This thesis describes the evaluation of the magnesium bipolar plate whose surface was protected by a thinly deposited silver layer as an alternative to the existing graphite plate of polymer electrolyte membrane(PEM) fuel cells. Low density and high electric conductivity are required for bipolar plates of PEM fuel cell for light weight and high output performance. Magnesium has both of the characteristics and can be ideal material for a PEM bipolar plates. However, magnesium is susceptible to corrosion, especially in a strong acidic operating environment of PEM. This study proposed a magnesium plate protected by thin silver layer as an alternative bipolar plate material.
The test bipolar plate with an active area of 32 mm x 32 mm was fabricated using magnesium alloy. For a comparative study, bipolar plates using aluminum alloy and graphite were also fabricated. The flow channel with depth and width of 0.5 mm was machined on the bipolar plates by a single serpentine pattern. The impurities on the finished magnesium bipolar plate were removed by surface treatment in the solvent of isopropyl alcohol and acetone. A thin layer of silver was deposited on the magnesium bipolar plate by the physical vapor deposition in a sputtering machine. Different thicknesses of silver layers were tested to determine the optimum protection layer thickness to protect the magnesium base plate from corrosion. The 3 μm thick silver layer deposited at 180℃ resulted in the best resistance to corrosion.
A number of tests were carried out to determine the performance of silver coated magnesium bipolar plates; potentiodynamic polarization test, the interfacial contact resistance test and single-cell performance test. Endurance of a single cell PEM stack was examined to determine the stability of output for extended period of time of operation. The test results are summarized in the following paragraph.
The corrosion current densities of silver-coated magnesium, bare magnesium, aluminum, and graphite were about 0.316, 31.7, 3.3, and 0.183 $μA/cm^2$, respectively. The result implied that the sputtered silver layer was effectively protecting the magnesium base plate from corrosion. The output power of the single-cell with silver coated magnesium end plates showed significantly higher than that of single cells with aluminum or graphite end plates. The endurance test over eight hours showed that silver coated magnesium end plates resulted in performance superior to that of the reference materials. The performance of a three-cell PEM stack with the silver coated magnesium bipolar plates was similar to that of a single-cell. In the endurance test of the three-cell PEM stack with the silver-coated magnesium bipolar plates the power density was 534.4 $mW/cm^2$ on average for eight hours, indicating meaningful improvement from the conventional graphite PEM stack.
All the tests revealed that the proposed magnesium plates protected by a thin silver layer are promising replacement for the conventional graphite plates in a PEM fuel cell stack. The magnesium stack can save 32% of the weight from the graphite stack simply by lower density. Considering the ease of machining, the save in the weight will further increase.
본 논문은 기존 PEM 연료전지용 그라파이트 분리판의 대체방안으로 부식방지를 위하여 표면에 얇은 은층을 증착한 마그네슘 분리판의 평가내용을 기술한다. 경량 고출력 PEM 연료전지용 분리판은 낮은 밀도와 높은 전기전도도를 요구한다. 마그네슘은 두가지 장점을 모두 지니고 있으며 PEM 연료전지용 분리판의 이상적인 재질이 될 수 있다. 하지만, 마그네슘은 PEM 연료전지와 같은 강산성의 운전조건에서는 부식에 매우 취약하다. 본 연구에서는 기존 분리판의 대체 재질로 은코팅 마그네슘 분리판을 제안하였다.
마그네슘 합금을 이용하여 32 mm x 32 mm의 반응면적을 갖는 시험용 분리판을 제작하였다. 연구결과의 비교를 위하여 알루미늄 합금과 그라파이트를 이용한 분리판을 제작하였다. 분리판 표면에는 깊이와 폭이 0.5 mm인 유로를 사형으로 형성하였다. 제작된 마그네슘 분리판 표면의 이물질들은 IPA와 아세톤 등을 이용하여 표면 전처리를 통하여 제거하였다. 마그네슘 분리판은 스퍼터링 장비를 이용하여 얇은 은층을 물리증착 하였다. 마그네슘 분리판의 부식방지를 위하여 최적의 증착두께를 결정하기 위해 다양한 두께의 은층을 증착하여 실험하였다. 그 결과 모재 표면의 온도를 180 ℃로 유지하고 3 μm두께로 증착한 결과가 가장 우수하였다.
동전위분극실험, 접촉저항 측정실험, 단전지 성능시험 등과 같은 은코팅 마그네슘 분리판의 성능을 확인하기 위한 다양한 실험을 수행하였다. 운전시간의 증가에 따른 출력특성을 확인하기 위하여 단전지 및 3-셀 스택의 내구성을 확인하였다. 시험결과는 다음 단락에서 요약된다.
은코팅 마그네슘, 코팅전 마그네슘, 알루미늄, 그라파이트의 부식전류밀도는 각각 0.316, 31.7, 3.3, and 0.183 $μA/cm^2$ 이었다. 그결과 은코팅층은 모재 마그네슘을 부식으로부터 효과적으로 보호하였음을 확인하였다. 은코팅 마그네슘 분리판을 이용한 단전지의 출력은 알루미늄과 그라파이트를 이용한 것 보다 현저하게 높게 나타났다. 8시간의 내구성시험 결과에서도 은코팅 마그네슘 분리판을 이용한 단전지가 보조재질을 이용한 것들 보다 월등한 성능을 보였다. 은코팅 마그네슘 분리판을 이용한 3-셀 스택의 성능은 단전지의 성능과 유사한 형태를 보였다. 은코팅 마그네슘 분리판을 이용한 3-셀 스택의 내구성시험결과 전력밀도는 8시간 평균 534.4 $mW/cm^2$이었으며 기존의 그라파이트 PEM 연료전지 스택 보다는 성능이 훨씬 개선되었음을 확인하였다.
모든 시험결과를 볼 때 제안된 은코팅 마그네슘 분리판은 기존 PEM 연료전지 스택용 그라파이트 분리판을 대체 가능함을 확인할 수 있었다. 마그네슘 스택은 낮은 밀도 때문에 그라파이트 스택에 비하여 약 32%의 중량절감이 가능할 것으로 판단된다. 기계가공의 용이성을 감안할 때 중량절감 효과는 더욱 커질 것으로 예상된다.
