기체확산층은 유로에서 전극으로 반응물을 전달하고, 반응으로 생성되는 물을 배출하는 통로이며 열 배출과 전극 지지대 등의 역할을 하는 고분자전해질 연료전지의 핵심 구성요소이다. 본 연구에서는 국내외 기체확산층 상용 제품인 39BC와 JNT30-A3에 대한 연료전지의 성능 평가를 수행하였다. 25 ㎠ 단위 전지를 이용하여 유량, 상대습도 조건에 대한 분극 곡선을 측정하였고, empirical equation을 이용하여 운전 조건에 대한 성능 인자를 도출하였다. 기체확산층의 PTFE 함량이 높을수록 저항이 증가하였고, 미세다공층의 크랙은 물의 이동 통로로서 농도 손실에 영향을 미쳤다. 또한 상대습도가 낮을수록 Ohmic 저항이 증가하였지만, 전류밀도가 증가할수록 이온전도도가 증가하여 Ohmic 저항이 감소하였다. Empirical equation을 이용한 fitting curve을 통하여 기체확산층의 운전 조건에 대한 성능 인자 경향을 해석할 수 있었다.
다양한 종류의 기체확산층 (gas diffusion layer, GDL)을 이용하여 고분자전해질 연료전지의 성능을 시험하였으며 이를 통해 GDL의 물리적 특성과 연료전지의 성능과의 상관관계를 규명하고자 하였다. 전기전도도, 기공도, air permeability, water flux, PTFE 함량, micro-porous layer (MPL)의 유무에 따른 연료전지 성능의 변화가 고찰되었다. GDL의 물리적 특성들은 서로 밀접한 관계를 가지고 있어 연료전지의 성능변화에 영향을 주었다. Carbon paper나 carbon cloth상에 MPL의 형성이 GDL의 물리적 특성을 변화시켜 연료전지의 성능을 변화시킬 수 있음을 관찰하였다. 물리적 특성과 연료전지 성능과의 관계는 전류밀도의 크기에 따라 다른 경향을 나타내거나 혹은 무관한 경향을 보였다.
본 연구에서는 비정질 실리콘의 알루미늄 유도 결정화(AIC)가 시도되었다. 결정질 실리콘의 좀 더 큰 입자를 얻기 위해, 선택적인 핵생성(Selective nucleation) 시도는 비정질 실리콘 밑의 실리카($SiO_2$) 층의 습식 파우더 분사 처리와 함께 진행됐다. 또한 니켈 층은 실리콘 원자가 알루미늄 층으로 이동하는 것을 방지하기 위한 확산 방지막(Diffusion barrier)으로 선택되었다. $520^{\circ}C$에서 열처리를 한 후에 XRD 분석을 통해 Si(111) 방향으로 결정화된 결정질 실리콘을 확인했고 니켈은 실리콘과 알루미늄 사이의 확산 방지막으로 매우 효과적인 재료라는 것을 입증하였다. 이 연구는 고성능의 태양전지에 적용하는 결정질 실리콘 막의 좀 더 큰 입자를 얻기 위한 방법 중의 하나라고 기대된다.
Pulsed DC-plasma nitriding has been applied to form nitride layer having only a diffusion layer. The discharge current with the variation of discharge gases is proportional to the intensity of $N_2^+$ peak in optical emission spectroscopy during the plasma nitriding. The discharge current, microhardness in surface of substrate and depth of nitride layer increased with the ratio of $N_2\;to\;H_2$ gas in discharge gases. When the ratio of $N_2\;to\;H_2$ is lower than 60% in the discharge gases, high microhardness value of 1100Hv nitride layer which contains no compound layer has been formed.
Ferritic plasma nitrocarburising was performed on pure iron using a modified DC plasma unit. This investigation was carried out with various gas compositions which consisted of nitrogen, hydrogen and carbon monoxide gases, and various gas pressures for 3 hours at $570^{\circ}C$. After treatment, the different cooling rates(slow cooling and fast cooling) were used to investigate its effect on the structure of the compound layer. The ${\varepsilon}$ phase occupied the outer part of the compound layer and ${\gamma}^{\prime}$ phase existed between the ${\varepsilon}$ phase and the diffusion zone. The gas composition of the atmosphere influenced the constitution of the compound layer produced, i.e. high nitrogen contents were essential for the production of ${\varepsilon}$ phase compound layer. It was found that with increasing carbon content in the gas mixture the compound layer thickness increased up to 10%. In the gas pressure around 3 mbar, the compound layer characteristics were slightly effected by gas pressure. However, in the low gas pressure and high gas pressure, the compound layer characteristics were significantly changed. The constitution of the compound layer was altered by varying the cooling rate. A large amount of ${\gamma}^{\prime}$ phase was transformed from the ${\varepsilon}$ phase during slow cooling.
Recently, many efforts to solve the durability problem of PEM fuel cell are carried on constantly. However, despite this attention, durability researches of gas diffusion layer (GDL) are not much reported yet. Generally, GDL of PEM fuel cell experiences three external attacks, which are dissolution of water, erosion of gas flow, corrosion of electric potential. In this study, among these degradation factors, carbon corrosion of electric potential was focused and investigated with accelerated carbon corrosion test. Through the test, it is confirmed that carbon corrosion occurred at GDL, and corroded GDL decreased a performance of operating fuel cell. The property changes of GDL were measured with various methods such as air permeability meter, pore distribution analyzer, thermo gravimetric analyzer, and tensile stress test to discover the effects of carbon corrosion. Carbon corrosion caused not only loss of weight and thickness, but also degradation of mechanical strength of GDL. In addition, to analysis the reason of GDL property changes, a surface and a cross section of GDL were observed with scanning electron microscope. After 100 hours test, the GDL showed serious damage in center of layer.
Kim, Yong-Tae;Oh, Kyu-Ha;Kim, Joo-Ho;Kang, Hee-Gyoo;Choi, Jin-Sub
Bulletin of the Korean Chemical Society
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제32권6호
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pp.1975-1979
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2011
The modification of a gas diffusion layer (GDL), a vital component in polymer electrolyte fuel cells, is described here for use in the electrochemical detection of antibody-antigen biosensors. Compared to other substrates (gold foil and graphite), mouse anti-rHBsAg monoclonal antibody immobilized on gold-coated GDL (G-GDL) detected analytes of goat anti-mouse IgG antibody-ALP using a relatively low potential (-0.0021 V vs. Ag/AgCl 3 M NaCl), indicating that undesired by-reactions during electrochemical sensing should be avoided with G-GDL. The dependency of the signal against the concentration of analytes was observed, demonstrating the possibility of quantitative electrochemical biosensors based on G-GDL substrates. When a sandwich method was employed, target antigens of rHBsAg with a concentration as low as 500 ng/mL were clearly measured. The detection limit of rHBsAg was significantly improved to 10 ng/mL when higher concentrations of the 4-aminophenylphosphate monosodium salt (APP) acting on substrates were used for generating a redox-active product. Additionally, it was shown that a BSA blocking layer was essential in improving the detection limit in the G-GDL biosensor.
본 연구에서는 알카라인 연료전지 환원극 가스확산층에 내열화학성이 우수한 초발수 성능을 부여하기 위하여 PDMS 코팅 공정을 최적화하였다. 성격이 상이한 두 개의 상용 가스확산층을 선택하였으며, 소재의 열적 안정성을 검토하여 코팅 온도를 최적화하고, PDMS 점도를 제어하여 코팅 균일성을 확보하고자 하였다. PDMS 전구체의 점도와 관계없이 $200^{\circ}C$ 부근에서 코팅하게 되면 모든 확산층 표면에서 높은 초발수 성능을 나타내었다. 가혹실험 조건에서 초발수 성능변화를 측정한 결과 1000 CS PDMS를 이용하여 28BC 가스확산층에 코팅한 경우가 가장 높은 내구성을 나타내었다.
Thin CrAlMgSiN films, whose composition were 30.6Cr-11.1Al-7.3Mg-1.2Si-49.8N (at.%), were deposited on steel substrates in a cathodic arc plasma deposition system. They consisted of alternating crystalline Cr-N and AlMgSiN nanolayers. After oxidation at $800^{\circ}C$ for 200 h in air, a thin oxide layer formed by outward diffusion of Cr, Mg, Al, Fe, and N, and inward diffusion of O ions. Silicon ions were relatively immobile at $800^{\circ}C$. After oxidation at $900^{\circ}C$ for 10 h in air, a thin $Cr_2O_3$ layer containing dissolved ions of Al, Mg, Si, and Fe formed. Silicon ions became mobile at $900^{\circ}C$. After oxidation at $900^{\circ}C$ for 50 h in air, a thin $SiO_2-rich$ layer formed underneath the thin $Cr_2O_3$ layer. The film displayed good oxidation resistance. The main factor that decreased the oxidation resistance of the film was the outward diffusion and subsequent oxidation of Fe at the sample surface, particularly along the coated sample edge.
This study attempts to form a TiN barrier layer against Cu diffusion by the easier and more convenient method. In this new approach, Ti was sputter-deposited, and nitrided by heat-treating in the NH$_3$ambient. Sheet resistance of as-deposited Ti was 20 Ω/$\square$, but increased to 195 Ω/$\square$ after the heat-treatment at 30$0^{\circ}C$, and lowered to 120 Ω/$\square$ after the heat-treatment at 50$0^{\circ}C$, and $600^{\circ}C$. AES results for these thin films confirmed that the atomic ratio of Ti and N was close to 1:1 at or above 40$0^{\circ}C$ heat-treatment. However, it was also found that excessive oxygen was contained in the TiN layer. To examine the barrier property against Cu diffusion, 100nm Cu was deposited on the TiN layer and then annealed at 40$0^{\circ}C$ for 40 min.. Cu remained at the surface without diffusing into the Si layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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