KR102518584B1 - 연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판 - Google Patents

연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판 Download PDF

Info

Publication number
KR102518584B1
KR102518584B1 KR1020160168896A KR20160168896A KR102518584B1 KR 102518584 B1 KR102518584 B1 KR 102518584B1 KR 1020160168896 A KR1020160168896 A KR 1020160168896A KR 20160168896 A KR20160168896 A KR 20160168896A KR 102518584 B1 KR102518584 B1 KR 102518584B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
coating layer
carbon coating
separator
metal base
Prior art date
Application number
KR1020160168896A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180067310A (ko
Inventor
노수정
홍웅표
김보경
이승구
오승정
여인웅
박정연
Original Assignee
현대자동차 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차 주식회사 filed Critical 현대자동차 주식회사
Priority to KR1020160168896A priority Critical patent/KR102518584B1/ko
Publication of KR20180067310A publication Critical patent/KR20180067310A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102518584B1 publication Critical patent/KR102518584B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0227—Pretreatment of the material to be coated by cleaning or etching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/46—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for heating the substrate
    • C23C16/463—Cooling of the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/505—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using radio frequency discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 복수의 금속 모재를 준비하는 단계, 및 탄소원 가스를 주입한 후 플라즈마 상태로 변환하여 상기 복수의 금속 모재 각각의 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는, 가열하는 단계 및 냉각하는 단계를 교대로 반복하는 방법으로 수행되는 연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.

Description

연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판 {COATING METHOD OF SEPERATOR FOR FUEL CELL AND SEPERATOR FOR FUEL CELL PREPARED FROM THE SAME}
연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판에 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.
연료전지 스택을 구성하는 요소 부품 중 가장 중요한 연료전지 분리판은 낮은 부식전류와 우수한 전기 전도성을 가질 것을 요구한다. 현재 사용중인 금속 분리판은 쉽게 부식이 되기 때문에 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 이에 최근에는 금속 분리판에 코팅층을 형성하여 내구성을 향상시키기 위한 연구가 활발하다.
본 발명의 일 실시예는 내부식성 및 전기 전도성이 향상된 연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 코팅 방법은, 복수의 금속 모재를 준비하는 단계, 그리고 탄소원 가스를 주입한 후 플라즈마 상태로 변환하여 상기 복수의 금속 모재 각각의 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는, 가열하는 단계 및 냉각하는 단계를 교대로 반복하는 방법으로 수행될 수 있다.
이때, 상기 가열하는 단계 및 상기 냉각하는 단계는 각각 1회 내지 30회 범위에서 반복적으로 수행될 수 있다.
상기 복수의 금속 모재는 5mm 내지 50mm범위의 간격으로 배치될 수 있다.
상기 가열하는 단계는 150℃ 내지 600℃에서 수행될 수 있다.
상기 냉각하는 단계는 0℃ 내지 400℃에서 수행될 수 있다.
상기 가열하는 단계 및 냉각하는 단계는, 각각 5분 내지 90분 범위에서 수행될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 코팅 방법은, 상기 금속 모재를 준비하는 단계 이후, 상기 금속 모재의 표면에 형성된 산화 피막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판은 금속 모재, 그리고 상기 금속 모재의 일 면에 위치하는 탄소 코팅층을 포함하며, 상기 탄소 코팅층은 전술한 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 코팅 방법에 따라 형성된 것일 수 있다.
상기 탄소 코팅층에서 탄소 원자 간에 이루는 SP2 결합의 비율은 60% 내지 100% 범위일 수 있다.
또한, 상기 탄소 코팅층의 두께는 10nm 내지 1000nm 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 우수한 코팅 균일도와 전기 전도도를 가지면서 내부식성이 향상된 코팅층을 형성하는 연료전지 분리판을 제조할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 코팅 방법에 사용되는 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5는 각각 실시예 1, 비교예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판에서 탄소 코팅층의 표면 마찰력을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 8은 각각 실시예 1, 비교예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판의 표면 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 11은 각각 실시예 1, 비교예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판에 대하여 부식 전류 밀도 측정 후 측정한 표면 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 12 내지 도 14는 각각 실시예 1 내지 2 및 참고예 3에 따라 제조된 연료 전지 분리판에서 탄소 코팅층의 SP2 결합 비율을 나타낸 것이다.
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.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
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.
연료 전지 분리판으로 금속 분리판을 사용하는 경우 이의 코팅 소재 중 하나로 특히 높은 전기 전도성과 낮은 부식 특성을 갖는 카본을 이용할 수 있다. 하지만 대용량화가 가능한 플라즈마 화학기상 증착법 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 카본을 금속 분리판에 코팅하는 경우 높은 온도에서 진행되는 공정 특성상 코팅층의 표면에 가해지는 스트레스가 증가하여 코팅층의 표면 밀도와 균일도가 저하되는 문제점이 발생하였다.
이에 본 발명의 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 카본 코팅층을 형성할 때, 가열 공정 및 냉각 공정을 교대로 반복하여 수행하는 경우 카본 코팅층의 표면 특성이 향상되는 것을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판의 코팅 방법은, 복수의 금속 모재를 준비하는 단계, 탄소 프리커서 가스를 플라즈마 상태로 변환하여 상기 복수의 금속 모재 각각의 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는, 가열하는 단계 및 냉각하는 단계를 교대로 반복하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 코팅 방법에 사용되는 플라즈마 장치를 개략적으로 나타내었다. 이하 도1을 참고하여 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 코팅 방법의 각 단계를 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 반응 챔버(200) 내에 복수의 금속 모재(10)를 준비한다. 여기서, 금속 모재(10)는 연료 전지용 분리판에 사용되는 금속 모재(10)를 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 스테인리스 강판을 사용할 수 있으며, 예를 다. 더욱 구체적으로 SUS 300계열 강판을 사용할 수 있다.
복수의 금속 모재(10)는 5mm 내지 50mm범위의 간격(T)으로 배치될 수 있다. 금속 모재(10) 간의 간격(T)이 5mm 미만인 경우에는 탄소 코팅층 형성 과정에서 플라즈마 중첩 현상이 일어나기 때문에 반응 챔버(200) 내의 온도가 지나치게 증가하게 된다. 이에 따라 금속 모재(10)가 휘어지는 변형이 발생할 수 있고, 탄소 코팅층의 코팅 입자의 사이즈가 증가하고 코팅 균일도가 현저하게 저하되는 문제점이 발생한다.
또한, 금속 모재(10) 간의 간격이 50mm를 초과하는 경우에는 금속 모재(10)에 가해지는 플라즈마 에너지가 낮아서 카본의 분해 능력이 떨어져 형성된 카본 코팅층 내에 SP2 결합 비율이 낮아진다. 이에 따라 탄소 코팅층이 형성된 금속 모재(10)로 구성되는 연료 전지용 분리판의 전기 전도성이 저하되는 문제점이 있다.
금속 모재(10)의 표면에는 공기와의 접촉 등으로 인하여 산화 피막이 존재할 수 있다. 이는 접촉 저항을 증가시키는 원인이 되기 때문에, 금속 모재(10)의 표면에 산화 피막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 산화 피막의 제거는, 예를 들면, 금속 모재(10)를 승온시켜, 아르곤 플라즈마를 가하는 방법을 사용할 수 있다.
다음으로, 탄소원 가스(30)를 주입한 후 플라즈마 상태로 변환하여 복수의 금속 모재(10) 각각의 표면에 탄소 코팅층을 형성한다. 본 실시예에서는 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)법을 사용하여 탄소 코팅층을 형성한다. 구체적으로, 반응 챔버(200)에는 전원부(130)를 통해 챔버 벽(110)으로 양(+)의 전압이 인가되고, 금속 모재(10)와 연결된 전극(120)에 음(-)의 전압이 인가된다. 가스 주입구(140)를 통해 주입된 탄소원 가스(30)는, 전원 공급부(130)를 통해 인가된 전압으로 발행된 챔버 내부의 전계에 의해 전리되어 챔버(200) 내부에 플라즈마(40)를 형성한다. 즉, 탄소원 가스 내의 탄소 원자를 플라즈마(40)로 여기시켜 탄소 코팅층을 형성하게 된다.
한편, 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)법을 이용하여 탄소 코팅층을 형성하는 단계는, 가열하는 단계 및 냉각하는 단계를 교대로 반복하는 방법으로 수행할 수 있다.
가열하는 단계는 150℃ 내지 600℃에서 5분 내지 90분간 수행될 수 있다. 가열하는 단계의 온도가 너무 낮은 경우, 탄소 코팅층이 적절히 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 온도가 너무 높은 경우, 크롬 카바이드(Cr7C3) 등이 형성되어, 내부식성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 온도를 조절할 수 있다.
냉각하는 단계는 0℃ 내지 400℃에서 5분 내지 90분간 수행될 수 있다. 냉각하는 단계의 온도가 너무 낮거나 높은 경우, 열충격에 의해 금속 분리판 변형 발생률이 증가하기 때문에 생산성이 저하되는 문제가 있다.
이때, 가열 공정 및 냉각 공정 수행을 위한 온도 범위는 챔버에 구비된 온도 조절 부재를 이용하여 조절할 수 있다.
한편, 가열하는 하는 단계 및 냉각 하는 단계는 각각 1회 내지 30회 범위에서 교대로 반복하여 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 가열 공정 수행 후 냉각 공정을 수행하는 것을 1회라고 할 때, 이를 30회 범위 내로 수행하는 것이 바람직하다. 가열하는 단계 후에 냉각하는 단계를 수행하지 않는 경우에는 탄소 코팅층이 박리되거나 내부식 전류가 높아지는 문제점이 발생한다. 따라서, 가열하는 단계 후에 반드시 냉각하는 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 다만, 가열 및 냉각 공정의 반복 횟수가 30회를 초과하는 경우에는 카본 코팅층이 지나치게 두껍게 형성되어 카본 코팅층의 내부 스트레스가 증가하여 박리 현상이 발생할 수 있고, 내부식 전류가 증가하는 문제점이 있으므로 가열하는 단계 및 냉각하는 단계는 30회 이내로 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 탄소 코팅층을 형성하는 단계는, 반응 챔버 내에 탄소원 가스를 10 부피% 이하의 분위기에서 수행될 수 있다. 탄소원 가스의 함량이 10 부피% 이상의 경우, 탄소 코팅층의 압축잔류응력이 증가되어, 탄소 코팅층이 박리될 수 있다. 보다 상세하게, 챔버 내에 탄소원 가스를 1.5 부피% 내지 4 부피% 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다. 이 때, 탄소원 가스란 플라즈마를 가하여 탄소 원자를 여기시킬 수 있는 가스를 의미한다. 구체적으로 탄화수소 가스가 될 수 있으며, 예를 들면, C2H2, CH4, 또는 C2H6를 포함할 수 있다. 탄소원 가스 외에 잔부는 메탄, 아르곤 또는 수소 가스가 될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 코팅된 탄소 코팅층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료 전지용 분리판은 내식성 및 전도성이 매우 우수하기 때문에 연료 전지에 유용하게 사용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판을 살펴보기로 한다. 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 단면을 개략적으로 나타내었다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 연료 전지용 분리판(100)은 금속 모재(10) 및 금속 모재(10)의 적어도 일 면에 위치하는 탄소 코팅층(20)을 포함한다. 도 2에는 금속 모재(10)의 양면에 탄소 코팅층(20)이 형성된 경우를 나타내었다.
본 실시예에서, 탄소 코팅층(20)은 전술한 방법으로 코팅 방법으로 형성된 것을 특징으로 한다. 따라서, 전술한 것과 동일한 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
탄소 코팅층(20)에서 탄소 원자 간에 이루는 SP2 결합의 비율은 60% 내지 100% 범위일 수 있고, 보다 구체적으로 65% 내지 85%일 수 있다. 탄소 코팅층(20)에서 탄소 원자 간에 이루는 SP2 결합 비율이 상기 범위를 벗어나는 경우, 연료 전지용 분리판(100)의 전기 전도성이 저하되는 문제점이 있다.
탄소 코팅층(20)의 두께는 10nm 내지 1000nm 범위, 보다 구체적으로는 10nm 내지 100nm 범위일 수 있다. 탄소 코팅층(20)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 보다 낮은 접촉저항과 보다 낮은 부식 전류 특성을 갖는 연료 전지용 분리판을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료 전지용 분리판은 내식성 및 전도성이 우수하여, 연료전지에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
금속 모재로서, 오스테나이트계 스테인리스 스틸인 SUS 316L을 준비하였다. 챔버 내에 복수의 금속 모재를 14mm 간격으로 배치하고, 아르곤 분위기에서 300℃까지 가열한 후, 플라즈마를 가하여 금속 모재 표면에 형성된 산화 피막을 제거하였다.
분위기 가스를 아세틸렌(C2H2) 2.34 부피 % 및 아르곤 58.66부피%, 수소 39 부피%로 교체하고 30분간 플라즈마를 가하였다. 이 때, 챔버의 압력은 1 mbar, 전압은 -300 V로 조절하고, 500℃로 20분간 가열한 후 300℃로 10분간 냉각하는 공정을 20회 반복하여 금속 모재에 탄소 코팅층이 형성된 연료 전지용 분리판을 제조하였다. 탄소 코팅층은 약 20nm 두께로 형성되었다.
실시예 2
실시예 1에서 금속 모재를 17mm 간격으로 배치한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재에 탄소 코팅층이 형성된 연료 전지용 분리판을 제조하였다. 탄소 코팅층은 약 50nm 두께로 형성되었다.
비교예 1
탄소 코팅층 형성시 가열 공정만 1회 진행하고 냉각 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재에 탄소 코팅층이 형성된 연료 전지용 분리판을 제조하였다.
참고예 1
가열 및 냉각 공정을 각각 35회 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재에 탄소 코팅층이 형성된 연료 전지용 분리판을 제조하였다.
참고예 2
챔버 내에 복수의 금속 모재를 3mm 간격으로 배치한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재에 탄소 코팅층이 형성된 연료 전지용 분리판을 제조하였다.
참고예 3
챔버 내에 복수의 금속 모재를 55mm 간격으로 배치한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재에 탄소 코팅층이 형성된 연료 전지용 분리판을 제조하였다.
실험예 1: 탄소 코팅층의 표면 특성 측정
실시예 1, 비교예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지용 분리판의 탄소 코팅층에 대하여 표면 조도 관찰을 위한 이미지를 측정하여 그 결과를 도 3 내지 5에 각각 순서대로 나타내었다. 표면 조도 관찰을 위한 이미지 측정은 Brucker社의 Innova microscope(AFM) 장비로 측정하였다.
또한, 탄소 코팅층 표면의 탄소 입자 크기를 확인할 수 있는 표면 SEM 사진을 측정하여 그 결과를 도 6 내지 도 8에 각각 순서대로 나타내었다.
도 3 및 도 5를 참고하면, 실시예 1(도 3) 및 참고예 1(도 5)에 따라 제조된 연료 전지 분리판의 탄소 코팅층은 매우 균일한 표면을 갖도록 형성되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 도 4를 참고하면, 비교예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판의 탄소 코팅층은 불균일한 표면을 갖도록 형성되었다.
또한, 도 6 및 도 8을 참고하면, 실시예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판의 코팅층은 탄소 입자의 크기가 작아 매우 조밀하고 높은 밀도를 갖도록 형성되는 것을 알 수 있다. 그러나, 도 7을 참고하면, 비교예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판의 탄소 코팅층은 탄소 입자의 크기가 크므로 밀도가 낮은 탄소 코팅층이 형성되었음을 알 수 있다.
실험예 2: 부식 전류 밀도의 측정 및 표면 특성 측정
실시예 1 내지 2, 비교예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지용 분리판의 부식 전류 밀도를 통상의 방법으로 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 부식 전류 (μA/cm2)
실시예 1 2.5
실시예 2 0.9
비교예 1 21.5
참고예 1 11.6
또한, 상기와 같은 방법으로 부식 전류 밀도를 측정한 다음, 실시예 1, 비교예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지용 분리판의 탄소 코팅층에 대하여는 표면 SEM 사진을 측정하여 표면 박리 여부를 확인하였다. 도 9는 실시예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판에 대한 표면 SEM 사진을 측정한 것이고, 도 10은 비교예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판에 대한 표면 SEM 사진을 측정한 것이며, 도 11은 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판에 대한 표면 SEM 사진을 측정한 결과이다.
표 1을 참고하면, 가열 및 냉각 공정을 1 내지 30회 범위에서 반복하여 탄소 코팅층을 형성한 실시예 1 및 2에 따른 연료 전지 분리판은 부식 전류 값이 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한 도 9를 참고하면, 실시예 1에 따른 연료 전지 분리판의 경우 탄소 코팅층의 박리 현상이 거의 발생하지 않은 것도 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 분리판은 내부식 특성 및 내구성이 우수한 것을 알 수 있다.
이에 반해, 냉각 공정을 진행하지 않은 비교예 1에 따른 연료 전지 분리판(표 1 및 도 10 참고)과, 가열 및 냉각 공정의 반복 횟수가 본 발명의 범위를 벗어나는 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판(표 1 및 도 11 참고)의 경우, 상대적으로 부식 전류 값이 매우 높고 탄소 코팅층의 박리 현상이 심해서 내부식 특성 및 내구성이 저하됨을 알 수 있다.
실험예 3 : 접촉 저항 및 SP2 결합 비율 측정
실시예 1 내지 2 및 참고예 2 내지 참고예 3에 따라 제조된 연료 전지용 분리판에 대하여 접촉 저항 및 SP2 결합 비율을 측정하였다.
접촉저항은 두개의 구리판 사이에 분리판과 기체확산층을 위치시킨 후 10kgf/cm2의 압력을 가한 후 접촉저항측정기로 측정하였으며, 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
SP2 결합 비율은 XPS 측정을 통해 계산하였다.
도 12는 실시예 1에 따라 제조된 연료 전지 분리판에서 탄소 코팅층의 SP2 결합 비율을 나타낸 것이고, 도 13은 실시예 2에 따라 제조된 연료 전지 분리판에서 탄소 코팅층의 SP2 결합 비율을 나타낸 것이며, 도 14는 참고예 3에 따라 제조된 연료 전지 분리판에서 탄소 코팅층의 SP2 결합 비율을 나타낸 것이다.
구분 접촉 저항 (mΩ/cm2)
실시예 1 14.9
실시예 2 8.9
참고예 2 측정 불가
참고예 3 182
표 2 및 도 12 내지 도 14를 참고하면, 실시예 1 내지 2에 따라 제조된 연료 전지용 분리판의 경우, 참고예 3에 따라 제조된 연료 전지용 분리판과 비교할 때, 탄소 코팅층에서 SP2 결합의 비율이 매우 높고, 접촉 저항 값이 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다.
한편, 참고예 2에 따라 제조된 연료 전지용 분리판은 탄소 코팅층 형성 공정에서 플라즈마 중첩 현상이 일어났다. 이에 따라 금속 모재가 휘어지고 불균일한 탄소 코팅층이 형성되어 접촉 저항 및 SP2 비율의 측정이 불가능하였다.
따라서, 제조 공정에서 금속 모재 간의 간격이 5mm 내지 50mm를 만족하는 경우 탄소 원자 간의 SP2 결합 비율이 높은 탄소 코팅층이 형성되어 전기 전도성이 우수한 연료 전지용 분리판을 구현할 수 있음을 확인할 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: 모재
20: 탄소 코팅층
30: 탄소원 가스
100: 연료 전지용 분리판

Claims (10)

  1. 복수의 금속 모재를 준비하는 단계; 그리고
    탄소원 가스를 주입한 후 플라즈마 상태로 변환하여 상기 복수의 금속 모재 각각의 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는,
    가열하는 단계 및 냉각하는 단계를 교대로 반복하는 방법으로 수행되며,
    상기 가열하는 단계 및 상기 냉각하는 단계는 각각 20회 내지 30회 범위에서 반복적으로 수행되고,
    상기 복수의 금속 모재는 14mm 내지 17mm범위의 간격으로 배치되는 것인 연료 전지용 분리판의 코팅 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는 150℃ 내지 600℃에서 수행되는 연료 전지용 분리판의 코팅 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는 0℃ 내지 400℃에서 수행되는 연료 전지용 분리판의 코팅 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열하는 단계 및 냉각하는 단계는, 각각 5분 내지 90분 범위에서 수행되는 연료 전지용 분리판의 코팅 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 모재를 준비하는 단계 이후,
    상기 금속 모재의 표면에 형성된 산화 피막을 제거하는 단계를 더 포함하는 연료 전지용 분리판의 코팅 방법.
  8. 금속 모재; 그리고
    상기 금속 모재의 일 면에 위치하는 탄소 코팅층을 포함하며,
    상기 탄소 코팅층은 제1항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라 형성된 것인 연료 전지용 분리판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 코팅층에서 탄소 원자 간에 이루는 SP2 결합의 비율은 60% 내지 100% 범위인 연료 전지용 분리판.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 코팅층의 두께는 10nm 내지 1000nm 범위인 연료 전지용 분리판.
KR1020160168896A 2016-12-12 2016-12-12 연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판 KR102518584B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160168896A KR102518584B1 (ko) 2016-12-12 2016-12-12 연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160168896A KR102518584B1 (ko) 2016-12-12 2016-12-12 연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180067310A KR20180067310A (ko) 2018-06-20
KR102518584B1 true KR102518584B1 (ko) 2023-04-05

Family

ID=62769902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160168896A KR102518584B1 (ko) 2016-12-12 2016-12-12 연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102518584B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230158280A (ko) 2022-05-11 2023-11-20 현대자동차주식회사 내식성 및 전도성이 우수한 연료 전지용 분리판 및 연료 전지용 분리판의 코팅 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150115381A (ko) * 2014-04-04 2015-10-14 동우에이치에스티 주식회사 연료전지용 스테인리스 분리판의 표면처리 방법 및 장치
KR101713718B1 (ko) * 2015-02-23 2017-03-08 현대자동차 주식회사 연료전지용 분리판의 코팅 방법 및 연료전지용 분리판

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180067310A (ko) 2018-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100791274B1 (ko) 금속층/금속질화물층과 금속산질화물층을 포함하는 연료전지용 스테인리스
KR101000697B1 (ko) 연료전지용 금속분리판 및 이의 표면층 형성 방법
CN112795886B (zh) 一种用于金属双极板成形的导电耐蚀预涂层及其制备方法
JP5833587B2 (ja) ステンレス鋼を母材とする耐食性及び伝導性ナノカーボンコーティング方法及びそれによる燃料電池分離板の製造方法
JP5812780B2 (ja) 燃料電池用セルスタック
JP7011920B2 (ja) 燃料電池用分離板及び燃料電池用分離板のコーティング方法
JP2005093172A (ja) 燃料電池用セパレータおよび燃料電池
EP2587575A1 (en) Separator plate for a fuel cell and a production method therefor
CN102088097A (zh) 用于燃料电池的金属隔板和处理该金属隔板的表面的方法
US20140302416A1 (en) Metal separator for fuel cell and manufacturing method thereof
KR102518584B1 (ko) 연료 전지용 분리판의 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 연료 전지용 분리판
KR102298876B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판의 코팅 방법
KR101413144B1 (ko) 내부식 및 내구성 향상을 위한 다층보호막이 증착된 연료전지용 금속분리판의 증착방법
JP2015138696A (ja) 固体高分子形燃料電池のセパレータ用チタン材
KR102496792B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판의 코팅 방법
KR100897323B1 (ko) 플라즈마 화학기상증착과 물리기상증착을 복합한 박막 코팅방법
JP6856012B2 (ja) 燃料電池用のセパレータ
KR20150115381A (ko) 연료전지용 스테인리스 분리판의 표면처리 방법 및 장치
CN103834913A (zh) 镀膜不锈钢板的表面等离子体氧化处理方法及镀膜不锈钢双极板
US10818936B2 (en) Separator for fuel cell and coating method thereof
KR20100008721A (ko) 연료전지용 금속분리판 및 이의 표면층 형성방법
US9472815B2 (en) Separator for fuel cell and method for manufacturing the same
JP2013020888A (ja) 封止膜形成方法、リチウム二次電池の製造方法
KR20230158280A (ko) 내식성 및 전도성이 우수한 연료 전지용 분리판 및 연료 전지용 분리판의 코팅 방법
US20170033374A1 (en) Coating method of seperator for fuel cell and seperator for fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant