JP2022083439A - 金属コーティング方法、それにより形成されたコーティング層を含む金属部材及び燃料電池分離板 - Google Patents

金属コーティング方法、それにより形成されたコーティング層を含む金属部材及び燃料電池分離板 Download PDF

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Abstract

【課題】水素燃料電池用金属分離板の耐腐食性などの性能を満足させると共に耐久性及び経済性も確保し得る金属コーティング方法及びそれにより形成されたコーティング層を含む金属部材を提供する。【解決手段】一実施例による金属コーティング方法は、金属母材を準備する段階及び前記金属母材の表面にレーザーを照射して溶融池を形成し、前記溶融池にCrとAlの混合物、Si及びSiCのうちいずれか一つからなるパウダーを供給して積層加工方式でコーティング層を形成する段階を含む。【選択図】図1

Description

本発明は、金属コーティング方法、それにより形成されたコーティング層を含む金属部材及び燃料電池分離板に係り、より詳しくは、積層加工方式により金属母材にコーティング層を形成する方法と、それにより形成されたコーティング層を含む金属部材及び燃料電池分離板に関する。
水素燃料電池用分離板は、水素、酸素、冷却水をそれぞれ分離して燃料電池セルの全面積にわたって均一に供給しながら、電気化学反応により生成される電流を集める役目を行う。
従来には、水素燃料電池用分離板として黒煙素材が用いられたが、黒煙素材は、強度が低く、ガス密閉性の確保が難しいだけでなく、製造コストが高いため、これを代替し得る金属素材を適用するための研究開発が活発に行われている。金属系分離板は、高い強度とスタンピングのような量産技術の適用によって商用化が容易な技術であると認識されている。
しかし、金属素材は、燃料電池環境で腐食による損傷及び酸化被膜形成による抵抗値の増加などの問題を有している。このような問題は、金属系分離板の商用化に障害物として作用している。これを解決するために、金属素材分離板の表面に耐酸化コーティングを行う方法が提示されている。
耐酸化コーティングは、大きく湿式工程(Wet process)と乾式工程(Dry process)に区別され得る。湿式工程としては、電気メッキ、高分子又は高分子と伝導性粒子の混合コーティング技術が公知されている。また、乾式工程としては、CVD、PVD及びプラズマコーティング技術を活用した各種耐酸化、高伝導物質のコーティング研究が進行されている。
このような多様なコーティング技術にもかかわらず、いまだに水素燃料電池用金属分離板の各種性能を満足させて経済性を確保することには困難があるのが実情である。それによって、水素燃料電池用金属分離板の電気伝導性、熱伝導性、ガス密閉性及び耐食性を満足させると共に耐久性と経済性を確保し得る新しい技術の開発が要求されている。
大韓民国登録特許第1609214号
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、水素燃料電池用金属分離板の耐腐食性などの性能を満足させると共に耐久性及び経済性も確保し得る金属コーティング方法及びそれにより形成されたコーティング層を含む金属部材を提供することである。
本発明の他の目的は、耐腐食性、耐久性及び経済性を備えた燃料電池分離板を提供することである。
本発明の一側面によると、金属母材を準備する段階;及び前記金属母材の表面にレーザーを照射して溶融池を形成し、前記溶融池にCrとAlの混合物、Si及びSiCのうちいずれか一つからなるパウダーを供給して積層加工方式でコーティング層を形成する段階;を含む金属コーティング方法が提供される。
本発明の他の一側面によると、金属母材及び前記金属コーティング方法を通じて前記金属母材の表面に形成されたコーティング層を含む金属部材が提供される。
本発明のまた他の一側面によると、金属からなる母材;CrとAlの混合物、Si及びSiCのうちいずれか一つからなるコーティング物質が前記母材とともに溶融及び混合されて前記母材の表面に形成された混合層;及び前記混合層の表面に前記コーティング物質が積層されて形成された流路;を含む燃料電池分離板が提供される。
本発明によると、金属母材の表面にCrとAlの混合物、Si及びSiCのうちいずれか一つからなるパウダーを供給して積層加工方式でコーティング層を形成し得、これを通じて、耐腐食性、耐久性及び経済性を備えた金属部材を提供し得る。
また、本発明によると、母材の表面に母材とコーティング物質が共に溶融されて形成された混合層が具備され、混合層上にコーティング物質で流路が積層形成された構造を通じて耐腐食性、耐久性及び経済性を備えた燃料電池分離板を提供し得る。
図1は、本発明の一実施例による金属コーティング方法のフローチャートである。 図2は、本発明の一実施例による金属コーティング方法により金属母材にコーティング層が形成される過程を示した図である。 図3は、Cr10AlパウダーをSUS304の表面に積層するが、スキャンスピードを異にして製造した試片の電子顕微鏡写真である。 図4は、SiCパウダーをSUS304の表面に積層するが、スキャンスピードを異にして製造した試片の電子顕微鏡写真である。 図5は、本発明の一実施例による金属コーティング方法によって製造された試片の写真である。 図6は、本発明の一実施例によってCr10AlパウダーをSUS304の表面に積層した試片の腐食特性(分極試験)評価結果を示したグラフである。 図7は、本発明の一実施例によってSiパウダーをSUS304の表面に積層した試片の腐食特性(分極試験)評価結果を示したグラフである。 図8は、本発明の一実施例によってSiCパウダーをSUS304の表面に積層した試片の腐食特性(分極試験)評価結果を示したグラフである。 図9は、コーティング層が形成されないSUS304の腐食特性(分極試験)評価結果を示したグラフである。 図10は、分極試験前後の試片の表面写真である。 図11は、本発明の一実施例による燃料電池分離板の断面構造を示した図である。 図12は、本発明の一実施例による燃料電池分離板の写真である。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例に対して本発明が属する技術分野において通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は、多様な相異なっている形態で具現され得、ここで説明する実施例によって限定されない。本発明を明確に説明するために、図面において説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一又は類似の構成要素に対しては同一の参照符号を付与した。
本明細書で「含む」又は「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組み合わせが存在することを説明ためのものであって、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組み合わせなどの存在又は付加可能性をあらかじめ排除しないものと理解すべきである。
図1は、本発明の一実施例による金属コーティング方法のフローチャートである。図2は、本発明の一実施例による金属コーティング方法により金属母材にコーティング層が形成される過程を示した図である。
本発明の一実施例による金属コーティング方法によると、金属母材の表面に耐酸化コーティング層を形成することができる。本発明の一実施例による金属コーティング方法は、燃料電池分離板を製造することに適用され得る。より詳しくは、本発明の一実施例による金属コーティング方法は、水素燃料電池用金属分離板の耐酸化コーティングと流路形成のための3Dプリンティング工程技術を提供することができる。
本発明の一実施例による金属コーティング方法は、耐酸化、高伝導物質を金属母材と強い接合力が維持されるようにコーティングして耐久性を向上させる。また、本発明の一実施例による金属コーティング方法によって積層加工(3Dプリンティング)を行う場合、表面粗さと流路を制御して金属分離板の単位面積当たり効率を増加させて流路を形成することができる。
図1及び図2を参照すると、本発明の一実施例による金属コーティング方法は、金属母材を準備する段階S10及びコーティング層を形成する段階S30を含むことができる。
金属母材10を準備する段階S10では、表面にコーティング層30が形成される金属母材10が準備される。本発明の一実施例で、金属母材10は、燃料電池分離板であってもよい。このとき、燃料電池は、水素燃料電池であってもよい。
例えば、金属母材10の材質は、ステンレス鋼(SUS)であってもよい。より詳しくは、金属母材10の材質は、SUS304、SUS316などであってもよい。
本発明の一実施例による場合、金属母材10の表面に耐腐食性を有するコーティング層30を安定的に形成し得るので、SUS316に比べて相対的に低価のSUS304材質を用いても水素燃料電池用金属分離板の耐腐食性及び各種性能を十分に確保し得る。
コーティング層30を形成する段階S30で、金属母材10の表面にレーザーを照射して溶融池を形成し、前記溶融池にCrとAlの混合物、Si及びSiCのうちいずれか一つからなるパウダーを供給して積層加工方式でコーティング層30を形成する。
このとき、積層加工方式は、DED(Direct Energy Deposition)方式であってもよい。より詳しくは、前記積層加工は、大韓民国登録特許第1609214号に開示された3Dレーザープリンティング用パウダー供給ノズルを用いて進行し得る。
CrとAlの混合物は、固溶体になり得る。また、CrとAlの混合物は、Crが85~95wt%及びAlが5~15wt%で構成され得る。CrとAlの混合物は、金属母材10の表面にコーティング層30を形成し、酸素と接してコーティング層30の表面にそれぞれCr23、Al23を形成する。Cr23及びAl23は、ナノメートル単位の薄膜を形成して耐食性を提供する。CrとAlの混合物で、Alの組成比が5wt%より小さい場合、Al23が十分に生成されず、Alの組成比が15wt%より大きい場合、衝撃に弱い金属間化合物の生成量が増加して耐蝕性能が低下し得る。
Siは、金属母材10の表面にコーティング層30を形成し、酸素と接してコーティング層30の表面にナノメートル単位のSiO2薄膜を形成し得る。SiO2薄膜は、耐食性を提供する。また、SiCは、それ自体で優れた耐蝕性能を提供する。
このように、CrとAlの混合物、Si及びSiCは、燃料電池環境で耐酸性に優れ、酸化被膜を形成しないと共に電気伝導性に優れた性質を有している。コーティング層30を形成する段階S30で、このような性質を有した不均質の粒子が金属母材10の表面に積層(コーティング)される。
コーティング層30の耐酸化性と気密性を維持するために熱源として用いられるレーザーのエネルギー範囲を調節してコーティング素材パウダーを50%以上溶融状態としながら、金属母材表面を20~60%範囲で溶融させてコーティング素材パウダーと金属母材10が一部混合される混合層が形成されるようにすることによって界面の接合力を向上させることが好ましい。
このとき、金属母材10の背面(底)は、冷媒を接触循環させて温度が100℃以下に維持されるようにすることが好ましい。金属母材10の温度が過度に上がる場合、反応層の厚さが厚くなる問題が発生し得るからである。
一方、コーティング層30を形成する段階S30で、コーティング層30は、パターンを有して形成され得る。例えば、金属母材10が燃料電池分離板である場合、コーティング層30は、パターンを有した流路で形成され得る。また、コーティング層30の形成時にパウダー粒子が突出して燃料電池環境で表面積が極大化されるようにすることによって単位面積当たり効率を増加させ得る。このように本発明の一実施例によって形成されるコーティング層30により燃料電池分離板の性能を高性能化し得る。
コーティング層30を形成する段階S30で、前記積層加工は、レーザーパワーが180~220W、ハッチング距離(hatching distance)が0.21~0.39mmである条件で進行し得る。このとき、レーザー照射のフォーカス(Focous)は、0に設定し得る。
図2を参照すると、ハッチング距離D2は、隣接した溶融池の間の重畳する距離に該当する。本発明の一実施例で、レーザーが照射されて生成される溶融池の直径D1は、1mmであり、ハッチング距離D2は、0.21~0.39mmに設定し得る。
前記範囲を脱してハッチング距離D2を過大にする場合、コーティング層30の形成効率が低下し、ハッチング距離D2を過小にする場合、コーティング層30が正しく形成されない部分が発生する恐れがある。
コーティング層30を形成する段階S30で、前記パウダーが90wt%のCrと10wt%のAlからなる混合物である場合、前記積層加工は、スキャンスピード6~12mm/sの条件で進行され得る。
このとき、前記パウダーは、6~7L/minで供給されるパウダーガスとともに前記溶融池に吐出され得る。パウダーガスは、非活性気体からなってもよい。例えば、パウダーガスは、アルゴン(Ar)ガスであってもよい。
また、前記レーザーの照射時に6.5~7.5L/minで供給されるインナーガスが一緒に吐出され得る。インナーガスは、非活性気体からなってもよい。インナーガスは、溶融池でパウダーの分散が円滑に行われるようにする。例えば、インナーガスは、アルゴン(Ar)ガスであってもよい。
下の表1は、90wt%のCrと10wt%のAlで構成された混合物のパウダーをSUS304からなる金属母材上に積層加工してコーティング層を形成するとき、レーザーパワーは、200W、フォーカスは、0、インナーガス供給速度は、7L/min、パウダーガス供給速度は、6.5L/min、ハッチング距離は、0.3mmに固定し、スキャンスピードを異にして5個の試片を製作する工程条件を示したものである。
Figure 2022083439000002
図3には、表1による積層工程条件によってコーティング層を形成する段階S30が進行された後の金属母材とコーティング層の断面の電子顕微鏡写真が示されている。
図3を参照すると、90wt%のCrと10wt%のAlで構成された混合物のパウダーをSUS304からなる金属母材上に積層加工してコーティング層を形成するとき、スキャンスピードが12mm/sを超える場合、コーティングの厚さが減少してコーティングが間歇的に形成されることが確認される。したがって、90wt%のCrと10wt%のAlで構成された混合物のパウダーを金属母材に積層する場合、適正なスキャンスピードは、6~12mm/sであり、効率を考慮するとき、12mm/sのスキャンスピードが好ましいと判断される。
コーティング層30を形成する段階S30で、前記パウダーがSi又はSICからなる場合、前記積層加工は、スキャンスピード4~8mm/sの条件で進行され得る。
このとき、前記パウダーは、6~7L/minで供給されるパウダーガスとともに前記溶融池に吐出され得る。パウダーガスは、非活性気体からなってもよい。例えば、パウダーガスは、アルゴン(Ar)であってもよい。
また、前記レーザーの照射時に6.5~7.5L/minで供給されるインナーガスが共に吐出され得る。インナーガスは、非活性気体からなってもよい。インナーガスは、溶融池でパウダーの分散が円滑に行われるようにする。例えば、インナーガスは、アルゴン(Ar)であってもよい。
下の表2は、SiCからなるパウダーをSUS304からなる金属母材上に積層加工してコーティング層を形成するとき、レーザーパワーは、220W、フォーカスは、0、インナーガス供給速度は、7L/min、パウダーガス供給速度は、6.5L/min、ハッチング距離は、0.3mmに固定し、スキャンスピードを異にして5個の試片を製作する工程条件を示したものである。
Figure 2022083439000003
図4には、表2による積層工程条件によってコーティング層を形成する段階S30が進行された後の金属母材とコーティング層の断面の電子顕微鏡写真が示されている。
図4を参照すると、SiCからなるパウダーをSUS304からなる金属母材上に積層加工してコーティング層を形成するとき、スキャンスピードが8mm/sを超える場合、コーティングの厚さが減少してコーティングが間歇的に形成されることが確認された。したがって、SiCからなるパウダーを金属母材に積層する場合、適正なスキャンスピードは、4~8mm/sであり、効率を考慮するとき、8mm/sのスキャンスピードが好ましいと判断される。
SiCからなるパウダーをSUS304からなる金属母材上に積層加工してコーティング層を形成するときの工程条件による結果は、SiからなるパウダーをSUS304からなる金属母材上に積層加工してコーティング層を形成するときにも類似して現われることが確認された。
一方、前記コーティング層を形成する段階S30で、上述したすべての工程は、前記金属母材の背面を冷却して前記金属母材の背面温度を100℃以下に維持した状態で行われ得る。
図5は、本発明の一実施例による金属コーティング方法によって製造された試片の写真である。図5で、Cr10Alは、90wt%のCrと10wt%のAlで構成された混合物を意味する。また、図6は、本発明の一実施例によってCr10AlパウダーをSUS304の表面に積層した試片の腐食特性(分極試験)評価結果を示したグラフであり、図7は、本発明の一実施例によってSiパウダーをSUS304の表面に積層した試片の腐食特性(分極試験)評価結果を示したグラフであり、図8は、本発明の一実施例によってSiCパウダーをSUS304の表面に積層した試片の腐食特性(分極試験)評価結果を示したグラフである。一方、図9には、コーティング層が形成されないSUS304の腐食特性(分極試験)評価結果を示したグラフが図示されている。
これに基づいて各試片及び比較例の腐食電流(corrosion current)及び腐食率(corrosion rate)を決定すると、下の表3の通りである。
Figure 2022083439000004
表3を参照すると、本発明の実施例によって製造された試片の腐食特性が比較例に比べて全て優れることが確認できる。一方、図10には、分極試験前後の試片の表面写真が示されているが、図10を参照すると、実際の試験後に試片の表面に腐食がほとんど現われないという事実が確認できる。
このように本発明による金属コーティング方法による場合、金属母材10及び前記金属コーティング方法により金属母材10の表面に形成されたコーティング層30を含む金属部材が提供される。例えば、金属部材は、水素燃料電池の金属分離板であってもよい。
このように本発明による場合、金属母材の材質及び形状に関係なく表面に耐酸化物質をコーティングして腐食特性を向上させると共に燃料電池分離板に要求される流路形状及び表面構造を制御し得るようになる。
図11は、本発明の一実施例による燃料電池分離板の断面構造を示した図であり、図12は、本発明の一実施例による燃料電池分離板の写真である。
図11及び図12を参照すると、本発明の一実施例による燃料電池分離板100は、母材110、混合層120及び流路130を含む。
母材110は、燃料電池分離板の本体を成す部分である。母材110は、金属からなってもよい。より詳しくは、前記金属は、ステンレス鋼(例えば、SUS316又はSUS304)材質であってもよい。
混合層120は、CrとAlの混合物、Si及びSiCのうちいずれか一つからなるコーティング物質が母材110の表面に母材110とともに溶融及び混合して形成されたものである。混合層120は、母材110が溶融された状態で前記コーティング物質がパウダー状態で供給されて溶融及び混合して形成され得る。混合層120は、母材110と流路130の間の界面接合力を向上させる。
本発明の一実施例で、混合層120は、上述したような本発明の一実施例による金属コーティング方法により形成され得る。言い換えれば、母材110の表面にレーザーを照射して母材110を所定深さまで溶融させて溶融池を形成し、前記溶融池に前記コーティング物質のパウダーを供給して混合層120を形成し得る。より詳しくは、混合層120は、レーザーの照射を通じて前記パウダーが50%以上溶融され、母材110の表面が20~60%範囲で溶融された状態で形成されたものであってもよい。
混合層120と母材110の界面は、波形を有することができる。混合層120と母材110の界面が波形を有することになると、混合層120と母材110の界面が並んで形成される場合に比べて界面の面積が増加する。これによって、混合層120と母材110の間の界面接合力及び剥離抵抗性が増加し得る。本発明の一実施例による金属コーティング方法により混合層120が形成される場合、母材110の表面に照射されたレーザーにより形成される溶融池の直径、隣接した溶融池間に重畳する距離などを調節することによって混合層120と母材110の界面の形状を制御し得る。
流路130は、混合層120の表面に前記コーティング物質が積層されて形成される。流路130は、積層加工方式を通じて混合層120と共に形成され得る。例えば、積層加工方式は、DED(Direct Energy Deposition)方式であってもよい。
上述したように、前記コーティング物質は、CrとAlの混合物であってもよい。このとき、CrとAlの混合物は、Crが85~95wt%及びAlが5~15wt%で構成された固溶体であってもよい。CrとAlの混合物は、混合層120の表面に積層された状態で酸素と接し、その表面にそれぞれCr23、Al23を形成する。Cr23及びAl23は、ナノメートル単位の薄膜を形成して耐食性を提供する。CrとAlの混合物で、Alの組成比が5wt%より小さい場合、Al23が十分に生成されず、Alの組成比が15wt%より大きい場合、衝撃に弱い金属間化合物の生成量が増加して耐蝕性能が低下し得る。
また、前記コーティング物質は、Si又はSiCからなってもよい。Siは、混合層120の表面に積層された状態で流路130を形成し、その表面が酸素と接してナノメートル単位のSiO2薄膜を形成することができる、SiO2薄膜は、耐食性を提供する。また、SiCは、それ自体で優れた耐蝕性能を提供する。
本発明の一実施例に対して説明したが、本発明の思想は、本明細書に提示される実施例によって制限されず、本発明の思想を理解する当業者は、同一の思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などにより他の実施例を容易に提案することができるが、それも本発明の思想範囲内に含まれる。

Claims (16)

  1. 金属母材を準備する段階;及び
    前記金属母材の表面にレーザーを照射して溶融池を形成し、前記溶融池にCrとAlの混合物、Si及びSiCのうちいずれか一つからなるパウダーを供給して積層加工方式でコーティング層を形成する段階;を含むことを特徴とする、金属コーティング方法。
  2. 前記積層加工は、レーザーパワーが180~220W、ハッチング距離(hatching distance)が0.21~0.39mmの条件で進行されることを特徴と
    する、請求項1に記載の金属コーティング方法。
  3. 前記パウダーは、Crが85~95wt%及びAlが5~15wt%で構成された固溶体からなることを特徴とする、請求項2に記載の金属コーティング方法。
  4. 前記積層加工は、スキャンスピード6~12mm/sで進行されることを特徴とする、請求項3に記載の金属コーティング方法。
  5. 前記パウダーは、6~7L/minで供給されるパウダーガスと共に前記溶融池に吐出されることを特徴とする、請求項4に記載の金属コーティング方法。
  6. 前記レーザーの照射時に6.5~7.5L/minで供給されるインナーガスが共に吐出されることを特徴とする、請求項5に記載の金属コーティング方法。
  7. 前記パウダーは、Si又はSiCからなり、前記積層加工は、スキャンスピード4~8mm/sで進行されることを特徴とする、請求項2に記載の金属コーティング方法。
  8. 前記パウダーは、6~7L/minで供給されるパウダーガスと共に前記溶融池に吐出されることを特徴とする、請求項7に記載の金属コーティング方法。
  9. 前記レーザーの照射時に6.5~7.5L/minで供給されるインナーガスが共に吐出されることを特徴とする、請求項8に記載の金属コーティング方法。
  10. 前記コーティング層を形成する段階は、前記金属母材の背面を冷却させて前記金属母材の背面温度を100℃以下に維持した状態で行われることを特徴とする、請求項1に記載の金属コーティング方法。
  11. 金属母材及び
    請求項1~請求項10のうちいずれか一項に記載の方法で前記金属母材の表面に形成されたコーティング層を含むことを特徴とする、金属部材。
  12. 金属からなる母材;
    CrとAlの混合物、Si及びSiCのうちいずれか一つからなるコーティング物質が前記母材とともに溶融及び混合されて前記母材の表面に形成された混合層;及び
    前記混合層の表面に前記コーティング物質が積層されて形成された流路;を含むことを特徴とする、燃料電池分離板。
  13. 前記金属は、ステンレス鋼であることを特徴とする、請求項12に記載の燃料電池分離板。
  14. 前記混合層は、前記母材が溶融された状態で前記コーティング物質がパウダー状態で供給されて溶融及び混合して形成されたことを特徴とする、請求項12に記載の燃料電池分離板。
  15. 前記母材と前記混合層の界面は、波形を有することを特徴とする、請求項12に記載の燃料電池分離板。
  16. 前記CrとAlの混合物は、Crが85~95wt%及びAlが5~15wt%で構成された固溶体であることを特徴とする、請求項12に記載の燃料電池分離板。
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