KR101413144B1 - Method of manufacturing protective layers on metallic bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell - Google Patents
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Abstract
연료전지용 금속분리판 및 증착방법이 개시된다. 본 발명의 연료전지용 금속분리판은, 연료전지용 금속분리판에 있어서, 금속분리판용 모재에 복수의 층으로 마련되는 코팅층을 포함하며, 코팅층은, 크롬(Cr), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나를 재료로 상기 모재에 코팅되는 제1 코팅층; 및 질소(N2), 암모니아(NH3), 산소(O2), 붕소(B) 및 메탄(CH4) 중 어느 하나를 반응가스로 하여 제1 코팅층에 마련되는 제2 코팅층을 포함한다.Disclosed is a metal separator for a fuel cell and a deposition method. The metal separator plate for a fuel cell according to the present invention is a metal separator plate for a fuel cell, wherein the metal separator plate for a fuel cell includes a coating layer provided in a plurality of layers on a base material for a metal separator plate, wherein the coating layer is made of chromium (Cr), titanium (Ti), zirconium ), Tungsten (W), nickel (Ni), and tantalum (Ta) as a material; And a second coating layer provided on the first coating layer using any one of nitrogen (N 2 ), ammonia (NH 3 ), oxygen (O 2 ), boron (B) and methane (CH 4 ) as reaction gases.
Description
본 발명은, 내부식 및 내구성 향상을 위한 다층보호막이 증착된 연료전지용 금속분리판 및 증착방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 금속분리판용 모재에 코팅되는 코팅층을 복수의 층으로 마련한 연료전지용 금속분리판 및 증착방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal separator for a fuel cell and a deposition method for depositing a multilayer protective film for improving corrosion resistance and durability. More particularly, the present invention relates to a metal separator for a fuel cell comprising a metal layer for a fuel cell A separation plate and a deposition method.
연료전지의 기본적인 구조는 전극과 촉매층, 기체 확산층으로 구성된 전해질-전극 복합체와 분리판이 교대로 반복 적층되어 있다.The basic structure of a fuel cell is an electrolyte-electrode composite composed of an electrode, a catalyst layer, and a gas diffusion layer, and a separator plate alternately laminated repeatedly.
연료전지 중 고분자 고체 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기를 직접 생산하는 발전 장치이다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a power generation device that produces electricity directly by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
고분자 고체 전해질 연료전지에서는 양극(anode)을 통해 수소가 공급되고, 음극(cathode)으로는 산소가 공급된다. 양극으로 공급된 수소는 전해질의 양쪽에 구성된 전극층에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 수소이온은 전해질 막을 통과하여 음극으로 전달되며, 전자의 경우 분리판을 통해 외부 도선을 통한 포집이 이루어져서 전류를 생성시킨다. 그리고 음극으로 전달된 수소이온은 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물이 형성된다.In a polymer solid electrolyte fuel cell, hydrogen is supplied through the anode and oxygen is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode is separated into hydrogen ions and electrons by the electrode layer formed on both sides of the electrolyte. Hydrogen ions are transmitted to the cathode through the electrolyte membrane. In the case of electrons, the hydrogen ions are collected through the outer conductor through the separator, Respectively. The hydrogen ions transferred to the cathode meet with oxygen in the supplied air to form water.
분리판은 발생한 전류의 수집 및 전달, 수소와 산소의 직접 접촉을 막아 폭발 및 연소의 위험을 방지하고, 반응 가스 및 생성물의 수송, 반응열 전달, 각 전극 및 촉매, 기체 확산층의 접합을 이루기 위한 구조체 역할을 한다.The separation plate is a structure for collecting and delivering the generated current, preventing the danger of explosion and combustion by preventing direct contact between hydrogen and oxygen, transporting reaction gas and product, transferring heat of reaction, bonding of each electrode and catalyst, It plays a role.
이에 따라 연료 전지의 핵심 부품인 분리판은 기체투과율이 낮고, 전기전도성, 열전도성, 화학적 안정성이 요구된다.Accordingly, the separator, which is a core component of the fuel cell, requires low gas permeability, electrical conductivity, thermal conductivity, and chemical stability.
현재 사용되는 분리판은 흑연계 입자와 수지를 섞은 후 압출, 성형, 가공하여 제작된다. 그러나 흑연계 분리판은 기계적으로 취성을 갖고 기체밀폐성이 떨어져서 일정 두께 이상으로 제작해야 하고, 제조 시 절차가 복잡하고 양산성이 낮은 문제가 있다.Currently used separator plates are made by extruding, molding and processing after mixing graphite particles and resin. However, the graphite separator is mechanically brittle and hermetically sealed, so that it must be manufactured to a certain thickness or more, and the manufacturing procedure is complicated and the mass production is low.
또한 흑연계 분리판을 적층한 전체 연료전지 스택(stack)의 크기와 무게가 증가하고, 외부 충격에 취약하며 제조원가가 높아지는 단점이 있다.Also, the size and weight of the entire stack of fuel cell stacks stacked with the graphite separator are increased, the fuel cells are vulnerable to external impact, and the production cost is increased.
최근 들어 흑연계 분리판을 금속 분리판으로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 금속계 분리판을 응용 시 분리판의 두께를 1/30 이하로 감소가 가능하며, 비용, 생산성, 기계적 강도면에서 우수한 장점이 있다.In recent years, studies have been actively conducted to replace a graphite separator with a metal separator. The thickness of the separator plate can be reduced to 1/30 or less when the metal separator plate is applied, and it is advantageous in terms of cost, productivity, and mechanical strength.
그러나 고분자 고체 전해질 연료전지에 금속계 분리판을 적용 시 전해질 및 기체 확산층을 이루는 고분자 내에 양이온 교환능력을 갖는 술폰산(sulfonic acid) 작용기가 존재하며, 술폰산 작용기는 연료전지 운전 중 약 1M 농도의 황산으로 작용하게 되어 금속의 부식을 촉진시킨다.However, when a metal separator is applied to a polymer solid electrolyte fuel cell, a sulfonic acid functional group having a cation exchange ability exists in the polymer constituting the electrolyte and a gas diffusion layer. The sulfonic acid functional group acts as sulfuric acid at a concentration of about 1M during operation of the fuel cell Thereby promoting corrosion of the metal.
부식에 의한 금속산화물은 전기 절연체로 작용하며, 이때 해리되어 나오는 금속 양이온은 촉매층의 고분자 전해질을 오염시키므로 연료전지의 성능을 감소시키게 된다.The metal oxide due to corrosion acts as an electrical insulator, and dissociated metal cations pollute the polymer electrolyte in the catalyst layer, thereby reducing the performance of the fuel cell.
일본특개평 제11-162478호, 제10-228914호, 미국특허 제6372376호, 제 6967065호 그리고 유럽특허 제1,5111,105호에는 표면에 금과 같은 귀금속 도금을 하거나 또는 백금족 금속의 산화물을 코팅하여 내식성 및 전기전도성을 확보하는 방법이 개시되어 있으나, 제조비용이 비싸고 핀홀(pin hole;미소한 기공 또는 작은 구멍)과 같은 결함이 발생하여 실용화 단계에 이르기에는 한계가 있다.Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 11-162478, 10-228914, USP 6372376, 6967065 and European Patent No. 1,5111,105 disclose a method in which a surface is plated with a noble metal such as gold or an oxide of a platinum group metal A method of securing corrosion resistance and electrical conductivity by coating is disclosed. However, it is expensive to manufacture, and defects such as pin holes (minute pores or small holes) are generated, so that there is a limit to reach a practical stage.
일본특개 제2003-276249호 및 제2003-272653호에는 초박막 금도금을 시행하여 공정비용을 낮추는 방법이 개시되어 있으나, 금도금의 경도가 낮기 때문에 금속분리판이 전극에 접촉할 금 박막층에 손상이 발생할 가능성이 높고, 이 부위를 통한 부식이 쉽게 일어나게 된다.Japanese Unexamined Patent Publication Nos. 2003-276249 and 2003-272653 disclose a method of lowering the processing cost by performing ultra thin gold plating. However, since the hardness of the gold plating is low, there is a possibility of damage to the gold thin film layer It is high, and corrosion through this part is easy.
미국특허 제6649031호에는 흑연 에멀전과 알루미늄 또는 티타늄 산화물 등을 다층으로 코팅하여 흑연과 금속의 복합 분리막을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 방법은 공정이 복잡하고 물리적 충격 또는 진동 등에 의해 복합재가 박리되는 문제가 있다.U.S. Patent No. 6649031 discloses a method of coating a composite membrane of graphite and metal by coating a graphite emulsion with aluminum or titanium oxide in multiple layers. However, this method has a complicated process and has a problem that the composite material is peeled off due to physical shock or vibration.
한국특허공개공보 제2008-0114113호에는 금속 분리판 모재의 표면을 니켈 중간층과 함께 크롬 코팅한 후 크롬 코팅층의 질화처리를 통해 질화물을 형성시키는 방법이 개시되어 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2008-0114113 discloses a method of forming a nitride through a nitriding treatment of a chromium coating layer after chromium coating the surface of a metal separator base material together with a nickel intermediate layer.
크롬층과 크롬 질화층은 각각 내식성이 우수한 보호 피막이나 핀홀 등의 표면 결함은 부식 반응에 취약할 뿐 아니라 일단 내부 모재까지 부식이 진행될 경우 모재와 크롬층 간의 박리 현상이 일어날 가능성이 높다.The chromium layer and the chromium nitride layer are susceptible to surface corrosion such as protective coatings and pinholes, which are excellent in corrosion resistance, and are susceptible to the corrosion reaction. In addition, when corrosion occurs to the inner base material, peeling between the base metal and the chromium layer is likely to occur.
연료전지의 특성상 적층된 분리판 중 한 장만 불량이 발생해도 전체 연료전지의 특성을 열화시키므로 분리판의 내부식 특성이 저하될 경우 연료전지의 수명이 다하게 된다.Due to the characteristics of the fuel cell, even if only one of the laminated plates fails, the characteristics of the entire fuel cell deteriorate, so that if the internal property of the separating plate is lowered, the lifetime of the fuel cell is shortened.
따라서 금속 분리판의 내부식 코팅층의 내구성을 향상시킬 필요가 있으며, 크롬 및 질화층의 단일 조합을 보완할 필요성이 있다.Therefore, it is necessary to improve the durability of the inner coating layer of the metal separator, and there is a need to compensate for a single combination of chromium and nitride layers.
특히 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition; 이하 PVD법이라 함)에 의해 증착된 크롬 또는 기타 금속 박막의 경우 증착 조건의 물리적 특성상, 도 1에 도시된 바와 같이, 주상정 조직(columnar structure)으로 박막이 성장하게 된다.Particularly, in the case of chromium or other metal thin films deposited by physical vapor deposition (hereinafter referred to as PVD), as shown in FIG. 1, due to the physical properties of the deposition conditions, Growth.
이 경우 주상정 조직내의 입계(grain boundary)를 따라 부식액의 침투가 가능하여 부식을 가속시키는 경로가 된다. 따라서 양산성이 높은 PVD법을 이용하여 내식성 보호피막을 제조할 경우 박막의 주상정 조직의 형성을 막아줄 필요가 있다.In this case, it is possible to penetrate the corrosion boundary along the grain boundary in the columnar structure, thereby accelerating the corrosion. Therefore, it is necessary to prevent the formation of the main phase structure of the thin film when the protective film is formed using the PVD method, which is highly mass-produced.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연료전지의 금속분리판용 모재의 표면에 복수의 코팅막을 마련하여 박막의 주상정 조직의 성장을 막고, 단일 박막층에 부식이 발생되어도 2차 부식의 발생을 차단하여 내부식성과 내구성이 향상된 연료전지용 금속분리판 및 증착방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which a plurality of coating films are provided on a surface of a base material for a metal separator of a fuel cell to prevent the growth of the main phase structure of the thin film and to prevent the secondary corrosion from occurring even if corrosion occurs in the single thin film layer. To provide a metal separator for a fuel cell and a deposition method which are improved in corrosion resistance and durability.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지용 금속분리판에 있어서, 금속분리판용 모재에 복수의 층으로 마련되는 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은, 크롬(Cr), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나를 재료로 상기 모재에 코팅되는 제1 코팅층; 및 질소(N2), 암모니아(NH3), 산소(O2), 붕소(B) 및 메탄(CH4) 중 어느 하나를 반응가스로 하여 상기 제1 코팅층에 마련되는 제2 코팅층을 포함하는 연료전지용 금속분리판이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a metal separator for a fuel cell, comprising a coating layer provided in a plurality of layers on a base material for a metal separator, wherein the coating layer is made of chromium (Cr), titanium (Ti), zirconium (Zr) , Tungsten (W), nickel (Ni), and tantalum (Ta) as a material; And nitrogen (N 2), ammonia (NH 3), oxygen (O 2), boron (B) and methane (CH 4) to the one with the reaction gas in a second coating layer provided on the first coating layer A metal separator plate for a fuel cell may be provided.
상기 제1 코팅층의 두께는 700~800nm일 수 있다.The thickness of the first coating layer may be 700 to 800 nm.
상기 제2 코팅층의 두께는 700-800nm일 수 있다.The thickness of the second coating layer may be 700-800 nm.
또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 금속분리판용 모재의 표면에 크롬(Cr), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나를 코팅하여 제1 코팅층을 마련하는 제1 코팅층마련단계; 및 상기 제1 코팅층의 표면에 질소(N2), 암모니아(NH3), 산소(O2), 붕소(B) 및 메탄(CH4) 중 어느 하나를 반응가스로 하여 제2 코팅층을 마련하는 제2 코팅층마련단계를 포함하며, 상기 제1 코팅층마련단계 및 상기 제2 코팅층마련단계는 순차적으로 복수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 증착방법이 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, any one of chromium (Cr), titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten (W), nickel (Ni), and tantalum (Ta) A first coating layer providing step of providing a first coating layer; And nitrogen (N 2) to a surface of the first coating layer, an ammonia (NH 3), oxygen (O 2), to any one of boron (B) and methane (CH 4) as a reaction gas to provide a second coating layer A second coating layer providing step, and a second coating layer providing step, wherein the first coating layer preparing step and the second coating layer preparing step are sequentially performed in plural.
상기 제1 코팅층은 증발법에 의해 마련될 수 있다.The first coating layer may be provided by an evaporation method.
상기 크롬은 열증발법에 의해 상기 모재에 코팅되고, 상기 텅스텐, 탄탈륨, 티탄 및 지르코늄은 전자선 증발법에 의해 상기 모재에 코팅될 수 있다.The chromium is coated on the base material by a thermal evaporation method, and the tungsten, tantalum, titanium and zirconium can be coated on the base material by an electron beam evaporation method.
상기 제2 코팅층은 상기 반응가스를 글로방전에 의해 이온화한 다음 반응가스이온을 상기 제1 코팅층에 충돌시키는 플라즈마 이온플레이팅법으로 마련될 수 있다.The second coating layer may be provided by a plasma ion plating method in which the reactive gas is ionized by glow discharge and then the reactive gas ions are collided with the first coating layer.
나아가 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 연료전지용 금속분리판에 있어서, 금속분리판용 모재에 복수의 층으로 마련되는 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은, 크롬(Cr), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나를 재료로 상기 모재에 코팅되는 제1 코팅층; 및 크롬(Cr), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나를 재료로 상기 제1 코팅층에 코팅되되 상기 제1 코팅층의 재료와 서로 다른 재료로 코팅되는 제2 코팅층을 포함하는 연료전지용 금속분리판이 제공될 수 있다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a metal separator for a fuel cell, comprising a coating layer provided in a plurality of layers on a base material for a metal separator, the coating layer being made of chromium (Cr), titanium (Ti), zirconium Zr), tungsten (W), nickel (Ni), and tantalum (Ta) as a material; And at least one of chromium (Cr), titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten (W), nickel (Ni), and tantalum (Ta) is coated on the first coating layer A metal separating plate for a fuel cell including a second coating layer coated with a different material may be provided.
본 발명의 실시예들은, 연료전지의 금속분리판용 모재의 표면에 복수의 코팅막을 마련하여 박막의 주상정 조직의 성장을 막아 양산성이 높은 PVD법을 사용할 수 있고, 단일 박막층에 부식이 발생되어도 2차 부식의 발생을 차단하여 내부식성과 내구성을 향상시킬 수 있다.Embodiments of the present invention can use a PVD method with high mass productivity by providing a plurality of coating films on the surface of a base material for a metal separator of a fuel cell to prevent the growth of the main phase structure of the thin film, and when corrosion occurs in a single thin film layer It is possible to prevent secondary corrosion and improve corrosion resistance and durability.
도 1은 일반적인 PVD법에 의해 성막된 질화크롬(CrN) 피막의 단면으로 주상정 조직을 대표하는 전자 현미경의 이미지이다.
도 2는 본 실시예에 따른 금속분리판용 모재의 표면에 1차 코팅층과 2차 코팅층이 복수의 층으로 마련된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 이온 플레이팅법에 의해 크롬으로 1차 코팅층을 마련하고 이후 암모니아(NH3) 플라즈마로 1차 코팅층의 표면을 질화 처리하는 공정을 반복하여 성막된 크롬과 질화크롬의 다층 코팅층 박막의 단면 전자 현미경 이미지이다.
도 4은 도 3에 도시된 다층 코팅층의 박막층에 대해 피막의 깊이 방향으로 원소 비율을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 열증발원과 전자선 증발원이 장착되고 별도의 플라즈마 발생을 위한 RF 안테나가 삽입된 이온 플레이팅 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시 예에서 1차 코팅층의 증착 작업이 이루어지는 공간과 2차 코팅층의 표면처리가 이루어지는 공간을 분리하여 연속적 공정이 가능한 양산형 인라인 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.FIG. 1 is an electron microscope image representative of a columnar structure as a cross section of a chromium nitride (CrN) film formed by a general PVD method.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a primary coating layer and a secondary coating layer are provided on a surface of a base material for a metal separator according to the present embodiment in a plurality of layers.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between chromium and nitridation of a film formed by repeating the process of providing a primary coating layer with chromium by ion plating method and nitriding the surface of the primary coating layer with an ammonia (NH 3 ) plasma according to an embodiment of the present invention. Section electron microscope image of the multilayer coating film of chromium.
FIG. 4 is a graph showing the result of analyzing the element ratio in the depth direction of the coating film of the multilayer coating layer shown in FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a schematic view of an ion plating apparatus in which an RF antenna for generating a plasma is installed and a source of heat generation and electron beam evaporation is installed.
FIG. 6 is a view schematically showing a mass-production inline system capable of performing a continuous process by separating a space in which the deposition of the primary coating layer is performed and a space in which the surface treatment of the secondary coating layer is performed in this embodiment.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
도 2는 본 실시예에 따른 금속분리판용 모재의 표면에 1차 코팅층과 2차 코팅층이 복수의 층으로 마련된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 이온 플레이팅법에 의해 크롬으로 1차 코팅층을 마련하고 이후 암모니아(NH3) 플라즈마로 1차 코팅층의 표면을 질화 처리하는 공정을 반복하여 성막된 크롬과 질화크롬의 다층 코팅층 박막의 단면 전자 현미경 이미지이고, 도 4은 도 3에 도시된 다층 코팅층의 박막층에 대해 피막의 깊이 방향으로 원소 비율을 분석한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 열증발원과 전자선 증발원이 장착되고 별도의 플라즈마 발생을 위한 RF 안테나가 삽입된 이온 플레이팅 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a primary coating layer and a secondary coating layer are provided in a plurality of layers on a surface of a base material for a metal separator according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross- Sectional electron microscope image of a thin film of a multilayer coating layer of chromium and chromium nitride formed by repeating the process of providing a primary coating layer with chromium by a deposition method and then nitriding the surface of the primary coating layer with an ammonia (NH 3 ) plasma, FIG. 5 is a graph showing the result of analyzing the element ratio in the depth direction of the coating layer of the multilayer coating layer shown in FIG. 3, and FIG. Lt; RTI ID = 0.0 > ion plating < / RTI >
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지용 금속분리판(1)은, 금속분리판용 모재(10)와, 금속분리판용 모재(10)에 복수의 층으로 마련되는 코팅층(20)을 구비한다.As shown in these drawings, the
금속분리판용 모재(10)는, 수소와 산소의 직접 접촉을 막아 폭발 및 연소의 위험을 방지하고 발생된 전류를 수집 및 전달 등을 하는 것으로서, 냉각수 유로와 가스 유로를 각각 양면에 형성시킨 금속판의 접합체로 구성되며, 접합체는 냉각수 유로가 마주보도록 하여 접합될 수 있다.The
또한, 금속분리판용 모재(10)는 냉각수 유로가 형성될 필요가 없는 경우 가스 유로가 양면에 형성된 금속판의 접합체로 구성될 수 있다.In addition, the
본 실시 예에서 금속분리판용 모재(10)는 0.1~0.2mm의 상업용 스테인레스 소재, Ti 또는 Ti 합금, Al 또는 Al 합금, Cu 또는 Cu 합금 및 저합금강 중 어느 하나를 포함하는 소재로 제작될 수 있다.In the present embodiment, the
본 실시 예는 종래의 흑연계 분리판 대신 금속분리판용 모재(10)를 채택하여 스택의 부피 및 무게를 감소시킬 수 있고, 강도가 향상되어 운전 시 충격에 의해 연료전지의 성능에 문제가 발생되는 것을 방지할 수 있다.The present embodiment can reduce the volume and weight of the stack by adopting the
코팅층(20)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속분리판용 모재(10)에 복수의 층으로 마련되며, 금속분리판용 모재(10)의 상측부 표면에 코팅되는 제1 코팅층(21)과, 제1 코팅층(21)의 상측부에 마련되는 제2 코팅층(23)을 포함한다.As shown in FIG. 2, the
본 실시 예는 코팅층(20)을 제1 코팅층(21)과 제2 코팅층(23)을 순차적으로 복수로 코팅시켜 마련하므로 박막의 주상정 조직의 성장을 막아 양산성이 높은 PVD법을 사용할 수 있고, 단일 박막층에 부식이 발생되어도 2차 부식의 발생을 차단하여 내부식성과 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.Since the
코팅층(20)의 제1 코팅층(21)은, 크롬(Cr), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나를 재료로 금속분리판용 모재(10)에 증발법(Evaporation method)의해 코팅될 수 있다.The
구체적으로 저압에서 승화되는 성질을 갖는 물질인 크롬(Cr)은 열증발법(Thermal Evaporating method)에 의해 금속분리판용 모재(10)에 코팅될 수 있고, 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta) 등과 같이 녹는 점이 높은 원소의 경우 전자선 증발법(E-beam Evaporating method)을 이용하여 원소를 기화시켜 금속분리판용 모재(10)에 증착시킬 수 있다.Specifically, chromium (Cr), which is a material having a property of sublimating at low pressure, can be coated on the
본 실시 예에서 제1 코팅층(21)은 코팅층의 덮힘 특성과 제2 코팅층(23)의 작업시에 제1 코팅층(21)에서 박리가 일어나는 것을 최소화시키기 위해 그 두께를 700~800nm의 범위로 마련할 수 있다.In this embodiment, the
코팅층(20)의 제2 코팅층(23)은, 전술한 증발법으로 기화시킨 용기내의 분위기를 질소 플라즈마, 산소 플라즈마, 붕소 플라즈마 또는 탄소 플라즈마로 여기시킴으로써 원소의 질화, 산화, 붕화 또는 탄화를 선택적으로 화학반응시켜 마련될 수 있다.The
즉 본 실시 예에서 제2 코팅층(23)은 질소(N2), 암모니아(NH3), 산소(O2), 붕소(B) 및 메탄(CH4) 중 어느 하나를 반응가스로 하여 도 5에 도시된 이온 플레이팅 장치(A)에서 플라즈마 이온플레이팅법에 의해 제1 코팅층(21)에 표면처리될 수 있다. 여기서 도면부호 GD는 가스 분배기를, TE는 열증발기(Thermal Evaporator)를, EE는 전자선 증발기(E-beam Evaporator)를, P는 유도결합플라즈마 안테나를 나타낸다.I.e. even if any one of the
본 실시 예에서 제2 코팅층(23)은 코팅층의 덮힘 특성과 박리가 일어나는 것을 최소화시키기 위해 그 두께를 700~800nm의 범위로 마련할 수 있다.In this embodiment, the thickness of the
이하에서 본 실시 예에서 금속분리판용 모재(10)에 코팅층(20)을 마련하는 방법을 간략히 설명한다.Hereinafter, a method of providing the
본 실시 예에 따른 연료전지용 금속분리판의 증착방법은 금속분리판용 모재(10)의 표면에 크롬(Cr)을 포함하는 원소를 코팅하여 제1 코팅층(21)을 마련하고, 제1 코팅층(21)의 표면에 질소 또는 암모니아를 포함하는 반응가스를 매개로 제1 코팅층(21)을 질화 처리 등으로 처리하여 제2 코팅층(23)을 마련하고, 전술한 제1 코팅층(21) 및 제2 코팅층(23)을 마련하는 순서를 반복해서 이루어진다.In the method of depositing a metal separator for a fuel cell according to this embodiment, a
도 4는 크롬(Cr)을 원소로 제1 코팅층(21)을 마련한 후 암모니아와 아르곤을 4대 1의 비율로 유량제어를 하며 발생시킨 플라즈마로 크롬 표면을 질화 처리하는 공정을 반복한 후 제조된 피막의 깊이 방향으로 원소 비율을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the results of the nitriding treatment of the chromium surface with the plasma generated by controlling the flow rate of ammonia and argon at a ratio of 4: 1 after providing the
이에 따른 공정 조건은 다음과 같다. 크롬의 증발 조건은 200A의 전류와 10V의 전압으로 저항 가열을 형성하고, 가스의 조합의 경우 크롬 증착시는 Ar을 7 sccm으로, 질화크롬의 증착시는 Ar을 7 sccm, NH3을 25 sccm으로 한다.The process conditions are as follows. The evaporation conditions of chromium were resistance heating with a current of 200 A and a voltage of 10 V. In the case of combination of gases, Ar was set to 7 sccm for chromium deposition, 7 sccm for Ar, and 25 sccm for NH 3 for deposition of chromium nitride .
그리고 공정압력은 30 mTorr로, 유도결합플라즈마 안테나에 공급되는 전력은 300W로, 증착시간의 경우 크롬 증착시는 60초로 질화크롬의 증착시는 60초로 한다.The process pressure is 30 mTorr and the power supplied to the inductively coupled plasma antenna is 300 W. The deposition time is 60 seconds for chromium deposition and 60 seconds for chromium nitride deposition.
마지막으로 크롬과 질화크롬의 증착 두께는 전술한 바와 같이 각각 700-800nm로 한다.Finally, the deposition thicknesses of chromium and chromium nitride are 700 to 800 nm, respectively, as described above.
한편 본 실시 예는, 도 6에 도시된 바와 같이, 열 증발기(TE)에 의해 제1 코팅층(21)의 증착 작업이 이루어지는 공간과 유도결합플라즈마 안테나(P)에 의해 제2 코팅층(23)의 표면처리가 이루어지는 공간을 분리하여 연속적 공정이 가능하도록 할 수 있다.6, a space in which the deposition of the
또한 본 실시 예는 원소재와 화합물로 코팅층(20)을 마련시키는 방법에 국한되지 않고 이원계 물질간 코팅층을 마련할 수도 있다.In addition, the present embodiment is not limited to a method of providing the
즉 본 실시 예에서 금속분리판용 모재(10)에 복수의 층으로 마련되는 코팅층은, 크롬(Cr), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나를 재료로 금속분리판용 모재(10)에 코팅되는 제1 코팅층과, 크롬(Cr), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나를 재료로 제1 코팅층에 코팅되되 제1 코팅층의 재료와 서로 다른 재료로 코팅되는 제2 코팅층을 포함한다.That is, in this embodiment, the coating layer provided on the
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시 예는 연료전지의 금속분리판이 지닌 내식성과 내구성을 향상시켜 흑연재에서 금속재로 대체가 가능하며, 연료전지의 금속분리판용 모재의 표면에 복수의 코팅막을 마련하여 박막의 주상정 조직의 성장을 막아 양산성이 높은 PVD법을 사용할 수 있고, 단일 박막층에 부식이 발생되어도 2차 부식의 발생을 차단하여 내부식성과 내구성을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present embodiment, the corrosion resistance and durability of the metal separator of the fuel cell can be improved and the graphite material can be replaced with a metal material. Further, a plurality of coating films are provided on the surface of the metal separator plate of the fuel cell, It is possible to use the PVD method which is highly mass-producible by preventing the growth of the columnar structure, and it is possible to prevent the secondary corrosion even when the single thin film layer is corroded, thereby improving the corrosion resistance and the durability.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Accordingly, such modifications or variations are intended to fall within the scope of the appended claims.
1 : 연료전지용 금속분리판 10 : 금속분리판용 모재
20 : 코팅층 21 : 제1 코팅층
23 : 제2 코팅층 A : 이온 플레이팅장치
EE : 전자선 증발기 GD : 가스 분배기
P : 유도결합플라즈마 안테나 TE : 열증발기1: Metal separator for fuel cell 10: Base metal for separator
20: Coating layer 21: First coating layer
23: Second coating layer A: Ion plating device
EE: Electron beam evaporator GD: Gas distributor
P: Inductively coupled plasma antenna TE: Thermal evaporator
Claims (8)
상기 제1 코팅층의 표면에 질소(N2), 아르곤(Ar), 암모니아(NH3), 산소(O2), 붕소(B) 및 메탄(CH4) 중 적어도 하나를 반응가스로 하여 제2 코팅층을 마련하는 제2 코팅층마련단계를 포함하며,
상기 제1 코팅층마련단계 및 상기 제2 코팅층마련단계는 순차적으로 복수로 이루어지고,
상기 제2 코팅층은 암모니아와 아르곤을 4대 1의 비율로 유량제어를 하여 발생시킨 플라즈마로 크롬 표면을 처리하여 마련되고,
열 증발기에 의해 상기 제1 코팅층의 증착 작업이 이루어지는 공간과 유도결합플라즈마 안테나에 의해 상기 제2 코팅층의 표면처리가 이루어지는 공간을 분리하여 연속적 공정이 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 증착방법.A first coating layer is formed by coating any one of chromium (Cr), titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten (W), nickel (Ni) and tantalum (Ta) Preparing a coating layer; And
Wherein at least one of nitrogen (N 2 ), argon (Ar), ammonia (NH 3 ), oxygen (O 2 ), boron (B), and methane (CH 4 ) is used as a reactive gas on the surface of the first coating layer And a second coating layer providing step of providing a coating layer,
The first coating layer preparing step and the second coating layer preparing step are sequentially performed in plural,
The second coating layer is formed by treating the chromium surface with a plasma generated by controlling the flow rate of ammonia and argon at a ratio of 4: 1,
Wherein a space in which the deposition of the first coating layer is performed by the thermal evaporator and a space in which the surface treatment of the second coating layer is performed by the inductively coupled plasma antenna can be separated and a continuous process can be performed .
상기 제1 코팅층의 두께는 700~800nm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 증착방법.The method according to claim 1,
Wherein the first coating layer has a thickness of 700 to 800 nm.
상기 제2 코팅층의 두께는 700-800nm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 증착방법.The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the second coating layer is 700-800 nm.
상기 크롬은 열증발법에 의해 상기 모재에 코팅되고,
상기 텅스텐, 탄탈륨, 티탄 및 지르코늄은 전자선 증발법에 의해 상기 모재에 코팅되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 증착방법.The method according to claim 1,
The chromium is coated on the base material by a thermal evaporation method,
Wherein the tungsten, tantalum, titanium and zirconium are coated on the base material by an electron beam evaporation method.
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