PEMFC 분리판을 위한 TiN이 코팅된 Al 의 부식 연구 첨단파워소스 연구실 김정곤

Contents Introduction Corrosion Experiment Results & Discussion

Introduction PEMFC의 다양한 응용분야

Corrosion

부식은 왜 일어나는가? 물질들이 더 낮은 에너지 상태로 가려는 경향. 에너지 장벽을 활성화 에너지(Activation Energy)라고 부른다. Fe FeO Fe3O4 Fe2O3 물질이 갖는 에너지 자연적인 반응진행 방향 ∆G

전기화학 전지 자발적인 화학반응에 의해 생기는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 장치. 두 종류의 반쪽 전지를 결합; 갈바닉 전지(Galvanic Cell) 전해질 속에서 금속이 전기화학적으로 부식되기 위한 조건 Anode: 산화반응(전자를 잃어버리는 반응) Cathode: 환원반응(Anode에서 발생한 전자를 받아 소모하는 반응) Electrolyte:이온이 통과하는 길 전자의 이동 통로:Anode에서 발생한 전자가 Cathode로 가는 길

갈바닉 전지

전기 화학 계열 금속이 환원되려는 경향을 수소가 환원 되려는 경향을 기준을 크기를 나타낸 것. (-) 전위가 큰 것일수록 이온화 경향이 커서 쉽게 산화된다. 표준상태 산화 환원(redox) 포텐셜 값(25℃, V vs. SHE)

평형전위 Zn Cu Zn++ Cu++ Zn Cu Zn++ Cu++ (a) (b) Zn Cu Zn++ Cu++ V 여러 상태의 전기화학 전지 (c)

(b): 외부 도선이 연결된 경우: 전류가 흐르게 된다. (a): 외부 도선이 연결 되지 않은 경우 Zn ↔ Zn++ +2e : Anode Cu++2e ↔ Cu : Cathode (b): 외부 도선이 연결된 경우: 전류가 흐르게 된다. Zn → Zn++ +2e : Anode Cu++2e → Cu : Cathode (c): 인가해주는 전압에 따라 반응을 빠르게 혹은 느리게 할수 있다.

기준 전극 수소전극은 가스를 사용하기 때문에 불편한 점이 많다. 기준 전극의 전위(25℃) 전극의 종류 E[V vs. SHE] Hg | Hg2Cl2 | sat. KCl (Saturated Calomel Electrode:SCE) 0.2412 Hg | Hg2Cl2 | 1N KCl 0.2807 Hg | Hg2Cl2 | 0.1N KCl 0.3337 Hg | Hg2SO4 | H2SO4(aq) 0.61515 Ag | AgCl | HCl(aq) (Silver/Silver Chloride : SSC) 0.2223 Hg | HgO | KOH(aq) 0.098 Cu | CuSO4 | sat. CuSO4 (Cupper/Cupper sulphate : CSE) 0.316

전기적 이중층 M∆SE=EM-ES 전극을 전해질에 담그면 전극과 전해질 사이에 계면이 생성된다. 전극 자체는 전기적 중성이나 전해질에 담그면 전해질과의 친화력 때문에 금속과 용액의 계면에서 전하(charge)의 분리가 일어나서 전기적 이중층이 발생한다. 이층으로 말미암아 금속과 전해질 사이에 전위차(Potential difference)가 생긴다. M∆SE=EM-ES (EM:금속의 전위 , ES:전해질의 전위)

아연전극 용액 전기적이중층 전위차(M∆SE) 구리전극 용액 전기적이중층 전위차(M∆SE) Zn/Zn2+(aq) 경계면에서의 전기적 이중층과 전위차 Cu/Cu2+(aq) 경계면에서의 전기적 이중층과 전위차

전극반응의 속도식 전기적 이중층을 고려하지 않은 반응 반응속도=속도상수*농도 (엄밀히 말하면 농도는 활동도가 된다)

분극(Polarization) 활성화 분극 농도 분극 혼합 분극 과전압(η)이 큰 경우 과전압 (η) 이 작은 경우

2. 농도 분극 3.혼합 분극 반응 속도가 낮을 때는 활성화 분극, 반응속도가 클 때는 농도 분극이 발생한다.

Experiment Results & Discussion

Experiment 전해질은 1M H2SO4 수용액, R.E는 Ag/AgCl, C.E는 Pt wire를 사용한다. 초기 포텐셜은 -0.1V vs. EOCV , 최종 포텐셜은 1.2V vs. Eref scan rate는 1mVs-1로 한다. 전해질의 양은 항상 일정하게 하고 R.E와 C.E가 전해질에 담기는 깊이 와 위치에 신경을 쓴다.(W.E와의 거리, C.E의 표면적에 부식저항이 바뀔 수 있다.) R.E C.E W.E 실험장치

Results & Discussion Ecorr(mV vs Ref) Icorr(μA) βc(mV) βa(mV) sample1 그림1 Tafel 곡선 표1 분극 파라미터 Ecorr(mV vs Ref) Icorr(μA) βc(mV) βa(mV) sample1 -363.723 0.156 40.8 86.8 sample2 -338.669 0.127 41.5 60.3 sample3 -335.912 0.140 36.3 62.8

그림 1과 표1의 결과로 보아 부식 특성이 sample 1 < sample2 < sample3 임을 알 수 있다. 그림 2 각 시편의 0.395V vs Ag/AgCl 에서의 전류값

Reference “금속 부식의 기초와 실제”, 변수일 , 2006, 청문각 “알기쉬운 부식 및 방식공학”,한정섭,1998,반도출판사 L. Wang, J. Power Sources 195 (2010) 3814–3821 Ying Li, Corrosion Science 45 (2003) 1367-1381