KR100801429B1 - The method for manufacturing a metal seperator of fuel cell - Google Patents

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Abstract

A method for preparing a metal separator for a fuel cell is provided to improve electrical conductivity, corrosion resistance, strength, durability and processability. A method for preparing a metal separator comprises the steps of coating a resin containing Cr on stainless steel; and heat treating it at a high temperature under reductive atmosphere to remove the C and O present in the resin, thereby forming a Cr-rich film. Preferably the resin coating containing Cr has a thickness of 0.5-1 micrometer and the Cr-rich film has a thickness of 0.01-0.5 micrometers. Preferably the resin coating containing Cr is performed by using a mixture comprising chromic anhydride(CrO3), acrylic acid and water.

Description

연료전지용 금속 분리판의 제조 방법{THE METHOD FOR MANUFACTURING A METAL SEPERATOR OF FUEL CELL}The manufacturing method of the metal separator plate for fuel cells {THE METHOD FOR MANUFACTURING A METAL SEPERATOR OF FUEL CELL}

도 1은 종래의 기술에 따른 부동태 피막에 전도성 입자가 개재된 금속 분리판을 도시한 도면이다.1 is a view showing a metal separator plate containing conductive particles in a passivation film according to the prior art.

도 2는 종래의 기술에 따른 질화티타늄 피막을 표면에 형성한 금속 분리판을 도시한 것이다.2 illustrates a metal separator in which a titanium nitride film according to the prior art is formed on a surface thereof.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분리판을 제조하는 공정을 도시한 것이다.Figure 3 illustrates a process for manufacturing a metal separator according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예의 물성을 평가한 그래프이다.4 is a graph evaluating the physical properties of Examples and Comparative Examples of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분리판, 흑연 분리판 및 스테인리스 스틸 분리판의 물성치를 비교하여 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing the physical properties of the metal separator, the graphite separator and the stainless steel separator according to an embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 11은 스테인리스 강판에 수지 코팅을 한 뒤, 각각 비열처리, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃에서 10분간 열처리를 한 후, 피막의 깊이에 따른 원자의 조성비를 도시한 그래프이다. 6 to 11 is a resin coating on a stainless steel sheet, and then heat treatment at a specific heat treatment, 500 ° C, 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C, 900 ° C for 10 minutes, respectively, the composition ratio of atoms according to the depth of the film It is a graph shown.

본 발명은 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 전도성 및 내식성이 향상되도록 표면 처리된 금속 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal separator plate for fuel cells and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a metal separator surface-treated and a method of manufacturing the same to improve conductivity and corrosion resistance.

연료 전지란, 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다. A fuel cell is a power generation device which converts chemical energy into electrical energy generally by oxidizing and reducing hydrogen and oxygen. Hydrogen is oxidized at the anode and separated into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions move through the electrolyte to the cathode. At this time, the electrons move to the anode through the circuit. At the anode, a reduction reaction occurs in which hydrogen ions, electrons, and oxygen react to form water.

연료전지의 단위셀은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개에서 수백개의 단위셀을 적층하여 사용한다. 단위셀의 적층 시 단위셀 간 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판이다. Since the unit cell of the fuel cell is low in practicality due to low voltage, generally several to hundreds of unit cells are stacked and used. In the stacking of the unit cells, the electrical connection between the unit cells is made, and the separating plate serves to separate the reaction gas.

과거에는 흑연으로 제조된 분리판을 주로 이용하였으나, 흑연의 취성 및 제조 단가가 높은 점 때문에 최근에는 금속 분리판의 개발이 활발하다. In the past, a separator made of graphite was mainly used, but the development of a metal separator is active in recent years due to the high brittleness of graphite and the high manufacturing cost.

이때, 금속 분리판은 각 단위셀을 전기적으로 연결해주어야 하므로, 충분한 전도성을 구비해야 한다. 또한 연료 전지 내부의 환경은 수소 이온의 농도가 높고, 고온으로 부식이 쉬운 환경이므로, 금속 분리판은 충분한 내식성을 구비해야 한다. In this case, the metal separator plate must be electrically connected to each unit cell, and therefore must have sufficient conductivity. In addition, since the environment inside the fuel cell is high in the concentration of hydrogen ions and easily corroded at a high temperature, the metal separator should have sufficient corrosion resistance.

금속 분리판의 전도성 및 내식성을 확보하기 위한 기술로, 일본 특허공개공보 平11-162478, 平10-228914에 금속 분리판의 표면에 금과 같은 귀금속 도금을 하여 내식성 및 전기 전도성을 확보하는 기술이 개시되어 있다. 이러한 기술은 내식성 및 전기 전도성의 개선 효과는 있으나 제조 비용이 비싸고 핀홀과 같은 결함이 발생하여 실용성이 떨어졌다.As a technology to secure the conductivity and corrosion resistance of the metal separator plate, Japanese Patent Publications 平 11-162478 and 平 10-228914 have a technique for securing corrosion resistance and electrical conductivity by plating precious metals such as gold on the surface of the metal separator plate. Is disclosed. While these technologies have improved corrosion resistance and electrical conductivity, they are expensive to manufacture and suffer from defects such as pinholes, making them less practical.

또한, 일본 특허공개공보 2003-276249, 2003-272653은 비용 절감을 위해 금속 분리판의 표면에 매우 얇은 금 도금을 하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 금 도금 부분이 경도가 낮기 때문에 금속 분리판이 전극과 접촉할 경우 스크래치와 같은 손상이 발생하여 부식이 일어날 염려가 있었다.In addition, Japanese Patent Laid-Open Nos. 2003-276249 and 2003-272653 disclose a technique of plating very thin gold on the surface of a metal separator plate in order to reduce costs. However, since the gold-plated portion has a low hardness, when the metal separator is in contact with the electrode, scratches, such as scratches, may occur, causing corrosion.

또한 도 1을 참조하면, 일본 특허공개공보 2003-277133에는 가격이 비교적 저렴한 탄소 입자(3)를 금속 분리판 표면의 부동태 피막(2)에 분산시켜 전기 전도성을 개선하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 연료 전지가 자동차에 적용될 경우 운전 중 진동 등에 의해 탄소 입자(3)가 박리되기 쉽고, 적절한 전처리를 하지 않으면 금속 분리판의 원 소재인 스테인리스 스틸(1)의 접촉 저항이 높기 때문에 금속 분리판으로 사용하기 부적합했다.1, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-277133 discloses a technique of improving electrical conductivity by dispersing relatively inexpensive carbon particles 3 in the passivation film 2 on the surface of a metal separator plate. However, when the fuel cell is applied to an automobile, the carbon particles (3) are easily peeled off due to vibration during driving, and unless the proper pretreatment is performed, the contact resistance of the stainless steel (1), which is a raw material of the metal separator, is high. Not suitable for use.

또한 도 2를 참조하면, 일본 특허공개공보 2000-353531에는 티타늄을 고온 질화 처리하여 스테인리스 스틸(1)의 표면에 질화티타늄 피막(2)을 형성하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은 장시간 처리하여야 하고, 진공 중에서 시행되어야 하기 때문에 대량 생산을 위한 공정 구성이 어렵고 제품 단가가 상승하게 되는 단점이 있었다.2, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2000-353531 discloses a technique of forming titanium nitride film 2 on the surface of stainless steel 1 by nitriding titanium at high temperature. However, since this method has to be processed for a long time and must be carried out in a vacuum, it is difficult to construct a process for mass production, and the cost of the product increases.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해, 전도성 및 내식성을 확보하면서, 내구성 및 공정성이 우수한 금속 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a metal separation plate having excellent durability and processability and a method of manufacturing the same, while ensuring conductivity and corrosion resistance.

또한 본 발명은 진공이 아닌 기체 분위기 하에서 금속의 표면 처리가 이루어지는 금속 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a metal separation plate and a method for producing the metal surface treatment is performed under a gas atmosphere rather than a vacuum.

또한 본 발명은 기성품인 스테인리스 강판을 사용하고, 대량 생산이 가능한 금속 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a metal separation plate capable of mass production using a ready-made stainless steel sheet and a method of manufacturing the same.

본 발명은 스테인리스 스틸 표면에 Cr이 40wt%이상 포함되는 0.01 ~ 0.05㎛의 코팅 피막을 구비하며, 내식성 및 전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 분리판을 제공한다. 기성품인 일반 상업용 스테인리스 스틸 강판에 Cr이 포함된 피막을 구비하도록 표면 처리를 하여, 제조 공정이 간단하고 제품 단가가 낮아지는 장점이 있다.The present invention provides a metal separator plate having a coating film of 0.01 to 0.05 μm that contains 40 wt% or more of Cr on the surface of stainless steel, and having corrosion resistance and conductivity. The surface treatment is performed to have a film containing Cr on the ready-made general commercial stainless steel sheet, there is an advantage that the manufacturing process is simple and the product cost is lowered.

또한 본 발명은 스테인레스 스틸에 Cr을 포함하는 수지 코팅 후, 고온 환원성 분위기에서 열처리시켜 수지 내에 존재하는 C 및 O를 제거해서 Cr-rich 피막을 형성하는 연료전지용 금속 분리판의 제조 방법을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 열처리에 의해 스테인리스 스틸의 부동태 피막이 제거되어, 즉 코팅 피막 내의 C 및 O가 제거되어 Cr이 농축되고, 코팅층 내에서 Cr이 확산되어 내식성 및 전도성이 동시에 개선될 수 있다.In another aspect, the present invention provides a method for producing a metal separator plate for a fuel cell to form a Cr-rich film by removing the C and O present in the resin by heat treatment in a high temperature reducing atmosphere after the resin coating containing Cr in stainless steel. Through this configuration, the passivation film of stainless steel is removed by heat treatment, that is, C and O in the coating film are removed so that Cr is concentrated, and Cr is diffused in the coating layer, thereby improving corrosion resistance and conductivity at the same time.

또한 본 발명은 Cr을 포함하는 수지 코팅은, 0.5 ~ 1㎛로 행해지고 , 열처리에 의해 0.01~0.05㎛의 Cr-rich 피막이 되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판의 제조 방법을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 내식성과 전도성 두 가지 상충하는 조건을 모두 만족하는 금속 분리판을 제조할 수 있다.In addition, the present invention provides a method for producing a metal separator plate for fuel cells, wherein the resin coating containing Cr is performed at 0.5 to 1 µm to form a Cr-rich coating having a thickness of 0.01 to 0.05 µm by heat treatment. Through this configuration, it is possible to produce a metal separator that satisfies both conflicting conditions of corrosion resistance and conductivity.

또한 본 발명은 Cr을 포함하는 수지 코팅이 무수크롬산(CrO3), 아크릴산(acrylic acid), 물을 혼합한 물질인 것을 특징으로 하는 금속 분리판의 제조 방법을 제공한다. 수용성인 무수크롬산 및 아크릴산을 물과 혼합하여 코팅액이 수용액 상태이므로, 스테인리스 강판에 코팅액을 스프레이하거나 롤 코팅을 할 수 있다. In another aspect, the present invention provides a method for producing a metal separator, characterized in that the resin coating containing Cr is a substance mixed with chromic anhydride (CrO 3 ), acrylic acid, water. Since the coating liquid is in an aqueous state by mixing water-soluble chromic anhydride and acrylic acid with water, the coating liquid may be sprayed or roll coated on a stainless steel sheet.

또한 본 발명은 열처리가 환원 가스인 수소 가스, 질소 가스, 할로겐화물가스, 불활성 가스, 암모니아 가스 중에서 선택된 한 종류 이상의 가스를 포함하는 가스 분위기에서, 500℃ ~ 800℃의 온도로 5분 ~ 15분 동안 행해지는 것을 특징으로 하는 금속 분리판의 제조 방법을 제공한다. 이러한 구성을 통해 내식성과 전기 전도성을 동시에 확보하는 금속 분리판을 제조할 수 있다. In addition, the present invention is 5 minutes to 15 minutes at a temperature of 500 ℃ to 800 ℃ in a gas atmosphere containing at least one gas selected from hydrogen gas, nitrogen gas, halide gas, inert gas, ammonia gas heat treatment is a reducing gas It provides a method for producing a metal separator, characterized in that during. Through this configuration, it is possible to manufacture a metal separator to ensure corrosion resistance and electrical conductivity at the same time.

또한 본 발명은 산성 탈지제를 이용해, 스테인리스 스틸을 탈지하는 전처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판의 제조 방법을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 스테인리스 강판의 표면 불순물 및 산화 피막의 일부를 제거하여 코팅 처리성 및 코팅 밀착성을 증대시킬 수 있다.In another aspect, the present invention provides a method for producing a metal separator further comprising a pretreatment step of degreasing stainless steel using an acidic degreasing agent. Through such a configuration, the surface impurities and the oxide film of the stainless steel sheet can be removed to increase the coating treatability and the coating adhesion.

또한 본 발명은 수지 코팅의 전, 후 및 열처리 전, 후 중 어느 하나에 있어서 금속 분리판에 반응 가스 및 냉각수 채널을 형성하는 분리판 성형 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판의 제조 방법을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 금속 분리판 제조 공정의 자유도가 높아지고, 분리판 성형, 표면 처리, 열처리 공정을 연속적으로 시행할 수 있어 생산성이 향상되고 제조 비용이 저렴해질 수 있 다.In another aspect, the present invention comprises a separator forming step of forming a reaction gas and a cooling water channel in the metal separator in any one of before, after and before the heat treatment, and before the heat treatment. To provide. Through this configuration, the degree of freedom of the metal separation plate manufacturing process is increased, and the separation plate forming, surface treatment, and heat treatment processes can be continuously performed, thereby improving productivity and lowering manufacturing costs.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분리판을 제조하는 공정을 도시한 공정도이다. 금속 분리판의 원 재료로 오스테나이트계 스테인리스 스틸(SUS 316L: 1)을 이용한다. 기성품인 0.2t의 스테인리스 스틸(1)은 약 3 ~ 5 nm의 부동태 피막(2)이 형성되어 있다. 전처리 단계로서 산성 탈지제를 이용하여, 스테인인리스 스틸(1) 표면의 불순물과 부동태 피막(2)의 일부를 제거한다. 전처리 단계에서 기존의 알칼리 탈지제를 사용하는 경우, 스테인리스 스틸(1)의 부동태 피막(2)이 강화되거나 그대로 잔류하게 되어, 표면이 산화막(부동태피막)으로 인해 소수성 상태로 존재하여 코팅(3) 시 웨팅(wetting)성이 떨어지므로 건조 후에도 표면이 불균일하고 코팅(3) 밀착성이 불량하다. 따라서 스테인리스 스틸(1) 소재에 적합한 산성 탈지제를 사용하여, 스테인리스 스틸(1)의 코팅(3) 처리성 및 밀착성을 증대시킬 수 있다. 여기서 산성 탈지제는 pH 농도가 3.0 ~ 4.0인 황산(H2SO4) 10%와 비이온 계면활성제 1~2%를 포함하는 것이 이용되었다. 50℃의 온도에서 70초간 산성 탈지제에 스테인리스 스틸(1)을 담궈서 문지르는(dipping and rubbing) 방식으로 탈지가 행해졌다. 이후 스테인리스 스틸(1)은 약 10분간 60℃의 온도에서 건조된다. 3 is a process diagram illustrating a process of manufacturing a metal separator according to an embodiment of the present invention. Austenitic stainless steel (SUS 316L: 1) is used as a raw material for the metal separator. The ready-made 0.2t stainless steel 1 is formed with the passivation film 2 of about 3-5 nm. As the pretreatment step, an acidic degreasing agent is used to remove impurities on the surface of the stainless steel 1 and a part of the passivation film 2. In the case of using an existing alkali degreasing agent in the pretreatment step, the passivation film 2 of the stainless steel 1 is strengthened or remains as it is, so that the surface is in a hydrophobic state due to the oxide film (floating film) so that the coating (3) Since wetting is poor, the surface is uneven even after drying and the adhesion of the coating 3 is poor. Therefore, by using the acidic degreaser suitable for the stainless steel (1) material, it is possible to increase the coating (3) processability and adhesion of the stainless steel (1). Here, the acidic degreasing agent was used that contains 10% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) having a pH concentration of 3.0 to 4.0 and 1-2% nonionic surfactant. Degreasing was carried out by dipping and rubbing the stainless steel 1 in an acidic degreaser at a temperature of 50 ° C. for 70 seconds. The stainless steel 1 is then dried at a temperature of 60 ° C. for about 10 minutes.

또한 스테인리스 스틸(1)은 Cr을 포함하는 수지가 코팅된다. 이때, 수지 코팅(3)은 0.5 ~ 1㎛의 두께로 행해진다. Cr은 전도성과 내식성을 동시에 만족하는 물질인 동시에 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 수지 코팅(3)의 조성은 무수크롬 산(CrO3) 10%, 산소비율이 30 ~ 40%, 탄소비율이 30 ~ 40%인 아크릴 산(화학식 : (CH2=CH-COOH)n ) 수지가 10%, 증류수(H2O)가 80%이다. 수지 코팅(3)에는 C, O, Cr 등의 성분이 포함되어 있다. In addition, stainless steel 1 is coated with a resin containing Cr. At this time, the resin coating 3 is performed in the thickness of 0.5-1 micrometer. Cr has the advantage of being a material that satisfies both conductivity and corrosion resistance at the same time and at a low price. The composition of the resin coating (3) is acrylic acid (Chemical Formula: (CH 2 = CH-COOH) n ) resin having 10% chromic anhydride (CrO 3 ), 30-40% oxygen, 30-40% carbon ratio. Is 10% and distilled water (H 2 O) is 80%. The resin coating 3 contains components such as C, O, and Cr.

이후, 환원 가스 분위기에서 수지 코팅(3)이 형성된 스테인리스 스틸(1)을 열처리 한다. 열처리는 500 ~ 800 ℃에서 5 ~ 15분 동안 이루어진다. 수지 코팅(3)이 고온에서 열처리가 이루어져 산화 피막이 감소하면서, Cr-rich 피막(4)이 생성된다. 즉, 부동태 피막(2)이 거의 제거되어 얇아지고, 수지 코팅(3)의 C, O가 최소화되면서 Cr이 농축되어 내식성 및 전도성이 동시에 개선된다. 환원 가스는 수소 가스, 질소 가스, 할로겐화물가스, 불활성 가스, 암모니아 가스 중에서 선택된 한 종류 이상의 가스를 포함한다. Thereafter, the stainless steel 1 on which the resin coating 3 is formed is heat-treated in a reducing gas atmosphere. The heat treatment takes place at 500 to 800 ° C. for 5 to 15 minutes. The resin coating 3 is heat-treated at a high temperature to reduce the oxide film, thereby producing a Cr-rich film 4. That is, the passivation film 2 is almost eliminated and thinned, and Cr is concentrated while C and O of the resin coating 3 are minimized, thereby improving corrosion resistance and conductivity at the same time. The reducing gas includes at least one gas selected from hydrogen gas, nitrogen gas, halide gas, inert gas, and ammonia gas.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분리판의 제조 방법은 스테인리스 강판을 프레스 성형에 의해 반응 가스 및 냉각수 채널을 형성하는 분리판 성형 단계를 포함한다. 분리판 성형 단계는 스테인리스 강판(1)에 수지 코팅(3)이 이루어지기 전, 후 및 수지 코팅(3)의 열처리 전, 후 중 어느 하나에서 이루어질 수 있다. 따라서, 금속 분리판의 제조 공정의 자유도가 높다. 즉, 금속 분리판의 제조 방법은, 분리판 성형, 탈지, 수지 코팅, 건조, 열처리 순으로 제조하는 방법, 탈지, 수지 코팅, 건조, 열처리, 분리판 성형 순으로 제조하는 방법 및 탈지, 수지 코팅, 건조, 분리판 성형, 열처리 순으로 제조하는 방법이 있다. 또한 이러한 제조 방법은 스탬핑 5초, 탈지 20초, 코팅처리 2초, 건조 20초, 열처리 5분 내지 15분 정도로 금속 분리판의 제조에 소요되는 시간이 적으며, 연속 공정으로 공정을 구성하여 대량 생산이 가능하다.In addition, the method of manufacturing a metal separator according to an embodiment of the present invention includes a separator plate forming step of forming a reaction gas and a coolant channel by press molding a stainless steel sheet. Separation plate forming step may be made of any one of before, after the resin coating 3 to the stainless steel sheet 1 and before and after the heat treatment of the resin coating (3). Therefore, the degree of freedom of the manufacturing process of the metal separator plate is high. That is, the manufacturing method of the metal separator plate, the method of manufacturing the separation plate molding, degreasing, resin coating, drying, heat treatment, degreasing, resin coating, drying, heat treatment, method of manufacturing the separator plate molding and degreasing, resin coating , Drying, separator forming, and heat treatment. In addition, such a manufacturing method takes less time for the manufacture of the metal separator plate of about 5 seconds for stamping, 20 seconds for degreasing, 2 seconds for coating, 20 seconds for drying, and 5 minutes to 15 minutes for heat treatment. Production is possible.

도 4는 본 발명의 실시예와 비교예를 전기 전도성과 내식성의 측면에서 비교한 것이다. 금속 분리판의 경우 접촉 저항은 20mΩ·cm2 이하, 부식 전류는 1μÅ/cm2 이하일 것이 요구된다. 실시예 1 내지 실시예 5를 참조하면, 열처리 시간은 5분 ~ 15분으로 다양하나 모두 접촉 저항이 20mΩ·cm2 이하, 부식 전류가 1μÅ/cm2 이하로 요구 조건을 만족했다. 또한 실시예 6 내지 실시예 9는 열처리 시간을 10분으로 고정하고, 열처리 온도만을 달리한 것이다. 역시 접촉 저항이 20mΩ·cm2 이하, 부식 전류가 1μÅ/cm2 이하로 모든 실시예에서 요구 조건을 만족했다. 그러나 비교예 1에서와 같이 500℃ 이하, 1000℃ 이상의 열처리 온도에서는 시간과 관계없이 접촉 저항이 요구 조건을 만족시키지 못했다. 열처리 온도가 500℃ 이하인 경우 크롬 함유된 수지 코팅막이 충분히 열처리가 되지 않아 접촉 저항이 증가하고 전도성을 확보하기 위해서는 열처리 시간이 지나치게 길어지므로 공정 구성 및 대량 생산에 부적합하다. 또한 열처리 온도가 900℃를 초과하는 경우 금속 분리판의 원 재료인 스테인리스 강판이 0.2t 이하의 박판이므로 열 변형이 발생하고, 표면 코팅된 수지의 급격한 증발로 핀홀이 발생하여 내식성 확보가 곤란하고, 전도성 역시 떨어지는 것으로 나타났다. Figure 4 compares the examples of the present invention and the comparative example in terms of electrical conductivity and corrosion resistance. In the case of the metal separator, the contact resistance is required to be 20 mΩ · cm 2 or less and the corrosion current to 1 μm / cm 2 or less. Referring to Examples 1 to 5, the heat treatment time was varied from 5 minutes to 15 minutes, but all satisfied the requirements with a contact resistance of 20 mΩ · cm 2 or less and a corrosion current of 1 μÅ / cm 2 or less. In addition, in Examples 6 to 9, the heat treatment time is fixed to 10 minutes, and only the heat treatment temperature is changed. Also, the contact resistance was 20 mΩ · cm 2 or less and the corrosion current was 1 μÅ / cm 2 or less, which satisfies the requirements in all the examples. However, as in Comparative Example 1, the contact resistance did not satisfy the requirements regardless of time at the heat treatment temperature of 500 ° C. or lower and 1000 ° C. or higher. When the heat treatment temperature is 500 ° C or less, the chromium-containing resin coating film is not sufficiently heat treated, so that the contact resistance is increased and the heat treatment time is too long to secure conductivity, which is not suitable for process configuration and mass production. In addition, when the heat treatment temperature exceeds 900 ℃, since the stainless steel sheet, which is the raw material of the metal separator plate, is 0.2t or less thin plate, thermal deformation occurs, pinholes are generated by rapid evaporation of the surface-coated resin, and it is difficult to secure corrosion resistance. The conductivity was also found to be inferior.

도 5는 실시예 3인 발명예와 흑연 분리판 및 스테인리스 스틸 분리판의 전 압, 전류 밀도, 전력 밀도를 나타낸 것이다. 발명예가 흑연 분리판, 스테인리스 스틸 분리판에 비해 전력 밀도 및 전류 밀도가 개선된 것을 알 수 있다. 5 shows the voltage, current density, and power density of the invention example of Example 3 and the graphite separator and the stainless steel separator. It can be seen that the invention has improved power density and current density compared to the graphite separator and the stainless steel separator.

도 6 내지 도 11은 각각 비열처리, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃에서 10분간 열처리한 후, 표면으로부터의 깊이에 따른 피막의 원자 조성비를 도시한 그래프이다. 도면을 참조하면, 500℃ 내지 700℃ 사이의 온도가 Cr 및 Fe의 조성이 깊이에 관계없이 고른 것을 볼 수 있으며, 양호한 전도성 및 내식성을 보였다. 또한 열처리 후 코팅의 두께는 감소하지만 Cr이 농축되어 내식성이 증가한다. 또한 800℃ 이상의 고온에서 열처리는 산화 피막이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 따라서 700℃이하에 비해 오히려 접촉저항이 증가, 즉 전기 전도성이 저하된다. 6 to 11 are graphs showing the atomic composition ratios of the films according to the depth from the surface after heat treatment at 500 ° C., 600 ° C., 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. for 10 minutes, respectively. Referring to the drawings, it can be seen that the temperature between 500 ° C and 700 ° C is even regardless of the composition of Cr and Fe, and showed good conductivity and corrosion resistance. In addition, after the heat treatment, the thickness of the coating decreases, but Cr is concentrated to increase corrosion resistance. In addition, the heat treatment at high temperature of 800 ℃ or more can be seen that the oxide film is increased, so that the contact resistance is increased rather than 700 ℃ or less, that is, the electrical conductivity is reduced.

일반적으로 내식성과 전도성은 반비례하며 피막 두께가 두껍거나 수지 성분이 많은 경우, 내식성은 증가하지만 전도성은 떨어진다. 따라서 피막중에 있는 C 및 O 성분의 비율을 감소시키고 Cr 성분의 비율을 증가시켜 전도성을 증가시키는 동시에 내식성을 확보한다. 이것은 도 6 내지 도 11의 그래프를 통해 알 수 있으며, 적당한 온도에서 적당한 시간(500~900℃, 5 ~ 15분) 동안 열처리하는 경우 산화 피막이 감소하고, Cr 성분이 증가하여 전도성과 내식성을 동시에 확보할 수 있다. In general, the corrosion resistance and conductivity are inversely proportional, and when the film thickness is thick or the resin component is large, the corrosion resistance is increased but the conductivity is poor. Therefore, by reducing the proportion of the C and O components in the coating and increasing the proportion of the Cr component to increase the conductivity at the same time to ensure corrosion resistance. This can be seen through the graphs of Figs. 6 to 11, when the heat treatment for a suitable time (500 ~ 900 ℃, 5 to 15 minutes) at a suitable temperature, the oxide film is reduced, the Cr component is increased to secure the conductivity and corrosion resistance at the same time can do.

본 발명에 따른 금속 분리판 및 그 제조 방법은 금속 분리판이 내식성 및 전기 전도성을 동시에 확보할 수 있도록 한다.The metal separator and the method of manufacturing the same according to the present invention allow the metal separator to simultaneously ensure corrosion resistance and electrical conductivity.

또한 본 발명에 따른 금속 분리판 및 그 제조 방법은 금속 분리판의 내구성 이 뛰어나고, 제조 공정을 구성하기 용이한 장점이 있다.In addition, the metal separator and the method of manufacturing the same according to the present invention has the advantages of excellent durability of the metal separator and easy to configure the manufacturing process.

또한 본 발명에 따른 금속 분리판 및 그 제조 방법은 일반 스테인리스 강판을 사용하여 금속 분리판을 제조할 수 있어, 대량 생산이 가능하고 가격이 저렴한 장점이 있다. In addition, the metal separator and the method for manufacturing the same according to the present invention can manufacture a metal separator using a common stainless steel sheet, there is an advantage that the mass production is possible and low cost.

또한 본 발명에 따른 금속 분리판 및 그 제조 방법은 흑연 분리판에 비해 강도, 성형성, 부피 감소 등 기계적 성질이 우수하면서, 전도성 및 내식성을 개선한 금속 분리판을 제공한다.In addition, the metal separator and the method for manufacturing the same according to the present invention provides a metal separator having excellent mechanical properties such as strength, formability, volume reduction, and improved conductivity and corrosion resistance compared with the graphite separator.

또한 본 발명에 따른 금속 분리판의 제조 방법은 표면 처리에 이용되는 코팅액의 원료비가 저렴하고, 환원성 가스 분위기에서 열처리를 하게 되어 유틸리티 비용 및 가동 비용이 낮은 장점이 있다.In addition, the method of manufacturing a metal separator according to the present invention has a low raw material cost of the coating liquid used for the surface treatment, heat treatment in a reducing gas atmosphere has a low utility cost and low operating costs.

또한 본 발명에 따른 금속 분리판의 제조 방법은 비교적 넓은 범위의 표면 처리 및 열 처리 조건에서 안정적인 물성 확보가 가능하므로 대량 생산 시 품질에 신뢰성을 확보할 수 있다.In addition, the manufacturing method of the metal separator according to the present invention can ensure a stable physical properties in a relatively wide range of surface treatment and heat treatment conditions can ensure the reliability in quality during mass production.

또한 본 발명에 따른 금속 분리판의 제조 방법은 상업용으로 판매되는 기성품인 스테인리스 강판에 열처리 온도 및 열처리 시간 두 가지 조건만을 제어하여 생산이 가능하므로, 제어 인자를 최소화할 수 있다는 장점이 있다. In addition, the manufacturing method of the metal separator plate according to the present invention can be produced by controlling only two conditions of the heat treatment temperature and the heat treatment time to a commercially available stainless steel sheet, there is an advantage that the control factor can be minimized.

Claims (7)

삭제delete 스테인레스 스틸에 Cr을 포함하는 수지 코팅 후, 고온 환원성 분위기에서 열처리시켜 수지 내에 존재하는 C 및 O를 제거해서 Cr-rich 피막을 형성하는 연료전지용 금속 분리판의 제조 방법.A method for producing a metal separator plate for fuel cells, wherein the stainless steel is coated with a resin containing Cr, followed by heat treatment in a high temperature reducing atmosphere to remove C and O present in the resin to form a Cr-rich coating. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, Cr을 포함하는 수지 코팅은, 0.5 ~ 1㎛로 행해지고, 열처리에 의해 0.01~0.05㎛의 Cr-rich 피막이 되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판의 제조 방법.Resin coating containing Cr is performed at 0.5-1 micrometer and it becomes the Cr-rich film of 0.01-0.05 micrometer by heat processing, The manufacturing method of the metal separator plate for fuel cells characterized by the above-mentioned. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, Cr을 포함하는 수지 코팅은, 무수크롬산(CrO3), 아크릴산(acrylic acid), 물을 혼합한 물질인 것을 특징으로 하는 금속 분리판의 제조 방법.The resin coating containing Cr is a method for producing a metal separator, characterized in that the material is a mixture of chromic anhydride (CrO 3 ), acrylic acid, and water. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 열처리는, 환원 가스인 수소 가스, 질소 가스, 할로겐화물가스, 불활성 가스, 암모니아 가스 중에서 선택된 한 종류 이상의 가스를 포함하는 가스 분위기에서, 500℃ ~ 800℃의 온도로 5분 ~ 15분 동안 행해지는 것을 특징으로 하는 금속 분리판의 제조 방법.The heat treatment is performed for 5 to 15 minutes at a temperature of 500 ° C to 800 ° C in a gas atmosphere containing at least one gas selected from hydrogen gas, nitrogen gas, halide gas, inert gas, and ammonia gas which are reducing gases. Method for producing a metal separator, characterized in that. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 산성 탈지제를 이용해, 스테인리스 스틸을 탈지하는 전처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판의 제조 방법.A method for producing a metal separator further comprising a pretreatment step of degreasing stainless steel using an acidic degreasing agent. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 수지 코팅의 전, 후 및 열처리 전, 후 중 어느 하나에 있어서 금속 분리판에 반응 가스 및 냉각수 채널을 형성하는 분리판 성형 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속분리판의 제조 방법.And a separator forming step of forming a reaction gas and a cooling water channel in the metal separator in any one of before, after, and before and after heat treatment of the resin coating.
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