KR100909374B1 - 표면개질 공정과 열처리 공정을 포함하는 연료전지용스테인리스 분리판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

초기 뿐만 아니라 연료전지 작동환경에서 장시간 사용하더라도 내식성 및 전기전도성이 우수한 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따른 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법은 (a) 스테인리스 강판 모재를 마련하는 단계; (b) 스테인리스 강판 모재 표면층의 철(Fe) 성분을 저감시켜 스테인리스 강판 표면에 크롬(Cr) 성분의 상대적인 양이 증가된 Cr-rich 부동태 피막을 형성해주는 표면개질 단계; 및 (c)표면개질된 스테인리스 강판을 진공상태 또는 대기중 또는 불활성가스 분위기에서 100~300℃로 열처리 해주는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법에 의해 제조되는 표면에 코팅층이 형성된 연료전지용 스테인리스 분리판도 제공된다.
연료전지, 분리판, 열처리, 표면개질, 스테인리스

Description

표면개질 공정과 열처리 공정을 포함하는 연료전지용 스테인리스 분리판 및 그 제조방법{Method for manufacturing the seperator of fuel cell comprising pickling and heat treatment process and seperator by the same}
본 발명은 연료전지용 스테인리스 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 분리판에 사용되며 내식성과 전도성 및 이들에 대한 내구성(durability)이 우수한 고분자 전해질 연료전지용 스테인리스 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
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.
분리판(bipolar plate)은 막전극 집합체(MEA)와 더불어 연료전지의 핵심부품으로 막전극 집합체와 기체확산층(GDL)의 구조적 지지, 발생된 전류의 수집 및 전달, 반응가스의 수송 및 제거, 반응열제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당한다.
이에 따라, 분리판이 가져야할 소재 특성으로는 우수한 전기전도성, 열전도성, 가스밀폐성, 및 화학적 안정성 등이 있다.
이와 같은 분리판의 소재로서 흑연계 소재 및 수지와 흑연을 혼합한 복합 흑연재료를 이용해서 제조되어 왔다.
그러나, 흑연계 분리판은 강도 및 밀폐성이 금속계 소재와 대비하여 낮은 특성을 나타내며 특히 이를 이용한 분리판 제조시 높은 공정비용 및 낮은 양산성으로 인하여 최근에는 금속계 분리판에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
분리판의 소재로서 금속계를 적용할 경우 분리판 두께 감소를 통한 연료전지 스택의 부피감소 및 경량화가 가능하고 스탬핑 등을 이용한 제조가 가능하여 대량생산성을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그러나, 연료전지 사용시 발생하는 금속의 부식은 막전극집합체의 오염을 유발하여 연료전지 스택 성능을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있고, 또한 장시간 사용시 금속 표면에서의 두꺼운 산화막 성장은 연료전지 내부 저항을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다.
연료전지 분리판용 금속 소재로서 스테인리스강, 티타늄 합금, 알루미늄 합금 및 니켈 합금 등이 후보재료로 검토되고 있다. 이중 스테인리스강은 비교적 저렴한 소재 원가 및 우수한 내식성 등으로 인하여 분리판 소재로 많은 주목을 받고 있으나, 여전히 내식성 및 전기 전도성 측면에서 만족할 만한 수준을 보이지 못하고 있다.
본원발명이 해결하고자 하는 과제는 초기 뿐만 아니라 고온-다습한 연료전지의 작동환경에 장시간 노출되더라도 내식성 및 접촉저항이 DOE(미국에너지성) 기준에 만족시킬 수 있는 연료전지용 스테인리스 분리판 및 그 제조방법을 제공하는데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법은 (a) 스테인리스 강판 모재를 마련하는 단계; (b) 스테인리스 강판 모재 표면층의 철(Fe) 성분을 저감시켜 스테인리스 강판 표면에 크롬(Cr) 성분의 상대적인 양이 증가된 Cr-rich 부동태 피막을 형성해주는 표면개질 단계; 및 (c)표면개질된 스테인리스 강판을 진공상태 또는 대기중 또는 불활성가스 분위기에서 100~300℃로 열처리 해주는 단계를 포함한다.
본 발명에 의해 제조되는 연료전지용 스테인리스 분리판에 의하면 초기 뿐만 아니라 연료전지 작동환경에서 장시간 사용하더라도 내식성 및 전기전도성이 매우 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법은 가격이 저렴한 통상의 스테인리스 강판 모재를 사용하더라도 우수한 성질을 얻을 수 있는 표면 처리가 가능해져 스테인리스 분리판의 제조단가를 낮출 수 있게 된다.
본 발명에 의해 제조되는 연료전지용 스테인리스 분리판은 1μA/㎠ 이하의 부식전류, 양면기준 20mΩ·㎠ 이하의 접촉저항 값을 가질 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 층과 막 또는 영역들의 크기 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 막 또는 층이 다른 막 또는 층의 "상에" 형성된 다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막 또는 층이 상기 다른 막 또는 층의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막 또는 층이 개재될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
본 발명의 연료전지용 스테인리스 분리판을 제조하기 위해서는 먼저 스테인리스 강판을 마련한다(S110).
본 공정단계에서 사용되는 스테인리스 강판으로는 일반적으로 시중에서 구입할 수 있는 16~28wt%의 크롬성분을 포함하는 스테인리스 강판을 사용하며, 18wt% 내외의 크롬성분을 포함하는 스테인리스 강판을 사용하더라도 무방하다.
구체적으로, 스테인리스 강판 모재는 0.08 wt%이하의 탄소(C), 16∼28 wt%의 크롬(Cr), 0.1∼20 wt%의 니켈(Ni), 0.1∼6 wt%의 몰리브덴(Mo), 0.1∼5 wt%의 텅스텐(W), 0.1∼2 wt%의 주석(Sn), 0.1~2wt%의 구리 및 기타 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 스테인리스 강판인 것을 특징으로 하며, 보다 구체적으로 오스테나이트(Austenite)계 스테인리스인 SUS 316L, 0.2t와 같은 것이 이용된다.
본 단계는 후에 행해질 표면개질 및 코팅층 형성에 앞서 산성 및 알칼리성 탈지제를 이용하여 스테인리스 강판의 표면의 불순물을 제거해 주는 세정공정이 포함될 수도 있다.
다음으로, 스테인리스 강판의 표면을 개질해 준다(S120).
스테인리스 강판은 내식성이 강한 크롬성분과 니켈성분을 포함하고 있으나 대부분의 함량은 철(Fe) 성분으로 되어 있다.
이로 인하여 스테인리스 강판은 자연상태에서 공기중의 산소와 결합하여 표면에 산화막(oxide)이 생기게 되는데, 산화막은 부도체이므로 전체적인 스테인리스 강판의 전기전도도를 떨어뜨리는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 내식성이 떨어지는 스테인리스 강판의 표면 성질을 개질 시켜줄 필요가 있다.
즉, 표면개질을 통하여 스테인리스 강판의 표면층 내부에 존재하는 철성분(Fe) 만을 선택적으로 용해(etching)시켜준다.
상기와 같은 표면개질 공정을 거친 후 스테인리스 강판의 표면은 크롬성분이 풍부한(Cr-rich) 부동태 피막(passive film)으로 변하게 되며, Cr-rich 부동태 피막의 금속성분 중에서 크롬성분이 차지하는 함량비는 20~75wt% 정도이고, 철성분을 30wt% 이하로 포함하고 있으며, Cr-rich 부동태 피막(passive film)의 주요구성 성분비로 나타낼 때 (Cr+Ni)/Fe의 비율을 1 이상인 상태가 된다.
여기서 선택적 금속 용해가 가능한 이유는 표면 산화물층에서 철 산화물은 산에서 쉽게 용해되는 성질이 있으며, 그에 비해 크롬 산화물은 철 산화물에 비해 안정하여 쉽게 용해되지 않기 때문이다.
표면개질을 위해 사용되는 용액 및 조건은 다음과 같다.
표면개질용액은 순수질산(HNO3) 5~20wt%, 순수황산(H2SO4) 2~15wt%(질산이나 황산은 선택적으로 사용될 수도 있음) 및 잔량으로 물을 포함하고 있으며, 50℃ 내지 80℃의 온도가 적정하며, 침적시간은 30초 내지 30분 이하로 하되 처리시간에 따른 생산성을 고려하여 30초 내지 10분 이하로 하여, 질산 및 황산의 농도를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 표면개질용액은 상기 제1표면개질용액(질산+황산)에 옥살산(oxalic), 과산화수소(H2O2) 중 선택된 어느 하나 또는 모두를 첨가하여 스테인리스 강판의 표면 금속 용해 속도를 가속화시킬 수도 있다.
또한, 표면개질을 함에 있어서 전기화학적 방법을 이용하여 황산(H2SO4)을 포함하는 표면개질용액에 침적한 후 0초과 ~ 1.0V의 SHE 전위를 인가하여 주면 보다 짧은 시간에 철성분(Fe)에 대한 선택적 용해가 가능해진다.
표면개질 공정을 해주면 크롬성분(Cr)은 거의 용해되지 않고 많은 양의 철(Fe) 성분과 일부의 니켈(Ni) 성분이 선택적으로 용해되면서 스테인리스 강판 표면층 내부의 철성분(Fe)을 저감시키고, 크롬(Cr)과 니켈(Ni) 성분을 표면층 내부에서 농축(concentrating)시켜주게 된다.
표면개질 결과 Cr-rich 부동태 피막(passive film)의 두께는 5~100nm가 되도록 해준다.
다음으로, 상기와 같이 표면개질되어 표면에 부동태피막이 형성된 스테인리스 강판을 열처리(heat treatment)해준다(S130).
상기와 같은 열처리를 해주는 이유는 다음과 같다.
스테인리스 강판의 표면을 개질해주면 상기에서 설명한 바와 같이 크롬(Cr) 성분이 농축된 부동태 피막이 생겨 초기단계에서는 우수한 내식성과 전도성이 확보될 수 있다.
그러나, 고온-다습한 연료전지의 작동환경에서 표면개질된 스테인리스 분리판을 장시간 노출했을 경우 부동태 피막의 두께가 점차 두꺼워지게 되는데, 이러한 부동태 피막은 금속산화물(metal oxide)이 대부분의 성분을 이루고 있으므로 작동시간이 지남에 따라 내식성은 유지되나 전기전도성은 나빠지게 된다.
따라서, 상기와 같은 Cr-rich 부동태 피막상에 내식성 및 전도도가 동시에 우수하며, 장시간 작동시에도 부동태 피막의 성장을 억제할 수 있도록 열처리를 해 줌으로써 초기뿐만 아니라 장기간 사용 시에도 우수한 내식성과 전도성을 가지는 연료전지 분리판을 제조할 수 있게 된다.
열처리(heat treatment)는 진공상태 또는 대기중(atmosphere) 또는 불활성 가스(예컨대, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 등)의 분위기에서 행하여 지며, 온도는 100~300℃, 바람직하게는 100~200℃의 온도에서 행하여 진다.
열처리 온도를 상기의 범위로 해주는 이유는 100℃ 이하일 경우 그 효과가 미미하고, 300℃를 넘어가게 되면 산화가 되어 오히려 물성이 나빠질 수도 있고, 또한 경제적 측면에서 바람직하지 못하기 때문이다.
열처리 시간은 특별히 한정되진 않으나, 3분이상으로 열처리 해주는 것이 바람직하고, 열상승시간, 및 경제적 측면을 고려 할때 1시간 이내의 시간에서 열처리 해주는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 실시예들은 모두 30분간 열처리 해주었다.
열처리는 로(furnace) 내부에서 배치타입(Batch-type)으로 수행하거나, 연속 라인 방식을 적용하여 수행할 수 있다.
상기에서 설명한 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법, 즉 표면개질공정-열처리공정을 통해 제조되는 연료전지용 분리판은 미국에너지성(DOE)기준, 즉 1μA/㎠ 이하의 부식전류, 양면기준 20mΩ·㎠ 이하의 접촉저항를 가지게 된다.
<실시예 및 비교예>
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법에 의해 제조되는 분리판이 초기의 부식전류와 접촉저항 성질 뿐만 아니라 장시간 사용하더라도 그 성질이 매우 우수하다는 것을 구체적인 실시예들 및 비교예를 들어 설명한다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
Figure 112008032142565-pat00001
표 1 스테인리스 강판 모재로서 316L을 사용하여, 침적법과 전기화학법에 의해 각각의 표면개질조건(온도, 시간, 용액조성), 열처리조건(분위기, 온도)을 달리하면서 제조되는 본 발명의 실시예 1 ~ 실시예 9 및 비교예 1~ 비교예 5에 따른 스테인리스 분리판에 대하여 부식전류와 접촉저항을 측정한 결과를 나타내는 것이다.
구체적으로, 실시예 1, 실시예 2의 경우엔 표면개질과 1*10-3 torr의 진공상태에서 열처리를 해준 것이고, 실시예 3, 실시예 4는 표면개질과 질소(N2)분위기에서 열처리를 해준 것이고, 실시예 5, 실시예 6은 표면개질 및 0족 불활성기체인 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 열처리를 해준 것이고, 실시예 7 ~ 실시예 9는 표면개질 및 대기중에서 열처리를 해준 것이다.
또한, 비교예 1의 경우엔 표면개질만을 해주고 열처리를 해주지 않은 경우이며, 비교예 2의 경우엔 표면개질 및 대기중에서 열처리를 해주되 본 발명에서 제시하는 열처리 온도범위를 벗어난 400℃의 온도에서 열처리를 해준 것이며, 비교예 3 ~ 비교예 5의 경우엔 표면개질 및 대기중에서 열처리를 해주된 본 발명에서 제시하는 열처리 시간을 벗어난 1분 혹은 2분 동안 열처리를 해준 것이다.
1. 접촉저항의 측정
도 2는 본 발명에 따른 스테인리스 강판의 접촉저항을 측정하는 접촉저항측정장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 스테인리스 강판(500)의 접촉저항 측정을 위해 셀 체결을 위한 최적화된 상수를 얻기 위해 수정된 데이비드 방법(Davies method)을 스테인리스 스틸(Stainless Steel:SS)과 카본 페이퍼 사이의 접촉저항을 측정하기 위해 사용하였다.
접촉저항은 4점법(four-wire current-voltage) 측정 원리를 이용하여 Zahner사의 IM6장비로 측정하였다.
측정방법은 정전류 모드에서 측정 영역 DC 2A 및 AC 0.2A로 하여 10kHz로 부터 10mHz 까지의 범위에서 접촉저항을 측정하였다.
카본페이퍼는 SGL사의 10BB를 사용하였다.
상기 접촉저항측정장치(50)는 카본 페이퍼(520), 금이 도금된 구리플레이트(510)가 시편(500)을 사이에 두고 각각 상하로 마련되고, 상기 구리플레이트(510)는 전류공급장치(530)와 전압측정장치(540)에 연결되어 있다.
상기 시편(500)에 전류를 공급할 수 있는 전류공급장치(530, Zahner사의 IM6)로 DC 2A/AC 0.2A의 전류를 인가하여 전압을 측정하였다.
그리고, 상기 접촉저항측정장치(50)의 구리플레이트(510) 상하에서 상기 시편(500)과 카본페이퍼(520), 구리 플레이트(510)가 적층구조를 갖도록 압력을 제공할 수 있는 압력기(Instron사 모델 5566, 압축유지시험)를 마련한다. 상기 압력기는 상기 접촉저항 측정 장치(50)에 50 ~ 150N/cm2의 압력을 제공한다.
이와 같이 마련된 접촉저항측정장치(50)로 상기 표 1에 나타낸 실시예와 비교예의 시편(500) 즉, 스테인리스 강판의 접촉저항을 측정하였다.
2. 부식전류의 측정
본 발명의 스테인리스 분리판의 부식전류를 측정하기 측정장비로는 EG&G 273A을 사용하였다. 부식 내구성 실험은 PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 모사 환경 하에서 이루어 졌다.
본 발명에 따른 스테인리스 강판의 부식시키는 실험용액으로는 80℃의 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 용액을 사용하고, 1시간 동안 O2 bubbling 후 OCP(Open Circuit Potential) - 0.25V ∼ 1V vs SCE 범위에서 측정하였다.
그리고, PEFC anode 환경에 대해 -0.24V vs SCE, cathode 환경(SCE: Saturated Calomel Electrode)에 대해 0.6V vs SCE에서 물성측정을 하였다.
여기서 상기 물성측정 비교는 연료전지 환경과 유사한 cathode 환경의 0.6V vs SCE의 부식전류 데이터를 통해 비교 평가하였다.
상기 anode 환경은 수소가 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)에서 수소이온과 전자로 분리되는 반응이 일어나는 환경이며, 상기 cathode 환경은 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 물을 생성하는 반응이 일어나는 환경이다.
여기서 상기의 조건과 같이 cathode환경의 전위가 높으며, 더욱 가혹한 부식 조건이기 때문에 cathode 환경을 기준으로 내식성을 시험하는 것이 바람직하다.
그리고, 고분자 전해질 연료전지 적용을 위해서는 스테인리스 강판의 부식전류밀도가 1μA/cm2 이하의 값으로 나오는 것이 바람직하다.
3. 부식전류 및 접촉저항 측정 결과의 분석
표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들과 같이 표면개질-열처리를 본 발명에서 제시해주는 범위에서 해준 경우엔 모두 DOE 기준을 만족하는 범위인, 부식전류가 0.5~0.7㎂/㎠ 사이의 값을 가지고 있음을 알 수 있고, 접촉저항의 경우엔 12~18mΩ·㎠ 범위의 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
그리고, 비교예 1과 같이 표면개질만을 해주고 열처리를 해주지 않은 경우엔 접촉저항 값은 17.5mΩ·㎠, 부식전류 값은 0.95㎂/㎠, 비교예 2와 같이 표면개질만을 거치고 열처리를 해주된 본 발명에서 제시하는 온도보다 높은 온도에서 열처리를 해준 경우엔 접촉저항 값은 23.3mΩ·㎠, 부식전류 값은 0.35㎂/㎠, 비교예 3 ~ 비교예5와 같이 표면 개질후 1분동안 대기중에서 열처리를 해준 경우에는 17.3 ~ 17.4mΩ·㎠, 부식전류 값은 0.94 ~ 0.95㎂/㎠ 를 나타내고 있음을 알 수 있다.
다만, 비교예 1, 비교예 3 ~ 5의 접촉저항과 부식전류값은 DOE 기준을 만족시키는 값이기는 하나 이는 연료전지를 장시간 동작시키기 이전의 초기 값이기 때문이며, 본 발명에서 주로 관심을 두고 있는 다음에 기재될 연료전지의 장기내구성 평가에서는 상기 실시예들과 비교예 1의 값의 차이는 더욱 현저함을 알 수 있다.
4. 연료전지 모사환경 내식성 및 접촉저항 평가 및 결과
(1) 모사환경 내식성 및 접촉저항 평가
본 발명의 스테인리스 분리판의 연료전지 환경 모사는 EG&G 273A을 사용하였다. 80℃의 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 용액에 시편을 장입하고, 1시간 동안 O2 bubbling 후 시편에 0.6V vs SCE의 정전압을 인가하였다. 일정 시간 동안 정전압 인가 후 시편의 내식성 및 접촉저항을 측정하였다. 위 작업을 반복하면서 장기간 동안 연료전지 모사환경에서의 내식성 및 접촉저항 변화 양상을 평가하였다.
(2) 모사환경 접촉저항 및 장기 내식성 평가 결과
도 3은 상기와 같은 방법으로 측정된 연료전지 모사환경 접촉저항 평가에 대한 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 실시예 1, 3, 5, 8의 경우엔 초기(0시간)와 2,000시간 경과후에도 접촉저항 값이 20mΩ·㎠ 이하로 거의 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있으나, 비교예 1, 비교예 3 ~ 비교예 5의 경우엔 초기에는 앞서 설명한 바와 같이 17.3 ~ 17.5mΩ·㎠의 값을 가지고 있으나, 2,000시간 경과후에는 40mΩ·㎠을 넘는 값을 가지게 됨을 알 수 있다.
도 4는 상기와 같은 방법으로 측정된 연료전지 모사환경에서 실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1의 시편의 2,000시간 노출 후 부식전류(corrosion current density) 평가에 대한 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1의 시편 모두 초기 뿐만 아니라 2,000시간 경과 후에도 DOE 기준 이하의 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
상기의 내용을 종합하여 볼 때, 표면개질공정만을 해주고 열처리 공정을 해주지 않은 경우엔 모사환경에서 장시간 사용하더라도 내식성은 유지될 수 있으나, 표면저항은 크게 증가하게 됨을 알 수 있다.
5. 연료전지 장기 내구성 평가 및 결과
(1) 장기 내구성 평가 방법
반응 가스의 공급을 위해 서펜타인 유로를 가지는 분리판을 사용하였으며 분리판 사이에 막-전극 접합체(Gore사의 모델명 5710)와 가스확산층(SGL사의 모델 10BA)을 둔 후 일정압력으로 체결하여 연료전지 셀을 제작하였다.
연료전지 성능평가는 단위셀을 이용해 평가하였는데, 연료전지 운전 장치는 NSE Test Station 700W class를 사용하였고 연료전지 성능평가를 위한 전자 부하장치로 KIKUSUI E-Load를 사용하여, 0.01A/cm2 전류 15초-1A/cm2로 전류 15초 사이클을 지속적으로 인가하였다.
반응가스로는 수소와 공기를 사용하였고, 유량은 전류에 따라 수소 1.5, 공기 2.0의 화학양론비를 일정하게 유지하며 상대습도 100% 가습 후 공급하였다. 가습기와 셀의 온도는 65℃로 일정하게 유지시켜주며 대기압 조건하에서 성능을 평가하였다. 이때, 작동면적(active area)은 25㎠, 작동압력은 1atm 이었다.
(2) 장기 내구성 평가 결과
도 5는 상기 실시예1, 3, 5, 8 및 비교예 1, 3 ~ 5의 시편을 상기의 장기내구성 평가방법에 따라 2,000시간 경과 후의 평가결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 비교예 1, 3 ~ 5의 경우엔 초기엔 0.6V 이상의 발생전압을 가지고 있으나, 2,000시간 경과 후 발생전압이 0.57V 정도로 저하됨을 알 수 있다.
이에 비하여 본 발명의 실시예1, 실시예 3, 실시예 5, 실시예 8에 의해 제조되는 스테인리스 분리판을 사용한 연료전지의 경우엔 초기발생전압이 모두 0.62V 이상이고 2,000시간 경과하더라도 내구성이 매우 우수하여 초기에 비해 0.02V 미만의 미소량의 발생전압 저하가 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스테인리스 강판의 접촉저항을 측정하는 접촉저항측정장치를 도시한 도면이다.
도 3은 상기와 같은 방법으로 측정된 연료전지 모사환경 접촉저항 평가에 대한 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
도 4는 상기와 같은 방법으로 측정된 연료전지 모사환경에서 실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1의 시편의 2,000시간 노출 후 부식전류(corrosion current density) 평가에 대한 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
도 5는 상기 실시예1, 3, 5, 8 및 비교예 1의 시편을 상기의 장기내구성 평가방법에 따라 2,000시간 경과 후의 평가결과를 나타낸 그래프이다.

Claims (12)

  1. (a) 스테인리스 강판 모재를 마련하는 단계;
    (b) 상기 스테인리스 강판 모재 표면층의 철(Fe) 성분을 저감시켜 상기 스테인리스 강판 표면에 크롬성분이 차지하는 함량비가 20~75wt% 정도인 Cr-rich 부동태 피막을 형성해주는 표면개질 단계; 및
    (c) 표면개질된 상기 스테인리스 강판을 진공상태 또는 대기중 또는 불활성가스 분위기에서 100~300℃의 온도로 3분 이상 1시간 이내의 시간동안 열처리 해주는 단계를 포함하는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 100~200℃인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성가스는 질소가스(N2), 아르곤가스(Ar), 헬륨가스(He) 또는 수소가스(H2) 중에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분 리판의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계를 거친 후 상기 스테인리스 강판의 표면층을 구성하는 부동태 피막은 원자량 비율로 (Cr+Ni)/Fe의 비율이 1 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 표면개질 공정은 황산(H2SO4) 또는 질산(HNO3)용액, 또는 이들의 혼합용액을 포함하는 용액에 침적시켜 주거나 상기 용액을 스테인리스 강판 모재의 표면에 스프레이 해줌으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 표면개질 공정은 황산(H2SO4)을 포함하는 표면개질 용액에 침적하고 0초과 ~ 1.0V의 SHE영역에서 전위(또는 전류)를 인가하여 줌으로서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 표면개질용액은 과산화수소(H2O2)와 옥살산(C2H2O4; oxalic acid) 중 선택되는 하나 이상의 첨가물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에 있어서, 상기 열처리는 Batch type 및 연속 라인 방법 중에서 선택적으로 행하여 지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테인리스 강판 모재는 16~28wt%의 크롬성분을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 연료전지용 스테인리스 분리판.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료전지용 스테인리스 분리판의 부식전류는 1㎂/㎠ 미만, 접촉저항은 양면기준 20mΩ·㎠ 미만의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 분리판.
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