JP7373540B2 - 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
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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。
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。
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Ｃｒ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3を形成する。Ｃｒ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3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、Ａｌ2Ｏ3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。
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。
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。
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Ｃｒ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3を形成する。Ｃｒ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3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、Ａｌ2Ｏ3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 (3)
- ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる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、８５～９５ｗｔ％のＣｒ及び５～１５ｗｔ％のＡｌで構成された固溶体、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；を含み、
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、
前記パウダーが、８５～９５ｗｔ％のＣｒ及び５～１５ｗｔ％のＡｌで構成された固溶体からなるとき、前記積層加工は、スキャンスピード６～１２ｍｍ／ｓで進行され、
前記パウダーが、Ｓｉ又はＳｉＣからなるとき、前記積層加工は、スキャンスピード４～８ｍｍ／ｓで進行され、
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、金属コーティング方法。 - 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１に記載の金属コーティング方法。
- 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２に記載の金属コーティング方法。
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