ECR (Electron Cyclotron Resonance), Sputtering 공정을 이용하여 MEA 촉매층에 Ni 금속박막을 도포한 연료전지 특성에 관한 연구 = A study on Fuel Cell Performance using Ni Metal Thin Film to MEA catalyst Layer Utilized ECR (Electron Cyclotron Resonance), Sputtering Process

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 Sputtering과 ECR (Electron Cyclotron Resonance) 공정을 이용하여 Ni 금속박막을 연료전지 촉매층에 만들어 연료전지 성능에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 연구였다.
우선 이온빔이 금속 촉매에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 glass wafer 위에 Sputtering 공정을 이용하여 glass 표면에 Ni 금속박막을 형성한 후, ECR에서 나온 이온빔을 Ar3+로 25μA의 환경에서 각도를 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°도로 하여 10분간 조사한 후 SEM사진을 통하여 표면특성을 확인하였다.
이온빔의 표면특성변화 실험 후, 연료전지 실험을 위해 연료전지 MEA에서 가스 확산층으로 쓰이는 Carbon Paper 위에 Sputtering 공정을 이용하여 Ni 촉매를 물리적 증착 방법으로 하여 금속 박막을 만들었다. 그 후, 동일한 샘플에 이온빔을 이용하여 Ni 촉매가 도포된 곳에 이온빔을 조사하였다. 마지막으로 완성된 MEA에 Ni 촉매를 Sputtering 공정을 이용하여 Ni 금속 박막을 제조한 후, 이온빔을 이용하여 조사하였다.
만들어진 4가지의 MEA 샘플의 성능을 측정하고 비교하기 위해서 각각의 MEA의 I-V Curve를 그려 최대 전력밀도를 비교해보았다. 셀 내부온도를 80℃, 사용 연료는 1M 메탄올, 캐소드에 주입되는 산소는 공기중의 산소를 별다른 처리없이 주입하여 사용하였다.
연료전지 성능평가 결과 아무런 처리를 하지 않은 MEA의 전력밀도는 1.63mW/cm2이며 Carbon Paper에 Ni 금속박막을 형성한 것은 3.63mW/cm2, Carbon Paper에 Ni 금속박막 형성 후 이온빔을 조사한 것은 5.1mW/cm2, 이를 종합적으로 적용한 MEA가 5.7mW/cm2으로 4개의 샘플 중 가장 우수한 성능을 나타내었다.
위와 같은 결과는 Ni이라는 제 3원 촉매가 Sputtering에 의해 첨가됨으로서 연료전지 촉매활성면적을 넓게 하였으며 'Third Body Effect'에 의해 탄소기를 가지는 연료의 경우 중간생성물인 CO의 흡착을 막아 연료전지의 성능이 향상된 것으로 판단된다. 또한 이온빔에 의해 촉매 입자들이 고루 분포되어 촉매반응활성면적이 늘어나 연료전지의 전력밀도가 상승한 것으로 생각된다.
이와같은 실험결과를 통해 Sputtering과 ECR은 연료전지 촉매제조분야에서 유효한 기술임이 판명되었으며 새로운 촉매제조방법으로서 계속적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, it reveals that sputtering and ECR (Electron Cyclotron Resonance) process using Ni metal thin film made in fuel cell catalyst layer affects fuel cell performance.
First, sputtering process is formed to make Ni and Cu metal thin film on glass wafer. Then, Ar3+ ion from ECR irradiated glass wafer through various angel 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90° in 10minutes. Surface characteristics are confirmed through SEM.
After changing the surface properties of the ion beam experiments, sputtering is performed on carbon paper (GDL; Gas Diffusion Layer). Then, ion beam is irradiated to the coated Ni metal thin film. Finally, the same ion beam is irradiated to the MEA (Membrane Electrode Assembly) after Ni sputtering was done.
Results of our study show that non-treatment MEA power density is 1.63mW/cm2, MEA (Ni sputtering on carbon paper) power density is 3.63mW/cm2, MEA (Ni sputtering on carbon paper, ion beam irradiation) power density is 5.1mW/cm2 and MEA (Ni sputtering on catalyst layer, ion beam irradiation) power density was 5.7mW/cm2.
These results show that Ni catalyst is made ternary catalyst. So, it cause better power density. And CO poison is interrupted by "Third Body Effect"
With these result, sputtering and ECR in the manufacture of the fuel cell catalyst are proved effective technology as a new catalyst production method and it seemed that additional research and experiment will be needed.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 이론적 배경 5
• 2.1. 연료전지의 동작 원리 및 종류 5
• 2.2. 연료전지의 전기화학 7
• 2.2.1. 전극 반응 7
• 2.2.1.1. 반응속도 7
• 2.2.1.2. 속도 상수; 전달계수 9
• 2.2.1.3. 교환전류밀도 10
• 2.2.2. 전압 손실 12
• 2.2.2.1. 활성화 분극 12
• 2.2.2.2. 내부 전류와 크로스오버 손실 13
• 2.2.2.3. 저항손실 14
• 2.2.2.4. 농도분극 15
• 2.2.3. 셀 전위-분극화 곡선 15
• 2.2.4. 연료전지에서의 전위 분포 16
• 2.2.5. 분극 곡선 매개 변수의 감도 17
• 2.2.6. 연료전지 효율 19
• 2.3. 직접 액체 연료전지 21
• 2.3.1. 직접 액체 연료전지의 장점 21
• 2.3.2. 직접 액체 연료전지의 원리 24
• 2.3.3. 연료전지 피독현상 방지 촉매 28
• 2.4. Sputtering 28
• 2.5. 플라즈마 (Plasma) 30
• 2.5.1. 플라즈마란 30
• 2.5.2. 기체 입자들간의 충돌 32
• 2.5.2.1. 탄성 충돌 32
• 2.5.2.2. 비탄성 충돌 34
• 2.5.3. 플라즈마 내에서의 충돌 35
• 2.5.4. 이온 및 전자의 온도 36
• 2.6. 이온빔 (Ion beam) 38
• 2.7. ECRIS (Electron Cyclotron Resonance Ion Source) 38
• 2.7.1. ECRIS 38
• 2.7.2. 실험에 사용된 ECRIS 40
• 제3장 실험방법 43
• 3.1. 직접 액체 연료전지 성능 측정 43
• 3.1.1. MEA (Membrane Electrode Assembly) 43
• 3.1.2. 연료별 성능평가 환경 43
• 3.1.3. 제작한 MEA 46
• 3.2. 제작된 MEA 공정 설정 48
• 3.3. ECR 구동 중 발생하는 X-ray 측정실험 51
• 3.4. Glass Wafer에 Sputtering 후 ECR 조사 54
• 제4장 실험결과 58
• 4.1. 연료에 따른 직접 액체 연료전지 성능평가 58
• 4.2. X-ray 방출 실험 결과 61
• 4.3. Glass wafer에 Sputtering 후 ECR 조사 결과 (Ni) 62
• 4.4. Glass wafer에 Sputtering 후 ECR 조사 결과 (Cu) 72
• 4.5. 직접 메탄올 연료전지 출력평가 81
• 제5장 결론 83
• 국문초록 85
• 참고문헌 87
• 감사의 글 93
• 부록 95