KR100887831B1 - Surface reforming method of metal bipolar plate for fuel cell - Google Patents

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Abstract

A surface modification method of a metal bipolar plate for a fuel cell is provided to realize high conductivity and anti-corrosive property with low costs by forming a CrNx layer of nano-sized thickness on the surface of a bipolar plate. A surface modification method of a metal bipolar plate for a fuel cell comprises a step for manufacturing a metal bipolar plate and a step for surface-modifying the surface of the bipolar plate with a chromium nitride layer(11) by implanting Cr ion and N ion on the surface of the metal bipolar plate, to improve conductivity and anti-corrosive property of the metal bipolar plate.

Description

연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법{Surface reforming method of metal bipolar plate for fuel cell}Surface reforming method of metal bipolar plate for fuel cell

본 발명은 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지용 금속계 분리판의 고전도성, 내부식성을 향상시키기 위해 이온주입법을 이용하여 Cr(크롬) 이온과 N(질소) 이온을 스테인리스강 분리판 표면에 주입시켜 나노 두께의 CrNx(0.1≤x≤1)층을 형성시키는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for surface modification of a metal-based separator plate for fuel cells, and more particularly, to improve the high conductivity and corrosion resistance of the metal-based separator plate for fuel cells using Cr (chromium) ions and N (nitrogen). The present invention relates to a method for surface modification of a metal-based separator plate for a fuel cell in which ions are implanted into a stainless steel separator plate to form a nano-thick CrN x (0.1 ≦ x ≦ 1) layer.

고분자 고체 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소이온이 이동하는 고분자 고체 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성 과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(Gasket) 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(Bipolar plate)으로 구성된 에너지 변환 장치로서, 수소와 산소(공기)를 주입할 때 전지반응에 의해 전류를 생성한다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a membrane electrode assembly (MEA) with an electrode / catalyst layer on both sides of the membrane, which conducts electrochemical reactions on both sides of the polymer solid electrolyte membrane where hydrogen ions move. And a gas diffusion layer (GDL) that distributes the reactors evenly and delivers generated electricity, gaskets and fastening mechanisms for maintaining the tightness and proper clamping pressure of the reactors and the cooling water. And an energy conversion device composed of a bipolar plate through which the reactants and the cooling water move, and generate electric current by cell reaction when hydrogen and oxygen (air) are injected.

상기 고분자 고체 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다. In the polymer solid electrolyte fuel cell, hydrogen is supplied to an anode (also referred to as a “fuel electrode”), and oxygen (air) is supplied to a cathode (also referred to as a cathode, “air electrode” or “oxygen electrode”).

양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 음극으로 전달된다. The hydrogen supplied to the anode is a hydrogen-ion (Proton, H +) by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane and the electron (Electron, e -) to be decomposed, of hydrogen ions (Proton, H +) only selectively cation is delivered to the cathode through the electrolyte membrane-exchange membrane, at the same time e (electron, e -) is transferred to the cathode through a conductive gas diffusion layer and the bipolar plate.

상기 음극에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극으로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons delivered through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply to generate water.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.At this time, current is generated by the flow of electrons through the external conductor generated due to the movement of hydrogen ions, and heat is incidentally generated in the water generation reaction.

이러한 고분자 고체 전해질형 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.The electrode reaction of the polymer solid electrolyte fuel cell is shown in the following reaction formula.

[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e- [Reaction at the fuel electrode] 2H 2 → 4H + + 4e -

[공기극에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O[Reaction in the air electrode] O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지[Total Reaction] 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Electrical + Thermal

상기 분리판은 막전극접합체와 더불어 연료전지 핵심부품으로 막전극접합체와 기체확산층의 구조적 지지, 발생한 전류의 수집 및 전달, 반응가스의 수송, 반응생성물의 수송 및 제거, 그리고 반응열 제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당하는 연료전지 핵심부품이다. The separator is a fuel cell core component along with the membrane electrode assembly, which is structural support of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer, collection and transfer of generated current, transport of reaction gas, transport and removal of reaction product, and transport of cooling water for removal of reaction heat. It is a fuel cell core part that plays various roles such as.

이에 따라 핵심부품인 분리판은 우수한 전기전도성, 열전도성, 가스 밀폐성 및 화학적 안정성 등의 재료적 특성이 특별히 요구되고 있다. Accordingly, the separator, which is a key component, requires special material properties such as excellent electrical conductivity, thermal conductivity, gas tightness, and chemical stability.

기존의 분리판은 우수한 전기전도성 및 화학적 안정성을 갖는 흑연계 소재 및 수지와 흑연을 혼합한 복합 흑연 재료를 사용해서 제조하여 왔다. Conventional separators have been manufactured using graphite-based materials having excellent electrical conductivity and chemical stability, and composite graphite materials mixed with resin and graphite.

그러나, 흑연계 분리판은 기계적 강성과 밀폐성이 금속계 소재에 비해 낮고, 흑연이 가공시 쉽게 깨지는 위험으로 인해 기계를 사용하지 않고 수작업으로 가공하므로 높은 공정 비용 및 낮은 양산성의 큰 문제점을 가지고 있다.However, the graphite-based separator plate has low mechanical stiffness and hermeticity compared to the metal-based material, and has a big problem of high process cost and low mass production since the graphite separator is processed manually without using a machine due to the risk of breakage of graphite easily during processing.

따라서, 이를 금속계 분리판으로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. Therefore, research to replace this with a metal-based separator is being actively conducted.

금속계 분리판을 적용하게 된다면, 분리판 두께 감소(기존 흑연판은 0.2mm 이상, 금속계 분리판은 0.1mm 가능)를 통한 연료전지 스택의 부피 감소 및 경량화가 가능하고, 스탬핑(Stamping) 등을 이용한 제조가 가능하여 대량생산성을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있다. If the metal-based separator is applied, the volume of the fuel cell stack can be reduced and lightened by reducing the thickness of the separator (previous graphite plate is 0.2mm or more, and the metal-based separator plate is 0.1mm), and stamping is used. It is possible to manufacture and have the advantage of ensuring mass productivity.

그러나, 연료전지 사용시에 금속계 분리판에서는 흑연 분리판에는 없던 금속 부식이 점진적으로 발생하게 되는데, 이는 막전극접합체의 오염을 유발하여 연료전지 스택의 성능 저하를 발생하는 요인으로 작용한다. However, when the fuel cell is used, metal-based separators gradually generate metal corrosion, which is not present in the graphite separator, which causes contamination of the membrane electrode assembly, which causes the deterioration of the performance of the fuel cell stack.

또한 이러한 부식으로 인해 금속 표면에 산화막이 성장하고, 장기간 사용시에 산화막이 점차 두꺼워지면서 연료전지의 내부 저항을 증가시켜 결국 수명을 단축시킨다. In addition, due to such corrosion, the oxide film grows on the metal surface, and the oxide film thickens gradually over long periods of time, increasing the internal resistance of the fuel cell, thereby shortening the lifespan.

따라서, 상기한 문제점을 최소화하기 위해서는 내부식성이 좋은 금속재료를 사용할 수밖에 없으며, 스테인리스강, 티타늄 합금, 알루미늄 합금 및 니켈 합금 등이 금속계 분리판의 후보 재료로 검토되고 있다. Therefore, in order to minimize the above problems, it is necessary to use a metal material having good corrosion resistance, and stainless steel, titanium alloys, aluminum alloys, nickel alloys, and the like have been considered as candidate materials for metal-based separators.

이 중에서 스테인리스강은 비교적 저렴한 소재 원가 및 우수한 내식성 등의 장점에 의해 분리판 소재로 많은 주목을 받고 있으나, 여전히 내식성 및 전기전도성 측면에서 낮은 특성을 나타내기에 아직 상용화하기엔 문제점이 많다. Among them, stainless steel has received a lot of attention as a separator material due to the advantages of relatively inexpensive material cost and excellent corrosion resistance, but there are still many problems to commercialize because it still exhibits low characteristics in terms of corrosion resistance and electrical conductivity.

따라서, 고성능 금속계 분리판의 제조를 위해서는 우수한 내식성을 유지하도록 하면서 높은 전기전도도를 갖는 물질을 이용한 표면형성 기술이 요구되고 있다. Therefore, in order to manufacture a high performance metal-based separator plate, a surface forming technology using a material having high electrical conductivity while maintaining excellent corrosion resistance is required.

일본특개 평11-162478호, 일본특개 평10-228914호, 미국특허 제6372376호 B1, 제6967065호 B1, 그리고 유럽특허 제1,5111,105호 A1에는 표면에 금과 같은 귀금속 도금을 하거나 또는 백금족 금속의 산화물을 코팅하여 내식성 및 전기전도성을 확보하는 방법이 개시되어 있으나, 제조비용이 비싸고 핀 홀과 같은 결함이 발생하여 실용화 단계에 이르기에는 한계가 있다. Japanese Patent Laid-Open No. 11-162478, Japanese Patent Laid-Open No. 10-228914, U.S. Patent No. 6637762 B1, 6967065 B1, and European Patent No. 1,5111,105 A1 are plated with precious metals such as gold on the surface or Although a method of coating the oxide of the platinum group metal to secure corrosion resistance and electrical conductivity has been disclosed, manufacturing costs are high and defects such as pinholes occur, and thus there is a limit to the practical step.

일본특개 제2003-276249호 및 제2003-272653호에는 비용 절감을 위해 매우 얇은 금 도금을 시행하는 방법이 개시되어 있으나, 금 도금의 경도가 낮기 때문에 금속분리판이 전극에 접촉할 경우 스크래치와 같은 손상 등이 발생할 가능성이 높고, 이로 인해 부식이 일어날 위험성 또한 배제할 수 없다.Japanese Patent Laid-Open Nos. 2003-276249 and 2003-272653 disclose a method of applying a very thin gold plating for cost reduction, but due to the low hardness of the gold plating, damage such as scratches when the metal separator contacts the electrode And the likelihood of occurrence of corrosion can be excluded.

일본특개 제2003-277133호에는 가격이 비교적 저렴한 탄소분말을 금속분리판 표면에 분산시켜 전기전도성을 개선하는 방법이 개시되어 있으나, 물리적 충격 또는 진동 등이 가해질 경우에 탄소 입자가 박리될 가능성이 있다. 또한 적절한 전처리를 하지 않는 경우에 원소재(모재)인 스테인리스의 접촉저항이 높게 나타나게 된다.Japanese Patent Laid-Open No. 2003-277133 discloses a method of improving electrical conductivity by dispersing relatively inexpensive carbon powder on the surface of a metal separator plate, but there is a possibility that the carbon particles may peel off when a physical shock or vibration is applied. . In addition, when the proper pretreatment is not performed, the contact resistance of the stainless steel, which is the raw material (base material), is high.

그리고, 금속 질화물 또는 탄화물은 내식성과 전기전도성이 우수한 것으로 알려져 있으며, 따라서 이의 코팅 적용을 위한 개발이 이루어지고 있다. 특히, 크롬 질화물(Chromium Nitride)은 연료전지 환경 하에서의 내식성 및 화학적 안정성이 우수하고 표면 산화물 성장의 억제력이 뛰어나다.In addition, metal nitrides or carbides are known to have excellent corrosion resistance and electrical conductivity, and thus developments for coating applications thereof have been made. In particular, chromium nitride (Chromium Nitride) is excellent in corrosion resistance and chemical stability under the fuel cell environment and excellent in inhibiting the surface oxide growth.

미국특허 제6893765호 B1에는 플라즈마 PVD법을 이용하여 모재 표면에 CrN을 코팅하는 방법이 개시되어 있으나, PVD법은 전기 도금 및 여타 기상 증착 등에 비해 금속분리판과 같이 복잡한 형상을 갖는 물질에의 층 덮힘(Step Coverage) 특성이 나쁘다. 또한 PVD 코팅은 코팅 입자의 직진성으로 인하여 전면에 코팅을 하기 위해서는 코팅 대상 물질을 회전시켜주어야 하며, 타겟과 코팅 대상 물질 사이에 시야를 가로막는 것을 없애야 하므로 코팅 대상 물질의 로딩(Loading)량이 한정되어 양산성이 떨어지는 특성을 나타내고 있다.U.S. Patent No. 6893765 B1 discloses a method of coating CrN on the surface of a base material by using a plasma PVD method, but the PVD method is a layer on a material having a complex shape such as a metal separator plate compared to electroplating and other vapor deposition. The step coverage property is bad. Also, due to the linearity of the coated particles, PVD coating must rotate the coating material in order to apply the coating on the entire surface, and it is necessary to eliminate the obstruction of the field of view between the target and the coating material, so the loading amount of the coating material is limited. It shows the inferior property.

미국특허 제2003/0190515호 A1, 제2005/0238873호 A1, 제6893765호 B1, 제 2005/0202302호 A1, 제6893765호 B1 및 제2006/0204818호 A1에는 스테인리스강의 질화처리를 통해 표면에 보호층으로서 크롬 질화물 등의 금속 질화물층을 형성시키는 방법이 개시되어 있다.U.S. Patent Nos. 2003/0190515 A1, 2005/0238873 A1, 6893765 B1, 2005/0202302 A1, 6893765 B1, and 2006/0204818 A1 provide a protective layer on the surface through nitriding of stainless steel. As a method of forming a metal nitride layer such as chromium nitride is disclosed.

미국특허 제6893765호 B1, 제2005/0202302호 A1 및 제2006/0204818호 A1에는 스테인리스강 질화처리를 통해 M4N(M=metal) 또는 (Fe100 -x-y- zCrxNiyMoz)4N의 금속 질화물(Metal Nitride) 등을 형성시키는 방법이 개시되어 있으나, 금속 질화물의 조성이 매우 한정적(M:N = 4:1)이고, 코팅층 제조 중 CrN 등의 석출물이 형성될 경우에 내식성이 오히려 감소하여 공정 제어가 매우 곤란하다.U.S. Pat.Nos. 6893765 B1, 2005/0202302 A1 and 2006/0204818 A1 include M 4 N (M = metal) or (Fe 100 -xy- z Cr x Ni y Mo z ) through stainless steel nitriding. A method of forming 4 N metal nitride or the like is disclosed, but the composition of the metal nitride is very limited (M: N = 4: 1), and corrosion resistance when a precipitate such as CrN is formed during coating layer preparation This rather reduced process control is very difficult.

미국특허 제2003/0190515호 A1, 제2005/0238873호 A1에는 질화처리를 통해 모재 표면에 보호층인 크롬 질화물(Chromium Nitride)층 혹은 석출물을 형성시키는 방법이 개시되어 있다.U.S. Patent Nos. 2003/0190515 A1 and 2005/0238873 A1 disclose a method of forming a chromium nitride layer or precipitate as a protective layer on the surface of a base material through nitriding.

일본특개 제2000-353531호에는 모재 표면에 크롬을 코팅한 후 질화처리를 실시하여 CrN, Cr2N, CrN2 및 Cr(N3)3 등으로 이루어진 크롬 질화물을 형성하는 것이 개시되어 있으나, 양산성 확보 및 공정비용 감소를 위해서는 질화처리 온도 및 시간 감소가 요구되고 있다. 보호층인 크롬 질화물층을 형성하는데 있어서 질화처리의 온도 및 시간을 감소시킬 경우에 목표로 하는 내식성 확보가 어렵다.Japanese Patent Laid-Open No. 2000-353531 discloses forming a chromium nitride made of CrN, Cr 2 N, CrN 2 , Cr (N 3 ) 3, etc. by coating chromium on a surface of a base material and then performing nitriding. Reduction of nitriding temperature and time is required to secure the properties and reduce the process cost. In forming the chromium nitride layer as a protective layer, it is difficult to secure the target corrosion resistance when reducing the temperature and time of the nitriding treatment.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 기존의 고가 전기전도성 및 내부식성이 우수하고 가벼우면서도 두께가 얇은 고신뢰성의 고성능 금속계 분리판을 저비용으로 양산할 수 있게 하는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented in view of the above, and is a fuel cell metal system capable of mass-producing at a low cost a high-performance metal-based separator plate having excellent high electrical conductivity and corrosion resistance and light weight and thin thickness. It is an object of the present invention to provide a method for surface modification of a separator.

또한 종래의 코팅법에 비해 제조비용이 저렴하고, CrNx 상을 따로 코팅하는 것이 아니기 때문에 제조된 분리판의 박리현상도 없으며, 제조시간을 단축할 수 있는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, the manufacturing cost is lower than that of the conventional coating method, and since it does not coat the CrN x phase separately, there is no peeling phenomenon of the manufactured separator, and the surface modification method of the metal-based separator plate for fuel cell can shorten the manufacturing time. The purpose is to provide.

또한 제조된 분리판의 치수변형이 없고, 경도 등의 강성도 향상되어 스택 체결시 생기는 불량이 상당량 해소될 수 있는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a method for surface modification of a metal-based separator plate for fuel cell, in which there is no dimensional deformation of the manufactured separator plate, and stiffness such as hardness is improved, so that defects caused by stack fastening can be largely eliminated.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지용 금속계 분리판의 내부식성 및 전기전도도를 향상시키기 위하여, 금속계 분리판을 제조한 뒤 이온주입장비에서 상기 금속계 분리판의 표면에 Cr 이온과 N 이온을 이온주입하여, 상기 분리판의 표면을 크롬질화물(Chromium Nitride)층으로 표면개질하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, in order to improve the corrosion resistance and electrical conductivity of the metal-based separator plate for fuel cells, after producing a metal-based separator plate in the ion implantation equipment Cr ion and N on the surface of the metal separator plate Provided is a method for surface modification of a metal-based separator plate for fuel cells, characterized in that the ion implantation, the surface of the separator is surface-modified with a chromium nitride (Chromium Nitride) layer.

바람직하게는, 상기 금속계 분리판으로서 Cr 12 ~ 16 wt%를 함유한 페라이트계 스테인리스강 판재를 소재로 사용하여 제조한 금속계 분리판을 이온주입하여 표면개질하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the metal-based separator is ion-implanted to the metal-based separator manufactured by using a ferritic stainless steel plate containing Cr 12-16 wt% as the material, characterized in that the surface modification.

또한 상기 금속계 분리판으로서 Cr 16 ~ 25 wt% 및 Ni 6 ~ 14 wt%를 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 판재를 소재로 사용하여 제조한 금속계 분리판을 이온주입하여 표면개질하는 것을 특징으로 한다.In addition, the metal-based separator is characterized in that the surface of the metal-based separator prepared by using austenitic stainless steel plate containing Cr 16 ~ 25 wt% and Ni 6 ~ 14 wt% as a material.

또한 상기 금속계 분리판의 표면에 Cr 이온과 N 이온을 150 ~ 200 keV의 이온에너지를 이용하여 이온주입하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ion-implanted Cr and N ions on the surface of the metal separator using ion energy of 150 to 200 keV.

또한 상기 금속계 분리판의 표면에서 10 ~ 40 nm의 표면깊이 영역을 CrNx(0.1≤x≤1) 상으로 표면개질하는 것을 특징으로 한다.In addition, the surface depth region of 10 to 40 nm on the surface of the metal-based separator is characterized in that the surface modification to the CrN x (0.1≤x≤1).

또한 상기 Cr 이온과 N 이온의 이온주입 후에 균질화를 위하여 700 ~ 1000 ℃의 온도에서 10초 ~ 60초의 시간 동안 열처리하는 과정을 실시하는 것을 특징으로 한다.In addition, after the ion implantation of the Cr ions and N ions, a process for heat treatment for 10 seconds to 60 seconds at a temperature of 700 ~ 1000 ℃ for homogenization.

상기와 같은 본 발명의 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법에 의하면, 스테인리스강 금속계 분리판의 고전도성 및 내부식성을 향상시키기 위해 이온주입법을 이용하여 Cr(크롬) 이온과 N(질소) 이온을 분리판 표면에 주입시켜 나노 두께의 CrNx(0.1≤x≤1)층을 형성시킴으로써, 기존의 고가 흑연 분리판에 비해 매우 저렴하고 전기전도성 및 내부식성이 우수하며 가벼우면서도 박형의 고성능 금속계 분리판을 제공할 수 있게 된다.According to the surface modification method of the metal-based separator plate for fuel cell of the present invention as described above, in order to improve the high conductivity and corrosion resistance of the stainless steel metal separator plate, Cr (chromium) ions and N (nitrogen) ions are formed by using ion implantation. By implanting the nano-thick CrN x (0.1≤x≤1) layer on the surface of the separator, it is very inexpensive, excellent in electrical conductivity, corrosion resistance, light weight, and thin, high-performance metal-based separator in comparison with the existing expensive graphite separator. It can be provided.

특히, 흑연 분리판에 비해 저비용으로 양산이 가능한 고신뢰성 연료전지용 금속계 분리판을 제조할 수 있게 된다.In particular, it is possible to manufacture a metal-based separator plate for high reliability fuel cells capable of mass production at a lower cost than the graphite separator plate.

또한 종래의 PVD 코팅법에 비해 제조비용이 저렴하고, CrNx 상을 따로 코팅하는 것이 아니기 때문에 제조된 분리판의 박리현상도 없으며, 강한 에너지를 이용한 나노급의 표면개질이므로 제조시간이 단축되어 양산성이 우수하다.In addition, the manufacturing cost is lower than that of the conventional PVD coating method, and since the coating of CrN x phase is not performed separately, there is no peeling phenomenon of the manufactured separator, and the production time is shortened due to the nano-grade surface modification using strong energy. Excellent in sex

또한 제조된 분리판의 치수변형이 없고, 경도 등의 강성도 향상되어 스택 체결시 생기는 불량이 상당량 해소될 수 있으며, 양산 적용시에 비교적 짧은 공정시간과 대면적의 균질한 분리판 표면개질이 가능하므로 저렴한 비용의 장점 및 품질관리가 용이한 장점이 있다.In addition, there is no dimensional deformation of the manufactured separator, and the rigidity, such as hardness, is improved, so that defects caused by stack fastening can be largely eliminated, and in the case of mass production, a relatively short process time and a large area of the homogeneous separator can be modified. There are advantages of low cost and easy quality control.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 표면개질 방법이 적용될 수 있는 금속계 분리판의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 표면개질에 의한 표면층 형성을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view showing an example of a metal-based separation plate to which the surface modification method according to the present invention can be applied, and FIG. 2 is a view for explaining surface layer formation by surface modification according to the present invention.

본 발명에서는 고성능 금속계 분리판의 제조를 위해서 우수한 내식성을 유지 시키고 높은 전기전도도를 갖는 물질을 이용한 표면개질 방법을 제시한다.The present invention proposes a surface modification method using a material that maintains excellent corrosion resistance and has high electrical conductivity for the manufacture of a high performance metal-based separator.

즉, 본 발명은 스테인리스강 판재를 사용하여 금속계 분리판을 제조한 뒤 내식성 및 전기전도성 향상을 위해 수소와 물이 접촉하는 금속계 분리판(10)의 표면에, 코팅 방법으로 CrNx층을 형성하는 것이 아닌, 도 2에 나타낸 바와 같이, Cr(크롬) 이온과 N(질소) 이온을 이온주입법(Ion Implantation)으로 주입하여 분리판의 표면을 CrNx층(11)으로 개질하는 연료전지용 고성능 금속계 분리판의 제조기술에 관한 것이다.That is, the present invention is to form a CrN x layer on the surface of the metal-based separator 10 in contact with hydrogen and water to improve the corrosion resistance and electrical conductivity after manufacturing the metal-based separator plate using a stainless steel plate. As shown in FIG. 2, high-performance metal-based separation for fuel cells in which Cr (chromium) ions and N (nitrogen) ions are implanted by ion implantation to modify the surface of the separator into a CrN x layer 11. The manufacturing technology of the plate.

특히, 본 발명에서는 Cr 12 ~ 16 wt%를 함유한 페라이트계 스테인리스강 판재 또는 Cr 16 ~ 25 wt% 및 Ni 6 ~ 14 wt%를 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 판재를 사용하여 금속계 분리판을 제조한 후 수소와 물이 접촉하는 분리판의 각 표면에 Cr 이온과 N 이온을 이온주입법을 이용하여 150 ~ 200 keV의 강한 에너지를 가지고 주입시켜 분리판(10)의 표면을 CrNx(0.1≤x≤1)층(11)으로 개질하며, 이때 표면개질의 층(11)은 10 ~ 40 nm로 형성하는 것을 핵심내용으로 한다.Particularly, in the present invention, a metal separator is manufactured by using a ferritic stainless steel sheet containing 12 to 16 wt% Cr or an austenitic stainless steel sheet containing 16 to 25 wt% Cr and 6 to 14 wt% Ni. Then, Cr and N ions are injected to each surface of the separator in contact with hydrogen and water with a strong energy of 150 to 200 keV by ion implantation, thereby CrN x (0.1≤x ≤ 1) to the layer 11, wherein the surface-modified layer 11 is formed to 10 ~ 40 nm as the core content.

본 발명에서 금속계 분리판(10)의 표면에 이온주입으로 형성된 CrNx(0.1≤x≤1)층(11)은, 종래의 PVD 또는 CVD법을 이용해 이종물질을 코팅한 것이 아닌, 스테인리스강 모재의 최표면만을 이온을 이용해 CrNx(0.1≤x≤1)층으로 변형시킨 표면개질 방법에 의해 형성한 것으로, 저온처리가 가능하고, 열팽창이나 코팅층이 없어 모재의 변형을 유발하지 않으며, 박리현상도 동반하지 않는 장점이 있다. In the present invention, the CrN x (0.1 ≦ x ≦ 1) layer 11 formed by ion implantation on the surface of the metal-based separator 10 is not coated with a dissimilar material by using conventional PVD or CVD method, but a stainless steel base material. It is formed by the surface modification method in which only the outermost surface of is transformed into CrN x (0.1≤x≤1) layer by using ions, which can be processed at low temperature, and does not cause deformation of the base material due to no thermal expansion or coating layer, and peeling phenomenon. There is also an advantage that does not accompany.

이로 인해 연료전지 분리판의 스택 체결시에 치수의 틀어짐도 없어져 조립시에 발생하는 불량을 상당량 줄일 수 있는 효과를 제공할 수 있다. This eliminates distortion of dimensions during fastening the stack of the fuel cell divider plate, thereby providing an effect of significantly reducing defects caused during assembly.

또한 표면개질로 인한 표면경도의 향상에 의해 강성과 내부식성이 향상될 수 있으므로 제품의 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the rigidity and corrosion resistance can be improved by improving the surface hardness due to surface modification, there is an advantage of ensuring the reliability of the product.

본 발명자는 CrNx(0.1≤x≤1)층으로 표면개질이 된 금속계 분리판이 미개질된 분리판보다 높은 전기전도도를 유지(약 15% 향상)함은 물론 우수한 내식성(약 20% 향상)을 가짐을 확인하여 본 발명을 완성하였다. The present inventors maintain a high electrical conductivity (about 15% improvement) as well as excellent corrosion resistance (about 20% improvement) of a metal-based separator surface-modified with a CrN x (0.1≤x≤1) layer than an unmodified separator. Confirmed that the present invention was completed.

본 발명에 사용되는 금속계 분리판 소재는 두께 0.1 ~ 0.2 mm의 상업용 스테인리스강(Cr 12 ~ 16 wt% 함유한 페라이트계 스테인리스강, 또는 Cr 16 ~ 25 wt%와 Ni 6 ~ 14 wt%를 함유한 오스테나이트계 스테인리스강) 판재로, 이는 고가의 흑연분리판에 비해 월등히 저렴하며, 양산 공정에서도 쉽게 적용 가능한 소재이다. Metal-based separator material used in the present invention is 0.1 ~ 0.2 mm commercial stainless steel (ferritic stainless steel containing Cr 12 ~ 16 wt%, or Cr 16 ~ 25 wt% and Ni 6 ~ 14 wt% Austenitic stainless steel), which is significantly cheaper than expensive graphite separators and is easily applicable to mass production processes.

금속계 분리판 소재로 스테인리스강을 사용하는 이유는 스테인리스강이 비교적 저렴하면서 강성을 갖는 소재이고, 또한 내부식성과 전기전도성이 좋아 기존의 연료전지용 금속계 분리판 소재로 많이 사용되기 때문이다. The reason for using stainless steel as a metal-based separator material is that stainless steel is a relatively inexpensive and rigid material, and has good corrosion resistance and electrical conductivity, and thus is widely used as a conventional metal-based separator material for fuel cells.

일반적으로 스테인리스강의 경우, 11 ~ 30 wt%의 Cr을 함유한 페라이트계와 내식성을 더욱 향상시키기 위해 16 ~ 25 wt%의 Cr과 6 ~ 14 wt%의 Ni을 함유한 오스테나이트계 스테인리스강이 많이 상용화되어 쓰이고 있다. Generally, in the case of stainless steel, ferritic stainless steel containing 11 to 30 wt% Cr and austenitic stainless steel containing 16 to 25 wt% Cr and 6 to 14 wt% Ni in order to further improve corrosion resistance. It is commercially used.

본 발명에서는 상기 페라이트계 스테인리스강 판재뿐 아니라 Ni 첨가로 인해 내식성이 더 좋은 오스테나이트계 스테인리스강 판재를 사용하며, 스테인리스강의 내식성 향상의 핵심성분인 Cr과 Ni의 함량에 대해서 다음과 같이 규제를 한다.In the present invention, not only the ferritic stainless steel sheet but also austenitic stainless steel sheet having better corrosion resistance due to the addition of Ni, and the content of Cr and Ni, which is a key component in improving the corrosion resistance of stainless steel, is regulated as follows. .

Cr은 내부식성을 향상시키는 원소로 알려져 있는데, 12 wt% 이하의 페라이트계 스테인리스강의 경우에 Cr에 의한 내부식성 효과가 다소 취약해 내구성을 보장할 수 없으며, 반면 Cr의 함량이 많아질수록 내부식성에 좋으나 소재 가격이 비싸짐에 따라, 본 발명에서는 충분한 내부식성을 갖는 12 ~ 16 wt%의 Cr 함량을 갖는 페라이트계 스테인리스강을 분리판 소재로 한다.Cr is known as an element that improves the corrosion resistance. In the case of ferritic stainless steel of 12 wt% or less, the corrosion resistance effect due to Cr is slightly weakened, so durability cannot be guaranteed. However, as the material price is high, in the present invention, a ferritic stainless steel having a Cr content of 12 to 16 wt% having sufficient corrosion resistance is used as a separator plate material.

그리고, 스테인리스강에 Ni을 첨가하면 내식성이 더욱 향상되는 바, 16 ~ 25 wt%의 Cr과 6 ~ 14 wt%의 Ni을 함유한 오스테나이트계 스테인리스강도 분리판 소재로 사용할 수 있다. Further, when Ni is added to the stainless steel, the corrosion resistance is further improved. Therefore, the austenitic stainless steel containing 16 to 25 wt% Cr and 6 to 14 wt% Ni may also be used as a separator material.

Cr 16.wt% 이하와 Ni 6 wt% 이하의 소재는 내부식성이 충분치 않고 상온에서 불안정한 상으로 존재할 수 있어 취약한 문제점이 있으며, Cr 25.wt% 이상과 Ni 14wt% 이상의 소재는 소재 가격이 급격히 비싸짐에 따라 대량생산시 사용하기에는 무리가 따른다.Cr. 16.wt% or less and Ni 6 wt% or less have a weak problem because corrosion resistance is insufficient and may exist as an unstable phase at room temperature. Cr 25.wt% or more and Ni 14wt% or more have a sharp material price. As it becomes expensive, it is difficult to use in mass production.

본 발명에 따른 금속계 분리판을 제조하기 위해서는, 우선 상기한 스테인리스강 판재를 통상의 프레스 스탬핑을 거쳐 성형하여 금속계 분리판을 제조한 다음, 진공장비인 이온주입(Ion Implantation)장비를 사용하기에 앞서, 표면의 이물질을 제거하기 위한 표면세척(Cleansing) 작업을 거친다. In order to manufacture the metal-based separator plate according to the present invention, first, the above-described stainless steel sheet is molded through a normal press stamping to manufacture a metal-based separator plate, and then before using the ion implantation equipment, which is a vacuum equipment, The surface is cleaned to remove foreign substances from the surface.

표면세척 작업으로서, DI 순수(DI Water)와 초음파 세척기를 이용한 화학적(chemical) 클린싱(Cleansing) 작업을 실시하고, 그 이후에 첨부한 도 3에 나타 낸 바와 같은 이온주입장비(200keV급)에 분리판을 장착한 뒤 10-6 torr 수준의 고진공에서 Ar 이온을 이용하여 약 10분간 분리판에 스퍼터링하여 이물질을 제거하는 진공 클린싱 작업을 실시한다.As a surface cleaning operation, chemical cleaning using DI water and an ultrasonic cleaner is performed, and then separated into ion implantation equipment (200keV class) as shown in FIG. After the plate is mounted, vacuum cleaning is performed to remove foreign substances by sputtering the separator for 10 minutes using Ar ions at a high vacuum of 10 -6 torr.

다음으로, 이온주입 과정으로서, 10-6 torr 수준의 고진공에서 약 150 ~ 200 keV의 고전압을 가하면서 Cr 이온과 N 이온을 분리판 표면에 가속화시키는 이온주입을 한다. Next, as an ion implantation, ion implantation is performed to accelerate Cr ions and N ions to the separator plate while applying a high voltage of about 150 to 200 keV at a high vacuum of 10 −6 torr.

이때, 각 이온의 주입량은 1×1018/㎠이상으로 조절하며, 이온주입 후 분리판 표면의 안정화를 위해 약 700 ~ 1000 ℃의 온도에서 10초 ~ 60초의 시간 동안 열처리를 하는 균질화 작업을 거친다. At this time, the implantation amount of each ion is adjusted to 1 × 10 18 / ㎠ or more, and undergoes a homogenization operation for heat treatment for 10 seconds to 60 seconds at a temperature of about 700 ~ 1000 ℃ to stabilize the surface of the separator after ion implantation. .

이 이온주입과 균질화 작업 과정에서 스테인리스강의 표면에는 약 40nm 영역에서 CrNx(0.1≤x≤1)으로 상변태가 일어나게 된다.During the ion implantation and homogenization, phase transformation occurs on the surface of the stainless steel at about 40 nm with CrN x (0.1 ≦ x ≦ 1).

일반적으로 CrN층은 고경도(Hv 1500 이상)의 우수한 내식, 내마모 소재로 알려져 있고, 구조상 주상정 구조인 CrN층 형성시에 치밀한 Cr2N상이 일부 형성됨으로써 내부식성과 낮은 전기전도도를 갖을 수 있게 된다. In general, the CrN layer is known as an excellent corrosion resistance and abrasion resistant material having high hardness (Hv 1500 or more), and has a dense Cr 2 N phase formed at the time of forming the CrN layer, which is a columnar structure, to have corrosion resistance and low electrical conductivity. Will be.

본 발명에서 표면개질된 CrNx층의 화학구조는 첨부한 도 4의 표면깊이 프로파일(depth profile)을 통해 알 수 있는데, 표면에서 30nm 깊이(표면깊이, 도 4에서 'thickness'로 표기) 영역까지는 CrN 상이, 그리고 약 30 ~ 40 nm영역에서는 Cr2N 상이 형성됐음을 알 수 있다. In the present invention, the chemical structure of the surface-modified CrN x layer can be seen through the attached depth profile of FIG. 4, which has a depth of 30 nm (surface depth, denoted as 'thickness' in FIG. 4) at the surface. The CrN phase and the Cr 2 N phase were formed in the region of about 30 to 40 nm.

표면개질층이 10nm 이하로 형성되면 균일한 CrNx상이 형성되지 않아 부식특성이 좋지 않는 등의 표면개질 효과를 볼 수 없으며, 또한 40nm 이상의 표면개질층은 충분한 내부식성과 전기전도성을 갖지만 이온주입공정에 많은 시간이 걸리고 이로 인해 고비용이 소요되기 때문에, 본 발명에서는 표면에서 10 ~ 40 nm 두께의 CrNx(0≤x≤1)층 구조를 형성하는 표면개질을 규정한다.If the surface modification layer is formed at 10 nm or less, no uniform CrN x phase is formed and thus surface modification effects such as poor corrosion characteristics are not seen. Also, the surface modification layer having a thickness of 40 nm or more has sufficient corrosion resistance and electrical conductivity, but is ion implantation process. Because of the long time required and high cost, the present invention defines the surface modification to form a CrN x (0 ≦ x ≦ 1) layer structure having a thickness of 10 to 40 nm on the surface.

이온주입의 최적 효과를 얻기 위해서는 시료에 가해지는 이온에너지가 중요한데, 본 발명에서는 150 ~ 200 keV의 이온에너지를 갖는 것을 규정한다. In order to obtain the optimal effect of ion implantation, the ion energy applied to the sample is important, but the present invention stipulates that the ion energy is 150 to 200 keV.

150keV 이하의 에너지를 가질 경우 Cr과 같은 무거운 금속계 이온이 충분히 주입되지 못하며, 200keV 이상의 에너지를 가질 경우는 고에너지로 인해 시료(분리판)의 일부가 스퍼터링되거나 상대적으로 가벼운 N 이온이 깊숙히 주입되면서 CrNx의 상을 이루기가 어려워진다. If the energy is 150keV or less, heavy metal-based ions such as Cr may not be sufficiently injected. If the energy is 200keV or more, CrN may be sputtered or a relatively light N ion deeply injected into the CrN due to high energy. It becomes difficult to form the image of x .

따라서, 본 발명에서는 최적의 표면개질을 하기 위해 Cr 이온과 N 이온을 주입시키기 위한 이온에너지는 150 ~ 200 keV로 규정한다.Therefore, in the present invention, the ion energy for injecting Cr ions and N ions for optimal surface modification is defined as 150 to 200 keV.

이렇게 형성된 CrNx층은 연료전지 분리판 작동시에 반응하는 수소, 산소, 물로 인한 화학적 반응에 대해 우수한 내식성을 가지며, 부식으로 인한 전기전도성 저하가 없기 때문에 장시간 사용하더라도 전압 강하가 발생하지 않아 연료전지 분리판 표면개질 방법으로 가장 적합하다.The CrN x layer thus formed has excellent corrosion resistance against chemical reactions caused by hydrogen, oxygen, and water reacting during operation of the fuel cell separator, and does not cause a drop in electrical conductivity due to corrosion. It is most suitable as a method of surface modification of the separator.

이하, 종래기술과 본 발명의 차이점에 대해 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the difference between the prior art and the present invention will be described.

기존의 흑연 분리판의 경우, 기계적 강성이 약하여 쉽게 깨지는 문제로 인해 두께가 보통 2.0mm 이상으로 두껍게 제작되며, 따라서 중량 상승의 문제와 강성에 매우 취약한 문제가 있었다. In the case of the conventional graphite separator, the thickness is usually made thicker than 2.0mm due to the weak mechanical stiffness of the problem easily broken, and thus there was a problem of weight increase and very vulnerable to stiffness.

또한 수작업 공정으로 분리판을 제작하기 때문에 제작비용이 매우 고가이며, 무겁기 때문에 연료전지 자동차로 제작했을 때 원하는 성능이 나오기가 매우 어렵고 유지관리 역시 어렵다.In addition, the manufacturing cost is very expensive because the separation plate is manufactured by a manual process, and because it is heavy, it is very difficult to achieve the desired performance when the fuel cell vehicle is manufactured, and the maintenance is also difficult.

하지만, 금속계 분리판으로 제작시에 이러한 문제점을 상당부분 해결할 수 있는데, 두께 1.0mm 이하의 박판을 사용할 수 있어 부피 및 중량을 작게 할 수 있고, 강도가 우수한 분리판을 저렴하게 양산하는데 적용할 수 있는 장점이 있다.However, this problem can be largely solved when fabricating a metal-based separator plate, which can use a thin plate having a thickness of 1.0 mm or less, which can reduce the volume and weight, and can be applied to mass-produce a high-strength separator at low cost. There is an advantage.

특히, 본 발명에서 이용하는 이온주입기술은 저온기술이고, 또한 대상물의 변형이 거의 없어 모재인 스테인리스강의 물성에 영향을 미치지 않으면서 표면에 원하는 성질을 구현할 수 있다. In particular, the ion implantation technology used in the present invention is a low-temperature technology, there is almost no deformation of the object can implement the desired properties on the surface without affecting the physical properties of the base material stainless steel.

즉, Cr 이온과 N 이온을 이용하여 최표면층에 CrNx(0.1≤x≤1) 상을 형성시키는 이온주입법은 분리판 표면의 내부식성을 향상시키고 전기전도성을 유지하도록 하는 신뢰성 있는 분리판 표면개질 방법으로 적합하다. In other words, the ion implantation method using Cr and N ions to form CrN x (0.1≤x≤1) phase on the outermost surface layer provides reliable separation surface modification to improve corrosion resistance and maintain electrical conductivity of the surface of the separator. It is suitable as a method.

그리고, 종래의 PVD 코팅법에 비해 제조비용이 저렴하고, CrNx 상을 따로 코팅하는 것이 아니기 때문에 박리현상도 없다. In addition, the manufacturing cost is lower than that of the conventional PVD coating method, and since the CrN x phase is not coated separately, there is no peeling phenomenon.

또한 강한 에너지를 이용한 나노급의 표면개질이므로 제조시간이 단축되어 양산성이 우수하며, 치수변형이 없고 경도 등의 강성도 향상되어 스택 체결시 생기는 불량을 상당량 제거할 수가 있는 장점이 있다. In addition, the nano-grade surface modification using a strong energy is shortened the manufacturing time is excellent in mass productivity, there is no dimensional deformation and the rigidity, such as hardness is improved, there is an advantage that can remove a considerable amount of defects when stacking.

더불어 양산 적용시에 비교적 짧은 공정시간과 대면적의 균질한 분리판 표면개질이 가능하므로 저렴한 비용의 장점 및 품질관리가 용이한 장점이 있다.In addition, it is possible to modify the surface of the homogeneous separator plate of relatively short process time and large area when mass production is applied, which has the advantage of low cost and easy quality control.

본 발명자는 본 발명의 효과를 알아보기 위해 접촉저항 실험과 부식실험을 하였으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.The present inventors conducted a contact resistance test and a corrosion test to find the effect of the present invention.

접촉저항 실험은 첨부한 도 5에 나타낸 바와 같이 구성된 장치를 이용해 분리판 표면의 접촉저항을 측정하는 실험으로서, 전기전도성을 평가하는 실험이다.The contact resistance test is an experiment for measuring the contact resistance of the surface of the separator plate using an apparatus configured as shown in FIG.

본 발명에 따라 표면개질한 25㎠ 면적의 분리판(실시예)의 상하로 밀착도를 높이기 위한 카본 페이퍼를 둔 뒤 구리판을 밀착시켜 압력과 전류를 가하였으며, 이때의 전압과 접촉저항을 측정하였다.According to the present invention, the carbon paper was placed on the surface of the 25 cm 2 separation plate (Example) to improve the adhesion, and the copper plates were closely attached to each other to apply pressure and current, and the voltage and contact resistance were measured at this time.

비교재로는 기존 흑연 분리판(비교예1)과 이온주입을 하지 않은 스테인리스강 분리판(비교예2)을 사용하였고, 실시예와 비교예1, 2의 평가 결과를 첨부한 도 6에 나타내었다.As a comparative material, a conventional graphite separator (Comparative Example 1) and a stainless steel separator (Comparative Example 2) without ion implantation were used, and the evaluation results of Examples and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIG. 6. It was.

접촉저항 평가 장비 및 조건은 아래 표 1과 같다.Contact resistance evaluation equipment and conditions are shown in Table 1 below.

Figure 112007081489113-pat00001
Figure 112007081489113-pat00001

미국 에너지국(DOE) 기준으로 접촉저항은 약 25mΩ㎠ 이하를 만족하여야만 분리판으로 사용이 가능한데, 접촉저항 실험 결과, 본 발명에 따른 실시예의 분리판과 비교예1의 흑연 분리판은 각각 13.9mΩ㎠ ,11.4mΩ㎠의 우수한 초기 접촉저항을 가지는 것으로 나타났으며, 시간에 따라서 증가도 거의 없이 안정한 결과를 보여주었다. According to the US Department of Energy (DOE), the contact resistance can be used as a separator only when the contact resistance satisfies about 25 mΩ ㎠ or less. As a result of the contact resistance test, the separator of Example 1 and the graphite separator of Comparative Example 1 were each 13.9 mΩ. It has been found to have excellent initial contact resistance of ㎠, 11.4mΩ ㎠ and stable results with little increase with time.

하지만 비교예2의 분리판은 초기 72mΩ㎠에서 시간이 지남에 따라 계속적으로 접촉저항이 증가하는 결과를 보여주었다. However, the separator of Comparative Example 2 showed a result that the contact resistance continuously increased over time in the initial 72mΩ ㎠.

다음으로, 부식실험을 하기 표 2의 조건으로 실시하였으며, 시간에 따른 부식전류를 측정하였다. 실험 결과는 첨부한 도 7에 나타내었다.Next, the corrosion test was carried out under the conditions of Table 2, and the corrosion current was measured over time. Experimental results are shown in FIG.

Figure 112007081489113-pat00002
Figure 112007081489113-pat00002

부식실험에서는 우선 0.1N 농도의 황산과 2ppm의 불산 용액에 1㎠ 면적의 표면개질된 분리판을 침전시킨 뒤 80℃의 온도와 에어로 버블링을 유지시키며, 그 후 potentiostat을 이용하여 전류밀도를 측정하게 된다.In the corrosion test, first, the surface-modified separator of 1cm 2 was precipitated in 0.1N sulfuric acid and 2ppm hydrofluoric acid solution, and then maintained at 80 ° C and air bubbling. Then, the current density was measured using potentiostat. Done.

미국 에너지국(DOE) 기준으로 부식전류는 약 1㎂/㎠ 이하를 만족하여야 하는데, 실험결과, 실시예의 분리판과 비교예 1의 흑연 분리판은 각각 0.9㎂/㎠, 0.45㎂/㎠의 우수한 초기 전류값을 가지면서 시간에 따라 부식이 발생하지 않는 결과를 보여주었다. According to the US Department of Energy (DOE), the corrosion current should satisfy about 1 mA / cm 2 or less. As a result of the experiment, the graphite separator of Example 1 and the graphite separator of Comparative Example 1 had excellent characteristics of 0.9 mA / cm 2 and 0.45 mA / cm 2, respectively. With the initial current value, no corrosion occurred over time.

하지만, 이온주입을 하지 않은 비교예2의 스테인리스강 분리판은 초기 부식전류도 클 뿐더러 시간이 지남에 따라 부식이 진행되어 부식전류가 증가하는 결과를 보여주었다. However, the stainless steel separator of Comparative Example 2, which was not ion implanted, showed a large initial corrosion current as well as an increase in corrosion current as the corrosion progressed over time.

도 1은 본 발명에 따른 표면개질 방법이 적용될 수 있는 금속계 분리판의 일 예를 나타낸 도면, 1 is a view showing an example of a metal-based separator plate to which the surface modification method according to the present invention can be applied,

도 2는 본 발명에 따른 표면개질에 의한 표면층 형성을 설명하기 위한 도면,2 is a view for explaining the surface layer formation by surface modification according to the present invention,

도 3은 본 발명에서 이용 가능한 이온주입장비를 도시한 도면,3 is a view showing the ion implantation equipment available in the present invention,

도 4는 본 발명에서 표면개질된 CrNx층의 화학구조를 표면깊이에 따라 나타낸 도면,4 is a view showing the chemical structure of the surface-modified CrN x layer according to the surface depth in the present invention,

도 5는 분리판 표면의 접촉저항을 측정하는 실험방법을 설명하기 위한 도면,5 is a view for explaining an experimental method for measuring the contact resistance of the surface of the separator,

도 6은 본 발명의 실시예와 비교예의 접촉저항 측정 결과를 나타낸 도면,6 is a view showing the results of measuring contact resistance of Examples and Comparative Examples of the present invention,

도 7은 본 발명의 실시예와 비교예의 부식전류 측정 결과를 나타낸 도면.7 is a view showing a corrosion current measurement results of Examples and Comparative Examples of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 금속계 분리판 11 : CrNx층(표면개질층)10 metal separator 11 CrN x layer (surface modified layer)

Claims (6)

연료전지용 금속계 분리판의 내부식성 및 전기전도도를 향상시키기 위하여, 금속계 분리판을 제조한 뒤 이온주입장비에서 상기 금속계 분리판의 표면에 Cr 이온과 N 이온을 이온주입하여, 상기 분리판의 표면을 크롬질화물(Chromium Nitride)층으로 표면개질하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법.In order to improve the corrosion resistance and electrical conductivity of the metal-based separator plate for fuel cell, after manufacturing a metal-based separator plate ion implantation equipment by ion implanting Cr ions and N ions to the surface of the metal-based separator plate, the surface of the separator plate Surface modification method of a metal-based separator plate for fuel cells, characterized in that the surface modification with a chromium nitride (Chromium Nitride) layer. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 금속계 분리판으로서 Cr 12 ~ 16 wt%를 함유한 페라이트계 스테인리스강 판재를 소재로 사용하여 제조한 금속계 분리판을 이온주입하여 표면개질하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법.The surface modification method of the metal-based separator plate for fuel cells, characterized in that the surface of the metal-based separator plate by ion implantation of the metal-based separator plate manufactured using a ferritic stainless steel plate containing Cr 12 ~ 16 wt% as a material. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 금속계 분리판으로서 Cr 16 ~ 25 wt% 및 Ni 6 ~ 14 wt%를 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 판재를 소재로 사용하여 제조한 금속계 분리판을 이온주입하여 표면개질하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법.For the fuel cell, characterized in that the metal-based separator is ion-implanted a metal-based separator prepared by using austenitic stainless steel sheet containing 16 to 25 wt% Cr and 6 to 14 wt% Ni as a material. Surface modification method of the metal-based separator plate. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 금속계 분리판의 표면에 Cr 이온과 N 이온을 150 ~ 200 keV의 이온에너지를 이용하여 이온주입하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법.Cr ion and N ions to the surface of the metal separator using ion energy of 150 ~ 200 keV ion surface modification method of the metal-based separator plate for a fuel cell. 청구항 1에서 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 금속계 분리판의 표면에서 10 ~ 40 nm의 표면깊이 영역을 CrNx(0.1≤x≤1) 상으로 표면개질하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법.Surface modification method of the surface depth region of 10 ~ 40 nm on the surface of the metal-based separator plate CrN x (0.1≤x≤1) on the surface modification method of a metal-based separator plate for a fuel cell. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 Cr 이온과 N 이온의 이온주입 후에 균질화를 위하여 700 ~ 1000 ℃의 온도에서 10초 ~ 60초의 시간 동안 열처리하는 과정을 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속계 분리판의 표면개질 방법. Method for surface modification of a metal-based separator plate for a fuel cell, characterized in that the heat treatment for 10 seconds to 60 seconds at a temperature of 700 ~ 1000 ℃ for homogenization after the ion implantation of the Cr ions and N ions.
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