method is of interest for protecting metallic bipolar plates. Conventional coating method that is the deposition method typically leaves pin-hole defects through thickness, which limit their usefulness in applications due to corrosion. However, thermal nitridation leaves no pin-hole defect. So It can be used as the alternative method for coating because of relatively inexpensive cost and industrially viable technique as well as no pin-hole defect. Cu-Cr alloy can be one of alternative materials because it is reported that Cr-nitride is formed on the surface of Cu-Cr alloy by thermal nitridation if the annealing time and temperature is enough. In order to improve the corrosion resistance of Cu-Cr alloy as the alternative material for metallic bipolar plates, the continuous Cr-nitride was formed by thermal nitridation on the surface of Cu-Cr alloy. Formation behavior of Cr-nitride in Cu-Cr alloy as a function of temperature were investigated. The nitriding behavior of Cu-Cr alloy is similar with that of pure Cr. $Cr_2N$ phase is the first to form on nitridation of chromium and subsequent nitridation of this phase leads to formation of CrN layer from the surface. Nitridation of chromium occurs only at and above 873K. Nitridation at 873K formed only a mixture of $Cr_2N$ and Cr. However, at 973K CrN and $Cr_2N$ phases was observed. Above 1073K, the only CrN phase was observed. It needed the annealing temperature of 1000℃, the annealing time of 12h and the Cr content of about 5.3wt% to form the continuous Cr-nitride. Cu-5.3Cr alloy which is formed the continuous Cr-nitride on the surface showed the improved corrosion resistance in pH 3 sulfuric acid solution at 80°C. But the improved corrosion resistance appears only in the simulated anode environment, not in the simulated cathode environment.

최근 유가 급등에 따른 부족 자원 활용 및 에너지원의 다변화라는 과제와 함께 지속적인 고품질 전력의 수요가 증대되고 있는 상황에서 연료전지와 같은 청정에너지를 이용한 분산전력 시스템의 도입이 요구되고 있다. 여러 종류의 연료전지 가운데 고분자전해질 연료전지는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell (SPEFC), Solid Polymer Fuel Cell (SPFC), Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC), 또는 Proton-Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 작동온도가 낮고, 전류밀도 및 출력밀도가 높으며, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 용이하고, 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 특징이 있어 연료전지 자동차, 가정용 발전 장치, 휴대기기용 전원 등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 고분자전해질 연료전지의 단위전지의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극(anode, cathode), 그리고 분리판(separator)으로 이루어져 있다. 단위전지는 출력전압이 0.5 - 0.7V 정도에 불과하기 때문에 실제응용시 단위전지가 직렬로 수 십 개씩 적층된 스택(stack)을 구성하여 사용하고 있다. 스택을 구성하기 위한 분리판은 양극판 (bipolar plate) 또는 유로판 (flow field plate)으로 불리며, 고분자전해질 연료전지 스택의 핵심부품으로서 anode에서 생성된 전자를 다음 셀의 cathode쪽으로 전도해주는 집전판 역할을 하며, MEA를 지지해주고, anode 및 cathode 쪽으로 각각 연료와 산화제를 공급해주는 통로 역할을 한다. 또한 연료전지의 운전시 발생하는 열을 효율적으로 방출하여 일정한 온도의 운전조건을 유지하기 위한 냉각판의 역할도 포함한다. 현재 분리판의 재료로 그라파이트가 전 세계적으로 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 성형시 기계가공을 거쳐야 하므로 제조가격이 비싸다는 단점이 있어 현재 분리판에 대한 연구의 초점은 가격이 싸며 가공이 쉬운 재료를 이용하여 제조 단가를 낮출 수 있는 방향으로 진행 중이다. 분리판 소재로 이용되기 위해 요구되는 특성으로는 낮은 가격 외에도 우수한 가공성, 우수한 기계적 강도와 높은 전기 전도성, 낮은 밀도와 낮은 기체 투과율, 그리고 화학적 안정성을 들 수 있다. 이러한 다양한 요구 사항을 만족시키는 재료로 현재 탄소와 고분자로 제조한 복합 분리판과 금속 분리판 개발이 이루어지고 있다. 복합 분리판은 밀도가 낮고 화학적 안정성 등은 우수하지만 기계적 강도와 전기전도도가 떨어지는 단점을 갖고 있다. 한편, 금속 분리판의 경우 가공성과 가격, 기계적 강도, 전기전도도 등은 우수하지만, 고분자전해질 연료전지 환경에서 부식이 발생하여 전해질 막을 오염시킬 뿐만 아니라 표면에 산화막을 형성함으로서 전지전도도가 급격히 감소한다는 문제점이 있다. 따라서 금속 분리판 개발에 있어서 관건은 부식을 억제함으로서 성능과 수명을 연장시키는데 있다. 금속 분리판 제작에 사용되고 있는 방법으로는 금속 재질에 내식성과 전기전도성이 우수한 물질을 코팅하여 사용하는 방법과 자체 내식성이 강한 합금을 사용하는 방법이 있다. 내식성과 전기전도성이 우수한 물질을 코팅할 경우 일반적으로 많이 이용되는 코팅 방법은 CVD나 PVD 등이다. 하지만 CVD나 PVD 등으로 코팅한 막은 Pin-hole defects가 존재하여 막질이 균질하지 않아 local corrosion이 일어나 전해질 막을 오염시키는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 최근 thermal nitridation 방법을 사용하여 Ni-50Cr 합금 표면에 dense한 Cr-nitride를 형성시키는 연구가 진행되어 우수한 내부식성 특성과 전기전도성 특성을 얻었다. 하지만 Ni-50Cr 합금은 가격이 비싸 분리판의 재료로서 적용하기에 부적합하다. 본 연구에서는 가격이 저렴한 Cu-Cr 합금을 base material로 하여 표면에 dense 한 Cr-nitride를 형성시키기 위해 pin-hole defects가 거의 생성되지 않고 CVD나 PVD에 비해 상대적으로 저렴하여 산업적으로 이용 가능한 thermal nitridation 방법을 사용하였다. Cu-Cr 합금을 질소분위기에서 열처리하여 합금조성 및 열처리 조건에 따라 형성된 표면의 Cr-nitride의 미세구조변화를 관찰하여 표면에 continuous Cr-nitride를 형성시킬 수 있는 최적의 조건을 확립하고, Cu-Cr 합금 내에서의 Cr-nitride의 형성거동을 고찰하였다. 또한 분리판 재료로서의 가능성을 평가하기 위하여 전기화학 실험을 실시하여 내부식 특성을 평가하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MAME 07019
형태사항 viii, 58 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Hye-Youn Lee
지도교수의 한글표기 : 위당문
지도교수의 영문표기 : Dang-Moon Wee
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 56-58
주제 금속분리판
고분자전해질 연료전지
질화막
metallic separator
PEMFC
Cr-nitride
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