KR101755460B1 - 연료 전지용 분리판 및 연료 전지용 분리판의 제조방법 - Google Patents

연료 전지용 분리판 및 연료 전지용 분리판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판은 분리판의 일면 또는 양면에 위치하는 제 1 탄화금속 코팅층; 상기 제 1 탄화금속 코팅층의 상부에 위치하는 금속 코팅층; 및 상기 금속 코팅층의 상부에 위치하는 제 2 탄화금속 코팅층을 포함하는 것일 수 있다.

Description

연료 전지용 분리판 및 연료 전지용 분리판의 제조방법{SEPERATOR FOR FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
연료 전지용 분리판 및 연료 전지용 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지 스택은 전극막, 분리판, 가스 확산층 그리고 가스켓과 같이 반복적으로 적층되는 부품과 스택모듈을 체결하는데 필요한 체결 기구, 스택을 보호하는 인클로져(Encloser), 차량과의 인터페이스에 필요한 부품 및 고전압 커넥터 등과 같은 비반복 부품으로 나누어질 수 있다. 연료전지 스택은 수소와 공기 중의 산소가 반응하여 전기, 물, 그리고 열을 방출하는 장치인데 연료전지 스택은 고전압의 전기와 물 그리고 수소가 같은 장소에 공존하게 됨으로써 많은 위험요소들을 내재하고 있다.
특히 연료전지 분리판의 경우 연료전지 구동시 발생하는 수소 양이온이 직접 접촉함으로 인하여 부식에 대한 저항성이 더욱 요구되고, 표면처리 없이 금속분리판 적용시 금속의 부식은 물론, 금속 표면에 생성된 산화물이 전기절연체로 작용하여 전기전도성을 낮추게 된다. 이때 해리되어 용출되는 금속 양이온이 MEA(Membrane Electrode Assembly)를 오염시켜 연료전지의 성능을 감소시킨다.
현재 연료전지 분리판으로 사용되는 탄소계 분리판의 경우 공정 상 발생된 크랙이 연료전지 내부에 남아있게 될 위험성이 크고, 강도 및 가스투과성 측면에서 박막화가 어려울 뿐만 아니라, 가공성 등이 문제되고 있다.
한편, 금속분리판의 경우 우수한 연성으로 인하여 성형성, 생산성 측면에서 유리하고, 박막화가 가능하여 스택의 소형화가 가능하지만 부식에 의한 MEA의 오염과, 표면 산화막 형성에 따른 접촉저항 증가로 인하여 스택성능이 저하되게 된다. 따라서 이러한 표면 부식과 산화막 성장을 억제할 수 있는 표면처리 방법이 필요하다.
본 발명의 일 구현례는 연료 전지용 분리판을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 구현례는 연료 전지용 분리판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판은 분리판의 일면 또는 양면에 위치하는 제 1 탄화금속 코팅층; 상기 제 1 탄화금속 코팅층의 상부에 위치하는 금속 코팅층; 및 상기 금속 코팅층의 상부에 위치하는 제 2 탄화금속 코팅층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층은 각각 독립적으로, 탄화티타늄, 탄화크롬, 탄화몰리브덴, 탄화텅스텐, 탄화니오븀 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층은 모두 탄화티타늄인 것일 수 있다.
상기 금속 코팅층 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층의 사이에 위치하는 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층의 두께는 10nm 이하(0nm를 포함하지 않는다)인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판의 제조방법은, 모재의 상부에 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계; 상기 제 1 탄화금속 코팅층의 상부에 금속 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 금속 코팅층의 상부에 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는, 제 1 프리커서를 기화시켜 제 1 프리커서 가스를 제조하는 단계; 상기 프리커서 가스, 반응성 가스, 및 탄소원 가스를 포함하는 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스를 반응 챔버 내로 도입시키는 단계; 및 상기 반응 챔버에 전압을 가하여 상기 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜 모재상에 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는, 제 2 프리커서를 기화시켜 제 2 프리커서 가스를 제조하는 단계; 상기 프리커서 가스, 반응성 가스, 및 탄소원 가스를 포함하는 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스를 반응 챔버 내로 도입시키는 단계; 및 상기 반응 챔버에 전압을 가하여 상기 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜 모재상에 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 제 1 프리커서 및 상기 제 2 프리커서는 각각 독립적으로 하기 화학식 1 로 표현되는 화합물, 하기 화학식 2 로 표현되는 화합물, 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112015111301546-pat00001
상기 화학식 1 에서, M1 은 Ti, Cr, Mo, W, 또는 Nb 에서 선택되는 물질이고, 상기 R1 내지 R3 은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기이고, 상기 L1 내지 L3 는 서로 독립적으로 -O- 또는 -S- 이고, 상기 n은 0 또는 1 이다.
[화학식2]
Figure 112015111301546-pat00002
상기 화학식2에서, 상기 M2는 서 Ti, Cr, Mo, W, 또는 Nb 이고; 상기 R1 내지 R3는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기이고; 상기 R4 내지 R9 는 서로 독립적으로, 수소; 중수소; 또는; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 중에서 선택되고; 상기 L4 내지 L6 은 서로 독립적으로 -O- 또는 -S- 이다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스는 불활성 가스 및 수소 가스를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계 및 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는 온도 범위 150℃이하에서 이루어지는 것일 수 있다.
상기 금속 코팅층을 형성하는 단계는 스퍼터링 방법에 의하는 것일 수 있다.
상기 금속 코팅층을 형성하는 단계 이후, 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 의하면 저온에서 코팅층을 형성할 수 있어 모재의 변형을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 의하면 저온에서 코팅층을 형성할 수 있어 제조비용이 절감된다.
본 발명의 일 구현례에 의하면 PECVD 공정에 의하여 코팅층을 형성할 수 있어 대면적, 대량인 경우에도 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 의하면 금속 코팅층을 형성하여 전도성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 의하면 그래핀 또는 그래파이트 코팅층을 형성하여 금속 코팅층의 용출을 방지하여 코팅 건전성 및 내구성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 의하면 그래핀 또는 그래파이트 코팅층을 형성하여 기계적 강도가 향상되고, 전도성이 향상될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 또 다른 구현례에 의한 연료전지용 분리판의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3 은 실시예 1 에 의하여 형성된 코팅층의 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 4 는 도 3 은 실시예 3 에 의하여 형성된 코팅층의 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 5 는 실시예 1 내지 실시예 4의 밀착력을 측정하여 비교한 그래프이다.
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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 "치환"이란 별도의 정의가 없는 한, C1 내지 C30 알킬기; C1 내지 C10 알킬실릴기; C3 내지 C30 시클로알킬기; C6 내지 C30 아릴기; C2 내지 C30 헤테로아릴기; C1 내지 C10 알콕시기; 플루오로기, 트리플루오로메틸기 등의 C1 내지 C10 트리플루오로알킬기; 또는 시아노기로 치환된 것을 의미한다.
본 명세서에서 "이들의 조합"이란 별도의 정의가 없는 한, 둘 이상의 치환기가 연결기로 결합되어 있거나, 둘 이상의 치환기가 축합하여 결합되어 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 "알킬(alkyl)기"이란 별도의 정의가 없는 한, 어떠한 알켄기나 알킨기를 포함하고 있지 않은 "포화 알킬(saturated alkyl)기"; 또는 적어도 하나의 알켄(alkene)기 또는 알킨(alkyne)기를 포함하고 있는 "불포화 알킬(unsaturated alkyl)기"를 모두 포함하는 것을 의미한다. 상기 "알켄기"는 적어도 두 개의 탄소원자가 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합으로 이루어진 치환기를 의미하며, "알킨기" 는 적어도 두 개의 탄소원자가 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중 결합으로 이루어진 치환기를 의미한다. 상기 알킬기는 분지형, 직쇄형 또는 환형일 수 있다.
상기 알킬기는 C1 내지 C20의 알킬기 일 수 있으며, 보다 구체적으로 C1 내지 C6인 저급 알킬기, C7 내지 C10인 중급 알킬기, C11 내지 C20의 고급 알킬기일 수 있다.
예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4 개의 탄소원자가 존재하는 것을 의미하며 이는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.
전형적인 알킬기에는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등이 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면 본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판은, 분리판(10)의 일면 또는 양면에 위치하는 제 1 탄화금속 코팅층(20); 상기 제 1 탄화금속 코팅층의 상부에 위치하는 금속 코팅층(30); 및 상기 금속 코팅층(30)의 상부에 위치하는 제 2 탄화금속 코팅층(40)을 포함한다.
상기 분리판(10)의 소재는 스테인리스 스틸, 티타늄, 니켈, 또는 알루미늄일 수 있다.
또한, 상기 제 1 탄화금속 코팅층(20) 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층(40)은 탄화티타늄, 탄화크롬, 탄화몰리브덴, 탄화텅스텐, 탄화니오븀, 탄화 바나듐 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층(20) 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층(40)은 탄화 티타늄(TiC)인 것일 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층(20) 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층(40)은 연료전지용 분리판의 전도성 및 내식성이 향상에 기여한다.
이때, 상기 제 1 탄화금속 코팅층(20)의 두께는 100nm 내지 600nm 인 것일 수 있다. 상기 제 1 탄화금속 코팅층(20)의 두께가 100nm 미만이면 코팅층의 밀착성이 저하되거나 계면의 박리가 일어날 수 있다. 상기 제 1 탄화금속 코팅층(20)의 두께의 상한에 특별한 제한은 없으나, 600nm초과이면 전도성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 제 2 탄화금속 코팅층(40)의 두께는 70nm 내지 200nm 인 것일 수 있다. 상기 제 2 탄화금속 코팅층(40)의 두께가 70nm미만이면 코팅층에 존재하는 공극에 의하여 부식에 영향을 미칠 수 있다. 상기 제 2 탄화금속 코팅층(40)의 두께가 200nm 초과이면 코팅층의 전도성을 저해할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현례에서는 탄화금속 코팅층 형성시 탄소원 가스를 첨가하여 제 1 탄화금속 코팅층(20) 또는 상기 제 2 탄화금속 코팅층(40)에서 탄소는 전체 코팅층 100원자%를 기준으로 30원자%이상 일 수 있다. 또한, 전체 코팅층에서 TiC 결합은 15% 이상일 수 있다. 여기서, TiC 결합이 15% 이상이라는 것은 코팅층 화합물이 15% TiC를 가지고 있다는 의미이다.
상기 금속 코팅층(30)은 Cu, Ni,W, Co, Fe, Ru, Ir, Pd, Pt, 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 금속 코팅층(30)은 제 1 탄화금속 코팅층이 과다하게 성장하는 것을 방지하고 전도성의 향상에 기여할 수 있다.
상기 금속 코팅층(30)의 두께는 100nm 내지 1000nm 일 수 있다. 상기 금속 코팅층의 두께가 100nm미만이면 그래핀 형성이 어려울 수 있다. 상기 금속 코팅층의 두께의 상한에 특별한 제한은 없으나, 1000nm 초과일 경우 제조비용이 상승된다.
도 2는 본 발명의 또 다른 구현례에 의한 연료전지용 분리판의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면 본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판은 상기 금속 코팅층(30) 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층(40)의 사이에 위치하는 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층(50)을 더 포함할 수 있다.
그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층은 제 2 탄화금속 코팅층과 금속 코팅층의 밀착력을 향상시켜 기계적 강도를 향상 시킬 수 있다.
또한, 상기 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층의 두께는 10nm 이하일 수 있다. 상기 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층의 두께가 10nm 초과시 코팅막의 유연성, 전도도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층의 두께의 하한값에 특별한 제한은 없으나, 2nm 이상일 수 있다. 상기 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층의 두께가 2nm 미만이면 그래핀의 전도 특성이 발휘되지 않을 수 있다.
이하 본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 구현례에 의한 연료전지용 분리판의 제조방법은, 모재의 상부에 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계; 상기 제 1 탄화금속 코팅층의 상부에 금속 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 금속층의 상부에 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는 PECVD(Plasma Enhanced CVD) 방법에 의하는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는 제 1 프리커서를 기화시켜 제 1 프리커서 가스를 제조하는 단계; 상기 프리커서 가스, 반응성 가스, 및 탄소원 가스를 포함하는 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스를 반응 챔버 내로 도입시키는 단계; 및 상기 반응 챔버에 전압을 가하여 상기 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜 모재상에 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는 제 2 프리커서를 기화시켜 제 2 프리커서 가스를 제조하는 단계; 상기 프리커서 가스, 반응성 가스, 및 탄소원 가스를 포함하는 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스를 반응 챔버 내로 도입시키는 단계; 및 상기 반응 챔버에 전압을 가하여 상기 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜 모재상에 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 프리커서 및 상기 제 2 프리커서는 각각 독립적으로 하기 화학식 1 로 표현되는 화합물, 하기 화학식 2 로 표현되는 화합물, 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112015111301546-pat00003
상기 화학식 1 에서, M1 은 Ti, Cr, Mo, W, 또는 Nb 에서 선택되는 물질이고, 상기 R1 내지 R3 은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기이고, 상기 L1 내지 L3 는 서로 독립적으로 -O- 또는 -S- 이고, 상기 n은 0 또는 1 이다.
상기 C1 내지 C10 알킬기의 예시로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소-프로필기, n-부틸기, 이소-부틸기, sec-부틸기, 또는 t-부틸기로 이루어진 군에서 선택되는 물질일 수 있다.
[화학식2]
Figure 112015111301546-pat00004
상기 화학식2에서, 상기 M2는 서 Ti, Cr, Mo, W, 또는 Nb 이고;
상기 R1 내지 R3는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기이고; 상기 R4 내지 R9 는 서로 독립적으로, 수소; 중수소; 또는; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 중에서 선택되고; 상기 L4 내지 L6 은 서로 독립적으로 -O- 또는 -S- 이다.
상기 C1 내지 C10 알킬기의 예시로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸, 또는 t-부틸로 이루어진 군에서 선택되는 물질일 수 있다.
상기 제 1 프리커서 및 상기 제 2 프리커서는 각각 독립적으로 화학식3 으로 표현되는 화합물, 화학식4 로 표현되는 화합물, 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질일 수 있다.
[화학식 3]
CpTi(O-iPr)3
[화학식4]
(Me3Si)2NTi(O-iPr)3
상기 Cp는 하기 화학식5로 표시되는 치환기이고, 상기 iPr는 이소-프로필기를 의미한다.
[화학식5]
Figure 112015111301546-pat00005
상기 반응성 가스는 NH3, H2, 또는 N2 일 수 있다.
상기 탄소원 가스는 C2H2, CH4, C6H12 , C7H14, 또는 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스는 증착을 돕기 위하여 불활성 가스를 더 포함할 수 있다. 상기 불활성 가스는 He 또는 Ar가스일 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계 및 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는 온도 범위 150℃이하에서 이루어지는 것일 수 있다. 150℃ 초과인 경우 분리판 모재의 변형이 발생할 수 있다.
또한, 온도 범위의 하한을 특별히 제한되지 않으나, 상온 이상의 온도에서 증착될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 구현례에 의한 연료전지용 분리판의 제조방법은, 분리판의 일면 또는 양면에 제 1 탄화금속 코팅층(20)을 형성하고, 상기 제 1 탄화금속 코팅층(20)의 상부에 금속 코팅층(30)을 형성한 이후, 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 제 1 탄화금속 코팅층 및 상기 금속 코팅층을 형성하는 방법에 대해서는 이미 기술한바, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층을 형성하는 단계는 CVD 또는 PECVD 방법에 의할 수 있다. 그래핀 또는 그래파이트의 성장 방법은 당업계에 널리 알려져 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층을 형성한 이후 제 2 탄화금속 코팅층을 형성한다. 이때 제 2 탄화금속 코팅층의 형성방법은 이미 기술한바, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
이하, 실시예를 통해 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
<제 1 탄화금속 코팅층의 제조>
화학식 CpTi(O-iPr)3 로 표시되는 화합물을 포함하는 제 1 프리커서를 기화시켜 프리커서 가스를 제조하였다.
모재로는 JIS 규격에 따른 SUS316L 스테인리스 스틸을 준비하였다. 상기 모재를 에탈올과 아세톤으로 초음파 세척을 하여, 모재 표면의 이물질을 제거하였다.
이후 제 1 프리커서 가스, NH3 100sccm, C2H2 20sccm 및 Ar 100sccm을 반응 챔버 내로 주입시켰다. 이 때, 반응 챔버 내의 압력은 0.5Torr로 유지하였다. 이후 반응 챔버에 600V의 전압을 가하여 가스들을 플라즈마 상태로 변화 시키고 모재에 증착하여 300nm 두께의 제 1 TiC 코팅층을 형성하였다.
<금속 코팅층의 제조>
제 1 탄화금속 코팅층을 제조한 후 Cu 타겟을 준비하고 스퍼터링 방법에 의하여 Cu 코팅층을 500nm 두께로 형성하였다.
< 제 2 탄화금속 코팅층의 제조>
이후 화학식 CpTi(O-iPr)3 로 표시되는 화합물을 제 2 프리커서로 하여 제 1 TiC 코팅층 형성방법과 동일한 조건으로 제 2 TiC 코팅층을 200nm 두께로 형성하였다.
도 3 은 실시예 1 에 의하여 형성된 코팅층의 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) depth profile을 분석한 결과 제 1 TiC 코팅층에서 전체 코팅층 중량 대비 C는 37원자%였고, 제 2 TiC 코팅층에서 전체 코팅층 중량 대비 C는 31원자%였다.
실시예 2
화학식 (Me3Si)2NTi(O-iPr)3 으로 표시되는 화합물을 제 1 프리커서 및 제 2 프리커서로 사용한 것 외에는 실시예 1 과 동일한 조건으로 연료 전지용 분리판을 제조하였다.
X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) depth profile을 분석한 결과 제 1 TiC 코팅층에서 전체 코팅층 중량 대비 C는 18원자%이고, 제 2 TiC 코팅층에서 전체 코팅층 중량 대비 C는 13원자%였다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 조건으로 제 1 TiC 코팅층 및 Cu 코팅층을 형성하였다.
이후 CVD방법으로 그래핀층을 8nm 두께로 형성하였다.
이후 실시예 1과 동일한 조건으로 제 2 TiC 코팅층을 형성하였다.
실시예 4
실시예 2와 동일한 조건으로 제 1 TiC 코팅층 및 Cu 코팅층을 형성하였다.
이후 CVD방법으로 그래핀층을 8nm 두께로 형성하였다.
이후 실시예 2와 동일한 조건으로 제 2 TiC 코팅층을 형성하였다.
비교예 1
실시예 1 과 동일한 조건으로 제 1 TiC 코팅층을 제조하여 비교예 1로 하였다.
비교예 2
실시예 2 와 동일한 조건으로 제 1 TiC 코팅층을 제조하여 비교예 1로 하였다
실험예1 : 면저항 측정
실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1 내지 비교예 2 에서 제조된 연료전지용 분리판을 4포인트 프로브를 사용하여 면저항을 측정하였다.
비교예1 1.6kΩ 실시예1 600Ω 실시예3 35Ω
비교예2 214MΩ 실시예2 1MΩ 실시예4 920Ω
실험예2 : 내부식성 측정
실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1 내지 비교예 2 에서 제조된 연료전지용 분리판을 동전위 분극 테스트(상대 전극은Pt를 사용하였으며 표면적 확대를 위하여 mesh type을 사용함)에 의하여 내부식성을 측정하였다.
비교예1 -0.247 V 실시예1 -0.121 V 실시예3 0.081 V
비교예2 -0.148 V 실시예2 -0.081 V 실시예4 0.211 V
실험예3 : 밀착력 측정
실시예 1 내지 실시예 4의 밀착력을 ISO 20502에서 규정되는 스크래치 테스트 방법에 의하여 측정하여 그 그래프를 도 5 에 나타내었다.
도 3 을 참고하면 그래핀 코팅층이 포함된 실시예3이 실시예 1에 비하여 41.4%의 밀착력 향상이 있음을 알 수 있고, 그래핀 코팅층이 포함된 실시예 4가 실시예 2 에 비하여 37.5%의 밀착력 향상이 있었음을 알 수 있다.
실험예4
제 2 TiC 코팅층의 두께를 하기 표 3과 같이 달리하여 제조하였다. 그 외의 조건은 실시예1과 같다.
두께(nm) 면저항 (Ω) 내부식성(sce/0.6V)
9 42280 15.7
27.3 3830 16.4
48.1 673 10.2
65.8 841 5.82
72.3 756 3.64
120.1 563 2.94
191.7 661 2.65
252.4 1022 2.45
371.2 1215 1.84
1036.2 1613 1.12
표 3 을 참고하면 제 2 탄화금속 코팅층의 두께가 70nm 내지 200nm 인 경우 우수한 면저항을 보이면서 우수한 내부식성을 가지는 것을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 분리판
20: 제 1 탄화금속 코팅층
30: 금속 코팅층
40: 제 2 탄화금속 코팅층
50: 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층

Claims (20)

  1. 분리판의 일면 또는 양면에 위치하는 제 1 탄화금속 코팅층;
    상기 제 1 탄화금속 코팅층의 상부에 위치하고, 상기 제1 탄화금속 코팅층이 과다하게 성장하는 것을 방지하고 전도성의 향상을 위한 금속 코팅층; 및
    상기 금속 코팅층의 상부에 위치하는 제 2 탄화금속 코팅층을 포함하고,
    상기 금속 코팅층 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층의 사이에 위치하고, 상기 제2 탄화금속 코팅층과 상기 금속 코팅층의 밀착력을 향상시켜 기계적 강도의 향상을 위한 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층을 더 포함하는 연료전지용 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 탄화금속 코팅층 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층은 각각 독립적으로, 탄화티타늄, 탄화크롬, 탄화몰리브덴, 탄화텅스텐, 탄화니오븀, 탄화바나듐 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질을 포함하는 연료전지용 분리판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 탄화금속 코팅층 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층은 모두 탄화티타늄인 연료전지용 분리판.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 코팅층은 Cu, Ni,W, Co, Fe, Ru, Ir, Pd, Pt, 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질을 포함하는 연료전지용 분리판
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 탄화금속 코팅층의 두께는 100nm 내지 600nm인 연료전지용 분리판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 코팅층의 두께는 100nm 내지 1000nm 인 연료전지용 분리판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 탄화금속 코팅층의 두께는 70nm 내지 200nm인 연료전지용 분리판.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층의 두께는 10nm 이하(0nm를 포함하지 않는다)인 연료전지용 분리판.
  10. 모재의 상부에 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 탄화금속 코팅층의 상부에 상기 제1 탄화금속 코팅층이 과다하게 성장하는 것을 방지하고 전도성의 향상을 위한 금속 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 코팅층의 상부에 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 코팅층을 형성하는 단계 이후, 상기 제2 탄화금속 코팅층과 상기 금속 코팅층의 밀착력을 향상시켜 기계적 강도의 향상을 위한 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite) 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는,
    제 1 프리커서를 기화시켜 제 1 프리커서 가스를 제조하는 단계;
    상기 프리커서 가스, 반응성 가스, 및 탄소원 가스를 포함하는 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스를 반응 챔버 내로 도입시키는 단계; 및
    상기 반응 챔버에 전압을 가하여 상기 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜 모재상에 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는
    제 2 프리커서를 기화시켜 제 2 프리커서 가스를 제조하는 단계;
    상기 프리커서 가스, 반응성 가스, 및 탄소원 가스를 포함하는 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스를 반응 챔버 내로 도입시키는 단계; 및
    상기 반응 챔버에 전압을 가하여 상기 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜 모재상에 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 프리커서 및 상기 제 2 프리커서는 각각 독립적으로 하기 화학식 1 로 표현되는 화합물, 하기 화학식 2 로 표현되는 화합물, 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질인 연료전지용 분리판의 제조방법.

    [화학식 1]
    Figure 112015111301546-pat00006

    (상기 화학식 1 에서, M1 은 Ti, Cr, Mo, W, 또는 Nb 에서 선택되는 물질이고,
    상기 R1 내지 R3 은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기이고,
    상기 L1 내지 L3 는 서로 독립적으로 -O- 또는 -S- 이고, 상기 n은 0 또는 1 이다.)

    [화학식2]
    Figure 112015111301546-pat00007

    (상기 화학식2에서, 상기 M2는 서 Ti, Cr, Mo, W, 또는 Nb 이고;
    상기 R1 내지 R3는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기이고;
    상기 R4 내지 R9 는 서로 독립적으로, 수소; 중수소; 또는; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기 중에서 선택되고;
    상기 L4 내지 L6 은 서로 독립적으로 -O- 또는 -S- 이다.)
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 프리커서 및 상기 제 2 프리커서는 각각 독립적으로 화학식3 으로 표현되는 화합물, 화학식4 로 표현되는 화합물, 또는 이들의 조합에서 선택되는 물질인 연료전지용 분리판의 제조방법.
    [화학식 3]
    CpTi(O-iPr)3

    [화학식4]
    (Me3Si)2NTi(O-iPr)3

    (상기 Cp는 하기 화학식5로 표시되는 치환기이고, 상기 iPr는 이소-프로필기를 의미한다.)
    [화학식5]
    Figure 112017003955510-pat00008

  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 반응성 가스는 NH3, H2, 또는 N2 인 연료전지용 분리판의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 탄소원 가스는 C2H2, CH4, C6H12 , C7H14, 또는 이들의 조합에서 선택되는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 탄화금속 코팅층 형성 가스 및 상기 제 2 탄화금속 코팅층 형성 가스는 불활성 가스 및 수소 가스를 더 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계 및 제 2 탄화금속 코팅층을 형성하는 단계는 온도 범위 150℃이하에서 이루어지는 것인 연료전지용 분리판의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 금속 코팅층을 형성하는 단계는 스퍼터링 방법에 의하는 것인 연료전지용 분리판의 제조방법.
  20. 삭제
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