KR101486628B1

KR101486628B1 - 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101486628B1
Application number: KR20120040489A
Authority: KR
Inventors: 영하 전; 여기호
Original assignee: (주)제이 앤 엘 테크
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2015-02-13
Also published as: KR20130117551A

Abstract

본 발명은 연료전지 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 강도, 기체 차단성 및 치수정밀도가 모두 우수한 스테인레스스틸 모재 기판에 전도성과 내식성을 양립시키기 위해, 특수 표면처리를 실시하여 우수한 물성을 제공하고, 공정을 단순신속화 하여 양산성을 구비하게 하고자 한 것이다.
이에 따라 본 발명은, 스테인레스스틸로 된 모재 기판 표면에 나노 사이즈 두께로 흑연 상 카본을 PVD 또는 PECVD로 코팅한 연료전지 분리판을 제작하였다.

Description

지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판 및 그 제조방법{FUEL CELL BIPOLAR PLATE FOR LOCAL STRUCTURE, BUILDING AND MOBILE DEVICES AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 스테인레스스틸을 모재 기판으로 하여 전도성과 내식성을 모두 구비하도록 특수 표면처리 한, 연료전지 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소가 촉매 존재하에 반응하여 물과 에너지를 생성하는 연소 반응에 근거한 친환경 신 재생 에너지원 중 하나이다. 전기에너지를 특별한 공해 물질 없이 생성할 수 있으며, 발생 되는 열을 합하면 매우 고효율을 나타내는 장점도 지닌다.

이러한 연료전지에 필수적인 부품으로 연료전지 분리판이 있으며, 연료전지 분리판이 구비해야 하는 물성으로는, 강도, 내식성, 기체 차단성, 전도성 및 치수정밀도 등이 있다. 또한, 연료전지 자체의 실용성을 고려할 때, 연료전지 분리판은 양산에 적합한 제조공정설계를 요한다.

현재, 상기와 같은 요건에 맞추어 개발되고 있는 연료전지 분리판은 카본재에 수지코팅을 하는 것과 금속재에 표면처리를 하는 것으로 두 가지 모재를 중심으로 경쟁 발전하고 있으며, 본 발명은 강도, 기체 차단성, 전도성 및 치수정밀도가 우수한 스테인레스스틸을 모재로 한 범주에 속한다.

스테인레스스틸을 모재로 할 경우, 내식성과 더불어 전도성 또한 우수하여야 하며, 이 두 가지 특성은 사실상 양립이 어려운 면이 있다. 기존에는 대개 스테인레스스틸 모재에 대하여 질화 처리로 표면 개질을 하는 것이 연구의 주류를 이루었으나, 비용면에서나 물성면에서 실용화할 만큼 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 스테인레스스틸을 모재로 한 연료전지 분리판에 대하여, 새로운 물질을 코팅하여 요구되는 물성을 구비하게 하면서, 공정의 단순화로 양산성 및 비용 절감을 이루고자 하는 것이다.

이에 따라, 본 발명은, 스테인레스스틸로 된 모재 기판 표면에 나노 사이즈 두께로 흑연 상 카본을 코팅한 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판을 제작하였다.

또한, 본 발명은, 상기 흑연 상 카본 층의 두께는, 1 내지 100nm 이하로 한 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판을 제공한다.

또한, 본 발명은,

진공 챔버 안에 스테인레스스틸 모재 기판을 장입하고,

진공 챔버 내부를 진공화하고 가열하며,

탄화수소 가스와 비활성 가스를 진공 챔버 내에 넣고, 플라즈마를 생성하여 스테인레스스틸 모재 기판 표면에 나노 사이즈 두께로 흑연 상 카본층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은,

진공 챔버 안에 스테인레스스틸 모재 기판과 고체 카본 타깃을 장입하고,

진공 챔버 내부를 진공화하고 가열하며,

비활성 가스를 진공 챔버 내에 넣고, 플라즈마를 생성하여 스테인레스스틸 모재 기판 표면에 나노 사이즈 두께로 흑연 상 카본층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 챔버 내 공정 온도를 200 내지 1000℃로 하는 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 챔버 내 공정 압력을 10^-1 내지 10^-5 Torr로 하는 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 방법에 있어서, 플라즈마 생성 수단으로 이온 건을 사용하고, 상기 이온 건에는 이온 건 가열용 히터를 구비한 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 스테인레스스틸 모재 기판에 흑연 상 카본을 나노 스케일 박막으로 단시간 내 코팅하여 내식성과 전도성을 모두 구비한 연료전지 분리판을 단순화된 공정으로 양산성 있게 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 사용된 이온 건 가열용 히터의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 사용된 이온 건의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 분리판의 제조방법을 나타내는 개략적인 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 공정 실시 순서도 이다.
도 5는 연료전지분리판 용 스테인레스스틸 모재에 적층 된 박막에 대한 공정온도별 라만 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 연료전지분리판 용 스테인레스스틸 모재에 적층 된 박막에 대한 공정온도별 광 투과도를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 주요 특징은 강도, 기체 차단성 및 치수정밀도가 모두 우수한 스테인레스스틸 모재 기판(100)에 전도성과 내식성을 양립시키기 위해, 특수 표면처리를 실시하는 것으로, 종래 흔히 실시되어 오던 질화 처리와는 전혀 다른 나노 스케일의 흑연 상 카본 층을 코팅하는 것이다.

이러한 나노 스케일의 흑연 상 카본 층을 코팅하기 위해서는, 원료가 되는 탄화수소 가스에 상당한 수준의 에너지를 부여할 필요가 있다. 즉, 고온 환경에서는 수소의 증발로 수소 분율이 낮아져 흑연 상 카본 층이 형성되는 데 유리하다. 이를 위해, 고밀도 고에너지 플라즈마를 생성할 수 있는 이온 건(200)을 사용하였으며, 반응 챔버 내 히터(미 도시)를 설치하여 공정 온도를 올려주는 것이 바람직하다.

또한, 특별히 상기 이온 건(200)에 히터(300, 400)를 장착하여 탄화수소 가스 및 플라즈마 이온들을 활성화시키는 것이 흑연 상 카본 층을 기판(100)에 형성하는데 더욱 유리하게 작용한다.

이온 건(200)에 히터(300, 400)를 장착한 상태를 도 1에 나타내었다. 즉, 도 2를 보면, 이온 건의 가스 공급관에 장착되어 공급 가스를 가열하는 히터(300)와 이온 건(200) 전단에 설치되어 플라즈마 발생 영역을 더욱 고온으로 가열하는 히터(400)가 나타나 있다. 이들 히터(300, 400)를 통하여 탄화수소 가스에 적절한 에너지가 부여되고, 이로써 기판(100) 상에 흑연 상 카본 층이 형성될 수 있게 된다. 그러나, 상기 히터(300, 400)를 설치하지 않고 챔버 내 별도의 히터에 의해서도 동일 목적을 이룰 수 있으므로 히터(300, 400)는 선택적이다.

이온 건(200)의 전체 구성은 도 2에 좀 더 상세히 나타나 있다. 애노드(210) 및 캐소드(220)를 포함하고 마그넷을 포함한 이온 건(200)은 히터로 인해, 탄화수소 가스와 아르곤 가스 및 이들로부터 생성된 플라즈마의 에너지를 높여 더욱 활성화된 플라즈마 입자를 이용하여 흑연 상 카본 층을 형성한다.

도 3은 도 2의 이온 건(200)을 이용하여 기판(100)에 흑연 상 카본 층을 형성하는 모습을 나타내는 모식적인 단면 구성도이다. 히터(300, 400)가 장착된 이온 건(200)에 의하여 활성화된 카본 이온이 생성된 플라즈마에 의한 플라즈마 필드의 작용으로 기판(100) 쪽으로 입사하면서 흑연 상 카본 층으로 적층 된다. 상술한 바와 같이 히터(300, 400) 장착은 선택적으로 할 수 있다.

흑연 상 카본 층의 두께는 나노사이즈의 박막으로 형성하며, 이러한 얇은 두께의 형성은 단시간의 증착 공정으로 완성되므로 공정진행이 빨라 양산에 적합하다.

도 4에는 본 발명의 실시예를 공정 진행 순서에 따른 순서도를 나타내었으며, 이를 중심으로 공정에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 연료전지 분리판 형상으로 가공된 스테인레스스틸 모재 기판(100)을 깨끗이 세척하고, 챔버 안에 장입한다.

챔버 내부는 진공화하여 초기 진공도는 고 진공화하고, 이온 건(200) 가열 히터(300, 400)와 가열 히터를 동작시켜 온도와 압력 조건을 맞추어 공정 분위기를 구현한다.

이온 건(200)을 통하여 먼저 비활성 가스, 예를 들면 아르곤(Ar) 가스를 주입하고, 이를 이용하여 모재 기판(100)을 세정하고 표면을 활성화하는 플라즈마 전처리 단계를 진행한다.

이온 건(200)을 통하여 탄화수소 가스를 주입하여 플라즈마를 생성시켜 흑연 상 카본 층을 모재 기판(100)에 형성한다. 이때, 공정 실시 중 온도를 200 내지 1000 ℃, 바람직하게는, 400 내지 600 ℃로 유지하며, 공정 진행 중 챔버 진공도는 10^-1 내지 10^-5 Torr, 바람직하게는 10^-2 내지 10^-5 Torr로 유지되도록 한다.

흑연 상 카본 층의 두께는 나노사이즈의 박막으로 하며 두께 제어는 증착 공정 시간을 제어하여 이루어지며, 수십 초 정도의 단시간에 공정이 완성된다. 흑연 상 카본 층의 두께는 수십 nm, 즉, 1 내지 100nm 일 수 있으며, 상기 범위 안에서 경제성, 생산성 및 두께에 따른 물성 변화를 고려하여 아주 얇은 층으로 하거나 다소 두께를 갖는 층으로 할 수 있다.

상기 공정은 PECVD 공정이나, 이를 변형하여 카본 타깃을 이용한 PVD 공정으로 실시하여도 동일한 결과물을 얻을 수 있다.

또한, 기판(100)에는 바이어스 전압을 인가하여 공정 효율을 더 높이고 박막의 품질도 더 높일 수 있다.

또한, 상기 공정에서 플라즈마 발생에 필요한 전력의 인가는 DC 전원, AC 전원, 펄스 전원을 선택적으로 택할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 플라즈마 발생에 필요한 전압은 직류로 1000 내지 2500 V를 인가하였고, 바이어스 전압으로는 50 내지 350 KHz 주파수의 교류 전압으로 -50 내지 -200V를 인가하였다. 상기 수치는 예시적이며, 플라즈마 발생원의 전력 수치, 기판(100)에 인가하는 바이어스 전압의 수치 등은 당업자에게 자명한 사항으로 필요에 따라 변경될 수 있으므로 특별히 한정하지 않는다.

도 5는 연료전지분리판 용 스테인레스스틸 모재에 적층 된 박막에 대한 공정온도별 라만 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 스테인레스스틸 모재에 박막을 적층함에 있어, 상온에서 공정을 실시하는 경우에는 수소 분율이 높아 비 정질의 a-C:H 구조가 나타나나, 이와 대비하여 본 발명의 실시예에 따라 고온에서 박막을 제작한 경우, 전도성의 흑연 상 카본 층(이를 미세 결정질 흑연(μc-graphite)이라고도 한다)이 형성되었음을 확인할 수 있다.

또한, 도 6은 연료전지분리판 용 스테인레스스틸 모재에 적층 된 박막에 대한 공정온도별 광 투과도를 나타낸 그래프로, 여기에서도, 상온 공정의 경우보다 본 발명의 고온 공정의 경우, 박막의 광 투과도가 낮게 나타나, 전도성 흑연 상 카본 층이 형성되었음을 확인할 수 있다.

상기와 같이 형성된 나노사이즈의 흑연 상 카본 층을 갖는 연료전지 분리판은 우수한 물성을 가지며 공정의 단순화 및 신속성으로 가격 경쟁력이 있다.

본 발명의 연료전지 분리판은 자동차용, 선박용 등의 수송용과 지역용, 건물용, 모바일 기기용 등 다양하게 사용될 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 기판
200: 이온 건
210: 애노드
220: 캐소드
300, 400: 히터

Claims

진공 챔버 안에 스테인레스스틸 모재 기판을 장입하고,
진공 챔버 내부를 진공화하고 가열하며,
비활성 가스를 주입하고, 이를 이용하여 모재 기판을 세정하고 표면을 활성화하는 플라즈마 전처리를 실시하고,
탄화수소 가스와 비활성 가스를 진공 챔버 내에 넣고, 플라즈마를 생성하여 스테인레스스틸 모재 기판 표면에 1 내지 100nm의 나노 사이즈 두께로 전도성 흑연 상 카본층을 코팅하되,
챔버 내 공정 온도를 200 내지 1000℃로 하여 흑연상 카본층이 미세 결정질로 형성되어 코팅층이 전도성을 나타내도록 제조된 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판.
삭제
진공 챔버 안에 스테인레스스틸 모재 기판을 장입하고,
진공 챔버 내부를 진공화하고 가열하며,
비활성 가스를 주입하고, 이를 이용하여 모재 기판을 세정하고 표면을 활성화하는 플라즈마 전처리를 실시하고,
탄화수소 가스와 비활성 가스를 진공 챔버 내에 넣고, 플라즈마를 생성하여 스테인레스스틸 모재 기판 표면에 1 내지 100nm의 나노 사이즈 두께로 전도성 흑연 상 카본층을 코팅하되,
챔버 내 공정 온도를 200 내지 1000℃로 하여 미세 결정질의 흑연상 카본층을 코팅하여 코팅층이 전도성을 나타내게 하는 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법.
삭제
제3항에 있어서, 챔버 내 공정 압력을 10^-1 내지 10^-5 Torr로 하고, 플라즈마 발생에 필요한 전압은 직류로 1000 내지 2500 V를 인가하고, 기판 바이어스 전압으로는 50 내지 350 KHz 주파수의 교류 전압으로 -50 내지 -200V를 인가하는 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법.
진공 챔버 안에 스테인레스스틸 모재 기판과 고체 카본 타깃을 장입하고,
진공 챔버 내부를 진공화하고 가열하며,
비활성 가스를 주입하고, 이를 이용하여 모재 기판을 세정하고 표면을 활성화하는 플라즈마 전처리를 실시하고,
비활성 가스를 진공 챔버 내에 넣고, 플라즈마를 생성하여 스테인레스스틸 모재 기판 표면에 1 내지 100nm의 나노 사이즈 두께로 전도성 흑연 상 카본층을 코팅하되,
챔버 내 공정 온도를 200 내지 1000℃로 하여 미세 결정질의 흑연상 카본층을 코팅하여 코팅층이 전도성을 나타내게 하는 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법.
삭제
제6항에 있어서, 챔버 내 공정 압력을 10^-1 내지 10^-5 Torr로 하고, 플라즈마 발생에 필요한 전압은 직류로 1000 내지 2500 V를 인가하고, 바이어스 전압으로는 50 내지 350 KHz 주파수의 교류 전압으로 -50 내지 -200V를 인가하는 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법.
제3항 또는 제6항에 있어서, 플라즈마 생성 수단으로 이온 건을 사용하고, 상기 이온 건에는 이온 건 가열용 히터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 지역용, 건물용 또는 모바일 기기용 연료전지 분리판의 제조방법.