연료전지 차량의 냉시동성 개선을 위한 금속 분리판 소재별 표면의 바나듐 산화물 박막 제조 및 온도-저항 특성 비교 분석

Abstract

본 연구에서는 차량용 연료전지의 상업화를 위해 내구성 향상 측면에서 영하의 기온에서 감소되는 스택의 효율 및 초기 구동되는 시간의 지연에 따른 냉시동 문제를 해결은 불가피한 상황이다. 이에 자기 발열 특성을 나타내는 부 온도 특성의 복합 바나듐 산화물을 316L 스테인리스강 및 Titanium 소재의 금속 계열의 분리판 표면 처리 하여 외부의 장치 및 외부 에너지의 투입 없이 필요한 발열량을 충족 시킴에 따라 스택의 단가 상승 및 크기와 복잡성 증가를 해결하여 차량용 연료전지 냉시동 문제를 해결하는 기술을 제안하고자 한다. 이에 따라 본 연구에서는 316L 스테인리스강 및 Titanium 소재의 금속 계열의 분리판 표면 처리할 복합 바나듐 산화물을 졸-겔 법으로 합성 후 침지 코팅을 실행하여 박막을 제조하였다. 이후 화학적, 기계적, 구조 및 물리적 특성을 분석하기 위한 시험 분석을 진행 하였다. 박막의 화학적 특성으로 X-선 회절 법, X-선 광전자 분광 법을 통하여 316L 스테인리스강 및 Titanium 기판으로 제조된 복합 바나듐 산화물 박막 모두 실질적으로 바나듐 상을 구성하고 있음을 확인 하였다. 기계적 특성으로는 316L 스테인리스강 및 Titanium 기판과 복합 바나듐 산화물 사이의 접착력을 평가하기 위해 ASTM D3359법을 사용하여 박리가 0%인 5B등급의 접착력을 확인 하였다. 구조 및 물리적 특성으로는 전자 현미경을 사용하여 두 박막 모두 두께가 약0.93μm의 동일하여 균일한 박막을 형성한 것을 확인하였으며, 온도-저항 특성으로는 차량용 연료전지의 운전 온도 범위인 -20~80℃에서 온도가 증가함에 따라 저항이 지수적으로 감소하는 부 온도 특성을 확인했으며 제조된 316L 스테인리스강 박막은 요구되는 발열량 값의 1.66배 높은 0.213W와 제조된 Titanium 박막은 1.1배 높은 0.141W를 가지며 316L 스테인리스강 박막이 약 1.5배 높은 수준의 발열량을 나타내는 것을 확인 하였다. 또한, 20℃의 냉시동 조건과 동일한 0.1A/cm2를 인가하여 짧은 시간 내 316L 스테인리스강 박막은 약 21℃, Titanium 박막은 약 15℃ 온도로 급격히 상승하는 것을 확인 하였으며 이는 기판 소재의 비열과 밀도차에 기인하였다. 본 실험 결과로부터 복합 바나듐 산화물 박막이 표면에 형성된 316L 스테인리스강 및 Titanium 기판 모두 단시간 내 충분한 열에너지가 공급되므로 차량용 연료전지의 냉시동성 향상 기술에 적합하다는 결론을 도출할 수 있다.