KR101015899B1 - 연료전지용 금속제 분리판 - Google Patents

연료전지용 금속제 분리판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 분리판에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 텅스텐 및/또는 몰리브덴을 포함하는 스테인레스 스틸 소재의 분리판에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지의 분리판으로 그래파이트 대신 내부식성이 향상된 금속을 사용함으로써 종래의 분리판이 갖는 강도, 부피, 비용 상의 문제점을 개선하는 효과가 있다. 즉, 연료전지의 분리판으로 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 사용하면 부식의 우려 없이 충분한 강도를 갖춘 컴팩트한 사이즈의 연료전지를 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
분리판, 바이폴라 플레이트, 텅스텐, 몰리브덴, 크롬, 니켈

Description

연료전지용 금속제 분리판{Metallic separator for fuel cell}
도 1은 수소 이온 존재 하에서의 텅스텐 합금의 내부식성을 시험한 시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 2a, 2b, 2c, 2d는 각각 본 발명의 실시예 1 내지 4의 실험 결과의 사진 이미지이다.
도 3a, 3b, 3c는 각각 본 발명의 비교예 1 내지 3의 실험 결과의 사진 이미지이다.
도 4a, 4b, 4c, 4d는 각각 본 발명의 실시예 5 내지 8의 실험 결과의 사진 이미지이다.
도 5a, 5b, 5c는 각각 본 발명의 비교예 4 내지 6의 실험 결과의 사진 이미지이다.
본 발명은 연료전지의 분리판에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 텅스텐 및/또는 몰리브덴을 포함하는 스테인레스 스틸 소재의 분리판에 관한 것이다.
연료 전지의 작동 메카니즘은, 수소, 천연가스, 메탄올 등과 같은 연료를 애 노드에서 산화시켜 전자와 수소이온을 생성시키는 것에서 시작한다. 애노드에서 생성된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하고, 애노드에서 생성된 전자는 도선을 통하여 외부의 회로에 공급된다. 캐소드에 도달한 수소이온은, 외부 회로를 통하여 캐소드에 도달한 전자, 및 산소 또는 공기 중의 산소와 결합하여 물을 생성한다.
연료전지는 발전 효율이 높고 환경친화적인 차세대 에너지 전환 장치로서 각광 받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 폴리머 전해질막 연료전지 (PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지 (PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지 (SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있다. 이러한 연료전지의 종류에 따라, 작동온도, 구성 부품의 재질 등이 달라진다.
그 중 PEMFC는, 연료전지의 작동 온도로서는 비교적 낮은 온도인 약 80 내지 120℃에서 작동될 수 있으며, 매우 높은 전력밀도를 가질 수 있기 때문에, 자동차용, 가정용 등의 전력원으로서 적용될 수 있다. 이러한 PEMFC에 있어서, 작고 가벼우며 저렴한 PEMFC를 얻기 위하여 개선할 필요가 있는 중요 부품 중의 하나가 바로 바이폴라 플레이트(bipolar plate)이다.
PEMFC의 주된 구성요소로서는 바이폴라 플레이트, MEA(membrane electrode assembly) 등이 있다. MEA는, 연료의 산화가 일어나는 애노드, 산화제의 환원이 일어나는 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질막을 포함한다. 전해질막은, 애노드에서 생성된 수소이온을 캐소드로 전달시키기 위하여 이온전도성을 가 지며, 애노드와 캐소드를 전자절연시키기 위한 전자절연성을 갖는다.
당해 기술 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 바이폴라 플레이트는 연료 및 공기가 흐르는 유로(channel)를 구비하고 있으며, MEA 간의 전자이동을 위한 전자전도체역할을 한다. 따라서, 바이폴라 플레이트는, 연료와 공기를 분리할 수 있도록 비다공성이어야 하고, 전기전도성이 우수하여야 하고, 연료전지의 온도 제어를 위한 충분한 열전도율을 가져야 하며, 연료전지를 클램핑(clamping)하는 힘을 견딜 정도의 충분한 기계적 강도를 가져야 할 뿐만 아니라, 수소이온에 대한 내부식성을 가져야 한다.
종래에, PEMFC의 바이폴라 플레이트의 재료로서는 주로 그래파이트 플레이트 (graphite plate)가 사용되었으며, 이때, 연료 및 공기 유로는 주로 밀링(milling) 가공에 의하여 형성되었다. 그래파이트 플레이트는 전기전도성이 좋고 부식이 잘되지 않는 이점을 가지고 있지만, 그래파이트 플레이트 자체의 가격과 밀링 가공비는 바이폴라 플레이트의 높은 가격의 주된 요인으로 작용하고 있다. 게다가, 그래파이트 플레이트는 깨지기 쉽기 때문에 2 내지 3mm 이하의 두께로 가공하기가 용이하지 않다. 이러한 그래파이트계 바이폴라 플레이트의 두께로 인하여, 수 십 내지 수 백 개의 단위전지(unit cell)로 이루어지는 연료전지 스택(stack)의 크기를 줄이는 데는 어려움이 있다.
바이폴라 플레이트의 가공비와 두께를 줄이기 위한 대안 중의 하나로서, 바이폴라 플레이트의 재료를 금속으로 대체하려는 시도가 행해져 왔다. 금속은 바이폴라 플레이트로서 필요한 물성을 대부분 갖추고 있고, 재료비와 가공비가 매우 저 렴하다. PEMFC에 있어서, 바이폴라 플레이트의 재료가 금속으로 대체될 경우, 바이폴라 플레이트의 가격은 1/100 이하로 떨어질 것으로 예상된다.
그러나, 금속제 바이폴라 플레이트의 경우, 연료전지 내부의 산성 환경에서 금속이 부식되고, 전기전도 저항이 큰 산화피막이 형성되기 쉽다. 그에 따라, 막오염(membrane poisoning)의 발생과 접촉저항의 증가라는 심각한 문제점이 드러났다. 금속 바이폴라 플레이트의 부식은, 바이폴라 플레이트 자체의 결함을 유발시킬 뿐만 아니라, 금속 이온의 전해질막으로의 확산에 의한 촉매와 전해질의 피독 현상을 일으킨다. 촉매가 피독되면 촉매의 활성이 저하되고, 전해질이 피독되면 전해질의 수소이온전도도가 저하되어, 상기 피독에 따라 연료전지의 성능도 저하된다.
또한, 부식된 금속이 소실됨으로써 분리판과 MEA사이의 접촉이 불량해지고 전기전도 저항이 증가하여 연료전지의 성능이 저하된다.
이러한 부식문제는 금속제 바이폴라 플레이트의 적용에 가장 큰 장애가 되고 있다. 예를 들면, 스테인리스강, Ti 합금, Al 합금 또는 Ni 합금을 사용하여 제조된 바이폴라 플레이트를 채용한 PEMFC는, 1000 시간 성능 시험에서, 그래파이트 바이폴라 플레이트를 채용한 연료전지보다 나쁜 성능을 보인다.
그리하여, 내부식성 표면 코팅을 적용하는 방법과 같은, 금속제 바이폴라 플레이트의 내부식성을 향상시키기 위한 방안이 연구되고 있다. 예를 들면, TiN과 같은 내부식성 및 전기전도성이 우수한 재료를, Ti 또는 스테인리스강으로 된 바이폴라 플레이트의 표면에 코팅하는 방법이 공지되어 있다 [대한민국 공개특허공보 제2003-0053406호 참조].
그러나, Al 합금 또는 Ti 합금 소재인 경우에는 산화피막의 영향을 크게 받기 때문에, 산화피막의 영향을 비교적 적게 받고 부식에도 강한 스테인레스 스틸이 그라파이트를 대체할 가장 우수한 후보로 지목되고 있다.
바이폴라 플레이트와 관련된 상기의 논의는 엔드 플레이트, 냉각 플레이트 및 분리판에도 동일하게 적용된다.
당해 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 엔드 플레이트는, 그 일면에만 연료 또는 산화제를 위한 유로가 형성되어 있는 전자전도성 판재로서, 연료전지 스택의 양 말단에 위치하는 MEA에 부착된다.
당해 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 냉각 플레이트는, 그 일면에는 연료 또는 산화제를 위한 유로가 형성되어 있고 다른 면에는 냉각유체를 위한 유로가 형성되어 있는, 전자전도성 판재이다.
당해 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 분리판은, 애노드와 캐소드의 확산층에 플로우필드가 형성되어 있는 경우에 사용되는데, 일반적으로 플로우필드를 구비하지 않는 바이폴라 플레이트인 것으로 이해된다. 분리판 역시, 낮은 가스 투과성, 우수한 전기전도도, 우수한 내부식성을 갖는 것이 바람직하다.
지금까지 주로 PEMFC의 경우에 대하여 바이폴라 플레이트의 문제점을 설명하였지만, 바이폴라 플레이트에 관련된 그러한 문제점은 MCFC, PAFC, DMFC 등에 대해서도 동일하게 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 내부식성이 향상된 금속 재 료의 연료전지용 분리판을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 연료전지용 분리판을 채용한 연료전지를 제공하는 데 있다.
본 발명에 있어서, 분리판이라는 용어는, 앞에서 설명한 바이폴라 플레이트, 엔드 플레이트, 냉각 플레이트 및 협의의 분리판을 포괄하는 의미로서 사용될 것이다. 이 때, 협의의 분리판은, 앞에서 설명한 바와 같이, 애노드와 캐소드의 확산층에 플로우필드가 형성되어 있는 경우에 사용되고 자신에게는 플로우필드를 구비하지 않는 바이폴라 플레이트를 의미한다. 본 발명에 있어서, 특별한 표시가 없는 한, 분리판은 바이폴라 플레이트, 엔드 플레이트, 냉각 플레이트 및 협의의 분리판을 포괄하는 넓은 의미로서 사용될 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 철(Fe)을 포함하는 스테인레스 스틸 소재의 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 분리판이 텅스텐(W)을 더 포함하고;
전극과 마주하는 상기 분리판의 한쪽 면을 이루는 제 1 층과, 전극과 마주하는 상기 분리판의 다른 쪽 면을 이루는 제 2 층의 텅스텐 함량이 서로 다르며;
제 1 층의 텅스텐 함량이 제 2 층의 텅스텐 함량보다 많은 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 상기 연료전지용 분 리판을 채용한 연료전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
연료전지의 분리판에 있어서 분리판의 일면은 캐소드측에 면하게 되고, 분리판의 다른 일면은 애노드측에 면하게 되는데 캐소드측에서 발생하는 부식의 특성과 애노드 측에서 발생하는 부식의 특성은 서로 다르다. 따라서, 분리판을 단일한 소재로 제작하게 되면 캐소드측과 애노드측에서 발생하는 부식에 한 가지 소재로만 대응할 수밖에 없어 각각의 부식특성에 대한 최적의 대응이 되지 못한다. 그러므로, 연료전지의 각 면에서 발생하는 부식의 특성에 적절하도록 분리판의 양면을 최적화하는 것이 필요하다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 및 철(Fe)을 포함하는 스테인레스 스틸로 되어 있으며 내부식성을 더하기 위해 텅스텐(W)을 더 포함하고, 전극과 마주하는 상기 분리판의 한쪽 면을 이루는 제 1 층과 전극과 마주하는 상기 분리판의 다른 쪽 면을 이루는 제 2 층의 텅스텐 함량이 서로 다르며, 제 1 층의 텅스텐 함량이 제 2 층의 텅스텐 함량보다 많다.
상기 분리판에서 텅스텐의 총 함량은 0.01 내지 15 중량부이다.
상기 분리판의 두 면을 이루는 각 층에서 텅스텐의 함량은 상기 스테인레스 스틸 100 중량부 즉, 크롬, 니켈, 및 철의 총 함량 100 중량부에 대하여 제 1 층은 0.01 중량부 초과 15 중량부 이하, 제 2 층은 0.01 중량부 이상 6 중량부 이하이고, 더욱 바람직하게는 제 1 층은 1 내지 9 중량부, 제 2 층은 0.5 내지 4.5 중량부 더 포함한다.
상기 분리판에서 텅스텐의 함량이 0.01 중량부보다 작으면, 산에 대한 내부식성을 부여하는 효과가 미미해져서 본 발명에서 이루고자 하는 목적을 달성할 수 없다. 상기 분리판에서 텅스텐의 함량이 15 중량부보다 많으면, 더 이상 내부식성이 향상되는 정도가 미미하여 경제적으로 불리하다. 특히, 상기 분리판이 연료전지에 설치될 때, 캐소드와 마주하게 되는 면을 이루는 층의 텅스텐의 함량은 6 중량부보다 많아지더라도 내부식성이 향상되는 정도가 미미하여 경제적으로 불리하다.
텅스텐은 다른 금속과는 달리 내산성이 강하기 때문에 상기와 같이 텅스텐을 함유하고 있는 연료전지용 분리판은 내산성이 강할 것으로 판단된다. 특히, 텅스텐을 포함하는 스테인레스 스틸 합금은 텅스텐을 포함하지 않은 스테인레스 스틸 합금에 비하여 수소 분위기의 산성 환경에서 더 우수한 내부식성을 보임이 증명되었다.
또한, 상기 스테인레스 스틸은 스테인레스 스틸 100 중량부에 대하여 크롬(Cr) 13 내지 30 중량부, 니켈(Ni) 5 내지 30 중량부, 철(Fe) 40 내지 80 중량부 함유하는 것이 바람직하다. 크롬의 양이 13 중량부에 미치지 못하면 스테인레스 스틸의 안정한 부동태 피막이 형성되지 않아 충분한 내식성을 얻을 수 없고, 30 중량부를 넘으면 가공이 어려워진다. 니켈의 경우는 오스테나이트 안정제로 사용되며, 니켈의 함량이 많아질수록 스테인레스 스틸 중에 존재하는 오스테나이트 분율이 증가한다. 니켈의 양이 5 중량부에 미달하면 오스테나이트가 아닌 페라이트 스테인레스 스틸이 만들어지고, 많이 들어갈수록 국부적인 부식에 대한 저항성이 증가하지만 니켈의 가격이 높기 때문에 30 중량부를 넘으면 경제적으로 불리해진다. 철은 상기 크롬 및 니켈과 더해져 100 중량부를 이루도록 함량이 결정된다.
또한, 상기 제 2 층은 앞서 언급한 텅스텐 외에, 스테인레스 스틸 100 중량부에 대하여 몰리브덴을 0.2 내지 5 중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 4 중량부 더 포함할 수 있다. 텅스텐을 함유하고 있는 스테인레스 스틸에 몰리브덴을 더 첨가하게 되면 산소 분위기에서 스테인레스 스틸의 내부식성이 현저히 향상됨을 발견하였다. 몰리브덴의 함량이 0.2 중량부에 미치지 못하면 산소 분위기에서 스테인레스 스틸이 갖는 내부식성이 미미하게 되어 바람직하지 않고, 몰리브덴의 함량이 5 중량부를 넘는 경우는 스테인레스 스틸의 내식성 및 기계적 성질에 악영향을 미치는 2차상(시그마(sigma) 상 및/또는 카이(chi) 상)의 석출을 조장하는 단점이 있어 바람직하지 않다.
양 면이 서로 조성이 다른 층으로 된 분리막에 있어 상기 분리막이 설치되는 연료전지의 캐소드 및 애노드와의 관계를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 애노드측은 수소가 흐르고 막전극접합체(MEA: membrane electrode assembly)에서 나오는 산성 물질 때문에 pH가 낮은 환경을 지니고 있다. 텅스텐이 더 포함된 스테인레스 스틸은 앞서 살펴본 바와 같이 수소 분위기의 부식 환경에 효과적이므로(도 1 참조) 애노드측은 텅스텐이 더 포함된 스테인레스 스틸을 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 캐소드측은 산소가 환원되는 전극으로 산소 분위기의 부식 환경이 조성된다. 이러한 환경에서는 내부식성을 부여하는 데 있어 텅스텐이 기여하는 바가 현저하기는 하나 앞서 언급한 바와 같이 텅스텐의 함량이 6 중량부를 넘어서는 내부식성 향상의 정도가 미미하다.
특히, 캐소드측은 점식(點蝕) 또는 공식(孔蝕)이라고도 불리는 피팅 부식(pitting corrosion)이 발생할 개연성이 대단히 높다. 피팅 부식은 소재에 국지적으로 구멍이 형성되는 부식의 한 형태로, 반구형 또는 컵 모양의 구멍을 형성하거나 상기와 같은 구멍이 부식의 결과물로 은폐되는 형태를 형성한다. 피팅 부식은 그 자체로도 바람직하지 않지만 2차적으로 피로와 응력부식에 의한 균열을 수반하게 되어 반드시 예방해야 하는 부식 형태라 할 수 있다.
상기와 같은 피팅 부식에 대하여는 몰리브덴을 첨가하는 경우 내부식성이 현저히 향상되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 캐소드 측은 상기 텅스텐이 합금된 스테인레스 스틸에 몰리브덴이 더 포함되어 있는 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
다시 말해서, 애노드와 마주하는 분리판의 (i) 층은 스테인레스 스틸에 텅스텐을 0.01 중량부 초과 15 중량부 이하 더 포함하는 소재를 사용하는 것이 바람직하고, 캐소드와 마주하는 분리판의 (ii) 층은 상기 텅스텐을 0.01 이상 6 중량부 이하, 몰리브덴을 0.2 내지 5 중량부 더 포함하는 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
분리판은 전기전도도가 우수해야 함은 물론(전기전도도 > 10 S/cm), 산성 전해질, 수소, 산소, 열, 습기 등으로 인한 부식에 강해야 하고(부식속도 < 16 μA/cm2), 열전도도가 뛰어나야 하고(열전도도 > 20W/mK), 가스 밀폐성이 좋아야 한다(가스 밀폐성 < 10-7 mbar I/s cm2).
따라서, 본 발명의 분리판은 앞서 설명한 바와 같이 전기전도도가 10 S/cm이상인 것이 바람직하다. 만일 분리판의 전기전도도가 10 S/cm보다 작으면 전지의 효율이 낮아지는 단점이 있다. 또한, 이상에서 설명한 분리판은 부식으로 인한 전류밀도가 16μA/cm2보다 작은 것이 바람직하다. 만일 분리판의 부식으로 인한 전류밀도가 16μA/cm2 보다 크면 부식이 너무 많이 생기는 것이어서 전지의 수명이 짧아지는 단점이 있다.
상기와 같은 분리판을 제조하는 방법의 일 구현예는 다음과 같다.
먼저 스테인레스 스틸에 텅스텐을 0.01 중량부 초과 15 중량부 이하 함유한 제 1 층과 이보다 적은 양이면서 0.01 내지 6 중량부의 범위를 벗어나지 않는 양의 텅스텐을 함유한 제 2 층을 알려진 통상의 방법으로 접합하고, 제 2 층의 표면에 몰리브덴을 코팅한다. 몰리브덴의 코팅은, 예를 들면, 진공증착, 이온도금, 스퍼터링(sputtering) 등과 같은 물리기상증착법, 열-CVD, 광-CVD, 플라스마-CVD, MO-CVD 등과 같은 화학기상증착법(CVD), 전해 또는 무전해 도금법, 합금 형성법 등과 같이 금속막의 형성에 사용되는 다양한 기법들이 사용될 수 있다.
상기에서 형성된 제 2 층의 두께가 너무 얇으면 형성되는 층이 충분한 내부식성을 갖지 못할 수 있고, 너무 두꺼우면 형성되는 층의 균열이 발생할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 상기에서 형성되는 제 2 층의 두께는 약 0.1 내지 약 20 ㎛, 바람직하게는 약 1 내지 약 10 ㎛일 수 있다.
상기와 같이 코팅한 몰리브덴 층을 갖는 상기 금속 기판을 가열하여 상기 제 2 층의 표면의 몰리브덴 성분을 제 2 층 내부로 확산시킨다. 가열온도가 너무 낮으면 확산이 더디게 되어 적절한 농도를 갖는 몰리브덴 층이 용이하게 형성되지 않을 수 있고, 가열온도가 너무 높으면 표면층에 몰리브덴 산화물이 과도하게 형성되어 표면저항이 증가할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 가열온도는 약 300 내지 약 900℃, 바람직하게는 약 400 내지 약 800℃, 더욱 바람직하게는 약 600 내지 약 700℃일 수 있다.
상기와 같은 과정을 통해 일면을 이루는 층은 스테인레스 스틸에 텅스텐을 0.01 중량부 초과 15 중량부 이하 더 포함하는 소재로 되어 있고, 다른 일면을 이루는 층은 스테인레스 스틸에 텅스텐 0.01 중량부 이상 6 중량부 이하와 몰리브덴 0.2 내지 5 중량부를 더 포함하는 소재로 되어 있는 분리판을 얻을 수 있다.
상기에서 제 2 층의 두께는 분리판 두께의 0.01 내지 99.99%인 것이 바람직하다. 만일 제 2 층의 두께가 분리판 두께의 0.01%보다 얇으면 캐소드 측에서 빈발하는 피팅 부식을 방지하는 능력이 떨어지고, 제 2 층의 두께가 분리판 두께의 99.99%보다 더 두꺼우면 애노드 측의 내부식성이 저하되고 몰리브덴이 고가(高價)이기 때문에 경제적으로도 불리하다.
상기의 구현예는 본 발명의 분리판을 제조하는 일 구현예로서 예시에 지나지 않고, 본 발명이 상기 구현예에 한정되는 것은 아니다. 상기한 방법 외에 통상의 방법, 예를 들면, 코팅층 또는 표면층의 형성 없이 직접 텅스텐 및/또는 몰리브덴을 합금하여 사용하는 방법도 가능하다.
본 발명의 분리판에 있어서, 상기 분리판으로 사용되는 기판의 재질은 스테 인레스 스틸 대신, 예를 들면, Ni, Ti 등일 수 있다. 또는, 이들 금속 및/또는 스테인레스 스틸과 Al, W, Cu 등에서 선택되는 하나 이상의 금속과의 합금일 수도 있다. 상기 기판의 디멘션은 연료전지의 구체적 설계에 따라 당업자에 의하여 용이하게 선택될 수 있다. 또한, 상기 기판은 통상적인 금속가공기법에 의하여 용이하게 준비될 수 있다.
상기와 같은 분리판을 PEMFC, DMFC, PAFC 등 통상의 모든 연료 전지에 채용하여 사용할 수 있다. 상기 분리판을 통상의 연료 전지에 채용하는 방법은 종래의 기술에 의하여 채용할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 6]
먼저, 수소 분위기의 부식환경에서 본 발명의 분리판이 갖는 내식성을 확인하기 위해 하기와 같이 금속 기판의 조성을 달리하여 시험하였다. 시험환경은 85% 발연(fume) 인산 분위기에 수소를 퍼지하면서 130℃로 5일간 방치한 후 육안으로 관찰하여 부식정도를 측정하였다. 부식정도는 내부식성이 가장 우수한 것을 1, 가장 미흡한 것을 7로 평가하여 순위를 매겨 하기 표 1에 정리하였다.
[표 1]
Cr Ni Mo W Fe 부식정도
실시예 1 18 12 0 4 66 1
실시예 2 18 12 0 8 62 2
실시예 3 18 12 2 4 64 4
실시예 4 18 12 3 2 65 3
비교예 1 18 12 4 0 66 6
비교예 2 18 12 2 0 68 5
비교예 3 18 12 0 0 70 7
수소 분위기의 부식환경에서는 몰리브덴을 함유하지 않고 텅스텐의 함량이 크롬, 니켈, 및 철의 총 중량 100 중량부를 기준으로 하여 4.17 중량부일 때(실시예 1) 내부식성이 가장 우수함을 알 수 있었다. 상기 각 실시예를 도 2a 내지 2d에, 상기 각 비교예의 실험 결과를 도 3a 내지 3c에 나타내었다.
실시예 1 내지 4의 경우는 시편의 모서리 부분에서 일부 부식이 생기기도 하였지만, 전체적으로 부식이 미미하였고, 비교예 1 내지 비교예 3의 경우는 부식으로 인해 시편의 일부가 떨어져 나가기도 하고, 모서리 부분 및/또는 측면에서 심한 부식이 일어난 것을 관찰할 수 있었다.
또한, 산소 분위기의 부식환경에서 본 발명의 분리판이 갖는 내식성을 확인하기 위해 하기와 같이 금속 기판의 조성을 달리하여 시험하였다. 시험환경은 85% 발연(fume) 인산 분위기에 공기를 퍼지하면서 130℃로 5일간 방치한 후 육안으로 관찰하여 부식정도를 측정하였다. 부식정도는 내부식성이 가장 우수한 것을 1, 가장 미흡한 것을 7로 평가하여 순위를 매겨 하기 표 2에 정리하였다.
[표 2]
Cr Ni Mo W Fe 부식정도
실시예 5 18 12 3 2 65 2
실시예 6 18 12 2 4 64 1
실시예 7 18 12 0 4 66 3
실시예 8 18 12 0 8 62 4
비교예 4 18 12 4 0 66 5
비교예 5 18 12 2 0 68 6
비교예 6 18 12 0 0 70 7
산소 분위기의 부식환경에서는 크롬, 니켈, 및 철의 총 중량 100 중량부를 기준으로 하여 몰리브덴을 2.13 중량부 함유하고 텅스텐의 함량이 4.26 중량부일 때(실시예 6) 내부식성이 가장 우수함을 알 수 있었다. 상기 각 실시예를 도 4a 내지 4d에, 상기 각 비교예의 실험 결과를 도 5a 내지 5c에 나타내었다.
실시예 5 내지 8의 경우는 거의 모서리 부분에서 일부 부식이 생기기도 하였지만, 전체적으로 부식이 미미하였고, 비교예 4 내지 비교예 6의 경우는 부식이 측면뿐 아니라 상면까지 심하게 진행된 것을 관찰할 수 있었다.
[실시예 9 및 비교예 7]
텅스텐을 포함하지 않은 스테인레스 스틸 합금(합금 A)과 텅스텐을 포함하는 스테인레스 스틸 합금(합금 D)에 대하여 수소 분위기의 산성 환경과 중성 환경을 조성하여 부식시험을 수행하였다. 합금 A의 조성은 크롬 18 중량부, 니켈 12 중량부, 및 철 70 중량부로 이루어졌고, 합금 D의 조성은 크롬 18 중량부, 니켈 12 중량부, 철 66 중량부, 및 텅스텐 4 중량부로 이루어졌다. 수소 분위기의 산성 환경은 1N 농도의 염산 용액으로 조성하였고, 중성 환경은 동일 농도의 염화나트륨 용액으로 조성하였으며, 온도는 60℃를 유지하였다.
그 결과 중성 환경에서는 텅스텐의 포함여부에 관계없이 거의 같은 내부식성을 보였지만 수소 분위기의 산성 환경에서는 텅스텐을 함유하는 합금 D 쪽이 훨씬 강한 내부식성을 보였다. 본 실시예 및 비교예를 위한 실험의 결과를 도 1에 도시하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술 되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명은 연료전지의 분리판으로 그래파이트 대신 내부식성이 향상된 금속을 사용함으로써 종래의 분리판이 갖는 강도, 부피, 비용 상의 문제점을 개선하는 효과가 있다. 즉, 연료전지의 분리판으로 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 사용하면 각 면에서의 부식의 우려 없이 충분한 강도를 갖춘 컴팩트한 사이즈의 연료전지를 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 철(Fe)을 포함하는 스테인레스 스틸 소재의 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 분리판이 텅스텐(W)을 더 포함하고;
    애노드 전극과 마주하는 상기 분리판의 한쪽 면을 이루는 제 1 층의 텅스텐 함량이, 캐소드 전극과 마주하는 상기 분리판의 다른 쪽 면을 이루는 제 2 층의 텅스텐 함량보다 많은 연료전지용 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스테인레스 스틸이 스테인레스 스틸 100중량부에 대하여 크롬 13 내지 30 중량부, 니켈 5 내지 30 중량부, 철 40 내지 80 중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 텅스텐의 함량이 상기 스테인레스 스틸 100 중량부에 대하여 제 1 층은 0.01 중량부 초과 15 중량부 이하이고, 제 2 층은 0.01 중량부 이상 6 중량부 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 텅스텐의 함량이 상기 스테인레스 스틸 100 중량부에 대하여 제 1 층은 1 내지 9 중량부이고, 제 2 층은 0.5 내지 4.5 중량부인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층과 제 2 층 중 적어도 하나가 몰리브덴(Mo)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 제 5 항에 있어서, 제 2 층이 몰리브덴(Mo)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 몰리브덴의 함량이 상기 스테인레스 스틸 100 중량부에 대하여 0.2 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 몰리브덴의 함량이 상기 스테인레스 스틸 100 중량부에 대하여 1 내지 4 중량부인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  9. 제 1 항에 있어서, 전기전도도가 10 S/cm보다 크고, 부식으로 인한 전류밀도가 16μA/cm2보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 분리판의 한쪽 면을 이루는 층의 두께가 상기 분리판의 두께의 0.01 내지 99.99%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 따른 연료전지용 분리판을 채용한 연료전지.
  12. 삭제
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