KR20100095708A - 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속분리판 및 그 제조방법 - Google Patents

전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속분리판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 스테인리스 스틸 기판과, 평활도, 물과의 접촉각 및 내부식성을 향상시키기 위하여 전해연마 처리되어 상기 스테인리스 스틸 기판 표면에 형성된 산화크롬막과, 상기 산화크롬막 상에 형성된 전도성 및 내부식성을 갖는 0.1∼30㎛ 두께의 전도성 금속산화막을 포함하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 고분자전해질 연료전지에 사용되는 종래의 흑연(graphite) 분리판 대신에 스테인리스 스틸과 같은 금속 소재를 사용하고, 고분자전해질 연료전지의 부식성 환경 하에서도 내부식성이 있어 표면 저항이 증가되지 않으면서 전기전도성이 유지될 수 있는 고성능의 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판을 얻을 수가 있다.
전도성 산화물, 고분자 전해질 연료전지, 스테인리스, 분리판, 코팅

Description

전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법{Metal separator for polymer electrolyte fuel cell coated with conductive metal oxide and manufacturing method of the same}
본 발명은 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자전해질 연료전지에 사용되는 종래의 흑연(graphite) 분리판 대신에 스테인리스 스틸과 같은 금속 소재를 사용하고, 고분자전해질 연료전지의 부식성 환경 하에서도 내부식성이 있어 표면 저항이 증가되지 않으면서 전기전도성이 유지될 수 있는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
수소를 사용하여 전기를 생산할 수 있는 동력장치인 연료전지(Fuel Cell)는 무공해 자동차 및 가정용 전원 공급원으로서 그 개발 및 응용이 점차 확대되고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 결합으로 인해 전기와 열, 물이 발생하는 에너지 변 환장치이다. 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC or Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 작동온도가 낮고, 효율이 높으며, 전류밀도, 출력밀도가 크며, 시동시간이 짧으면서도 부하변화에 대한 응답이 빠른 장점이 있어서 승용차, 버스, 가정용 전원 공급원으로 적용되고 있다. 따라서, 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 스택 제작 기술 및 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 스택의 구성 부품과 소재 기술에 대한 중요성이 점차 증대되고 있다.
고분자전해질 연료전지(PEMFC) 부품 소재의 양산화 기술 중에서도 분리판 (bipolar plate, 바이폴라플레이트)에 대한 기술은 연료전지를 활용하는 승용차, 버스, 가정용 전원으로 보급하거나 산업시설에 활용하는데 있어서 중요한 과제이다. 친환경 자동차, 가정용 전원, 분산 전원의 차세대 전원으로서 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 활용이 주목되고 있으며, 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 스택기술 개발, 부품 개발, 소재 특성 향상, 구성 부품의 생산단가 저감이 상용화에 중요한 걸림돌이 되고 있다. 고분자전해질 연료전지 스택 제작은 연료전지 전체시스템의 50% 수준의 비용을 차지하고 있으며, 고분자전해질 연료전지의 스택 부품 중, 분리판(Separator or Bipolar plate)은 스택의 45%의 원가를 차지하며, 75%의 중량을 차지하고 있어서, 우수한 특성을 발현하면서 저가, 경량 소재의 분리판의 개발이 연료전지의 상용화 보급에 있어서 매우 중요하다.
현재 활용되는 고분자전해질 연료전지는 분리판으로서 흑연(graphite) 소재 를 주로 활용하고 있으나, 기계 가공이 어렵고 고가이므로, 대체 소재로서 카본블랙과 고분자를 이용한 복합재료 또는 표면코팅된 스테인리스 스틸(stainless steel)에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. PEMFC 스택의 작동 중, 프로톤 교환(proton exchange) 기능을 가진 폴리머 멤브레인(polymer membrane)의 화학성분과 술폰산기(sulfonic acid)가 존재하여 작동 중 약 1M H2SO4로 작용하게 되므로 내식성을 갖추어야 하며, 생성된 물이 분리판을 통해 신속히 배출시키는데 있어서 분리판의 낮은 표면 에너지와 높은 접촉각, 소수성 등과 같은 특성들이 구현되어야 발생된 수분이 충분히 배출되지 못하는 문제점을 해소할 수 있다.
대한민국 특허출원 제10-2007-0057747호는 연료전지용 고전도성 탄소복합체 분리판 및 그의 제조방법에 대하여 기술하고 있다. 이 방법은, 연료전지용 탄소복합체 분리판의 전도도를 향상시키는 첨가제인 카본블랙의 분산 상태를 극대화하여 저가의 연료전지용 고전도성 탄소복합체 분리판을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것으로, 특히 흑연과 열경화성 수지 혼합물의 혼합을 통해 분리판을 제조하는 방법에 전도도 향상을 위해 카본블랙을 첨가하여 저가의 연료전지용 고전도성 탄소복합체 분리판 및 그의 제조방법을 제공할수 있다고 한다. 그러나, 이러한 탄소 수지 복합체의 경우, 사용하는 열경화성 수지로 인하여 전기전도도가 떨어지고, 경화시 수축에 의하여 치수정확성이 떨어질 수 있는 단점이 있다.
미합중국 공개특허공보 제2007/0238005호에는 강도와 부식저항성이 개선된 연료전지용 분리판에 대하여 기술하고 있다. 이에 의하면, 금속기판 상에 도전성 고분자를 증착하여 부식저항성을 향상하면서 동시에 전도성을 향상하여 단위셀의 효율을 향상하면서도 금속제 기판으로 인한 강도의 향상을 기대할 수 있다고 한다. 그러나, 도전성고분자를 함유한 고분자층과 금속제 기판 상과의 접착성의 저하로 인하여 장기간의 사용시 내구성이 현저히 감소할 우려가 있다.
대한민국 특허출원 제10-2007-0086236호는 CrN이 코팅된 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법에 대하여 기술하고 있다. 이에 의하면, 고크롬성분을 포함하지 않는 일반적으로 사용되는 20wt% 내외의 크롬성분을 함유하는 스테인리스 강판을 이용하여 표면에 연속적이고 조밀한 질화크롬막을 형성할 수 있는 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법이 제공된다. 이러한 방법의 연료전지용 스테인리스 분리판의 제조방법은 (a) 스테인리스 강판 모재를 마련하는 단계, (b) 스테인리스 강판의 표면을 산세처리 하는 단계, (c) 산세처리된 스테인리스 강판의 표면에 고분자 바인더, 무수크롬산(CrO3), 물(H2O)을 포함하는 조성물을 코팅하는 단계, (d) 표면에 조성물이 코팅된 스테인리스 강판을 환원가스 분위기에서 열처리하여 스테인리스 강판의 표면에 크롬막을 형성하는 단계, 및 (e) 표면에 크롬막이 형성된 스테인리스 강판을 질소를 포함하는 가스분위기에서 열처리하여 크롬막을 질화크롬막으로 변환하는 단계를 포함하며, 상기 공정들은 연속공정으로 수행되는 것을 특징으로 한다. 그러나, 이러한 방법은 제조과정이 복잡할 뿐만 아니라, 열처리 후 또다시 가스분위기에서 재 열처리를 행하는 등 많은 에너지를 요구하게 되어 제조단가가 상승할 우려가 있다.
최근 전세계의 유명 자동차 제조사들이 수소 연료 전지차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)의 주행에서 가장 심각한 문제를 일으키는 경우는 분리판의 표면특성에 의한 물의 넘침 현상(water flooding)에 따른 것으로 보고되고 있을 만큼 분리판의 표면에너지, 접촉각 등의 표면 특성들의 제어가 매우 중요하나, 아직까지도 확실한 대책이 제시되지 못하고 있는 실정이며, 따라서 코팅층의 성능을 향상하기 위해서는 이에 적합한 표면처리가 선행되어야 하는 것이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 10-0494739호는 크롬 산화 부동태막 표면 처리 방법에 대하여 기술하고 있다. 이에 의하면, 기존의 전해 연마 방식은 작업자의 숙련도에 따라 제품의 질이 결정되는 수동적인 면이 있었으나, 인용특허에 의한 COP(Chrome oxide passivation) 기술은 제품과 전극이 일치하게 설계되어 균일한 전류를 전달하고 실제로 COP 처리가 필요한 부분만 선택적으로 전해 연마할 수 있어 에너지 집중과 절약을 동시에 얻으면서 제품의 질을 상승시키며, 고품질의 제품을 균일하게 대량으로 생산할 수 있게 되어 반도체용 특수가스 배관부품 또는 LCD용 증착장치의 부품으로서 유용하게 사용할수 있는 장점이 있다고 한다.
본 발명에서는 스테인리스 스틸 표면에 전해연마 처리를 행하여 평활도와 내식성을 향상함은 물론, 이를 통하여 산화크롬막 위에 투명전극 등의 재료로서 사용되어온 ITO, ZnO:Ga 등의 고품위 전도성 금속산화막(conductive metal oxide)을 갖는 금속 분리판을 제작함으로서 낮은 전기저항과 우수한 표면특성 및 부식저항성을 발현하도록 하여 기존의 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고분자전해질 연료전지에 사용되는 종래의 흑연(graphite) 분리판 대신에 스테인리스 스틸과 같은 금속 소재를 사용하고, 고분자전해질 연료전지의 부식성 환경 하에서도 내부식성이 있어 표면 저항이 증가되지 않으면서 전기전도성이 유지될 수 있으며, 스테인리스 스틸 기판과의 접착성이 우수하여 장기간의 사용에도 내구성이 우수하고, 제조 과정이 간단하여 제조 원가를 절감할 수 있으며, 물에 대한 접촉각 특성이 우수한 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 고분자전해질 연료전지에 사용되는 금속 분리판에 있어서, 스테인리스 스틸 기판과, 평활도, 물과의 접촉각 및 내부식성을 향상시키기 위하여 전해연마 처리되어 상기 스테인리스 스틸 기판 표면에 형성된 산화크롬막과, 상기 산화크롬막 상에 형성된 전도성 및 내부식성을 갖는 0.1∼30㎛ 두께의 전도성 금속산화막을 포함하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판을 제공한다.
상기 산화크롬막이 형성된 스테인리스 스틸 기판은 표면 거칠기 Rmax가 0.7㎛보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
상기 전도성 금속산화막은 산화인듐-주석(ITO) 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어진 것일 수 있다.
상기 전도성 금속산화막은 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)으로 이루어지고, 상기 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)은 ZnO에 Ga2O3가 0.1∼10중량% 함유되게 아연(Zn)에 대한 갈륨(Ga)의 함량비를 갖는 것일 수 있다.
상기 금속 분리판은 전기저항은 4점 프로브를 사용하여 측정한 표면저항이 1.0∼10.0 mΩ/㎠ 범위의 값을 갖는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은, 평활도, 물과의 접촉각 및 내부식성을 향상시키기 위하여 스테인리스 스틸 기판 표면에 전해연마 처리하여 산화크롬막을 형성하는 단계와, 상기 산화크롬막 상에 전도성 및 내부식성을 갖는 0.1∼30㎛ 두께의 전도성 금속산화막을 스퍼터링 증착하는 단계 및 증착된 전도성 금속산화막에 대하여 급속어닐링을 수행하는 단계를 포함하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법을 제공한다.
상기 전해연마 처리는, 인산, 질산, 황산, 구연산 및 옥살산 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 산성 용액을 전해액으로 사용하고, 전해액의 온도는 25∼80℃로 설정하며, 양극과 음극의 전압차는 10∼50V로 설정하며, 전류밀도는 5∼50A/㎠ 범위를 갖고, 양극과 음극 사이의 이격 거리는 0.1∼20㎜로 설정하며, 처리 시간은 100초∼10분 동안 수행하여 상기 산화크롬막이 형성된 스테인리스 기판의 표면 거칠기 Rmax가 0.7㎛보다 작거나 같게 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 전해액은 크롬산(H2CrO4)을 더 함유하는 전해액일 수 있다.
상기 스퍼터링 증착은, 고주파 마그네트론 스퍼터를 사용하여 이루어지고, 증착을 수행하기 위한 분위기 가스로는 산소(O2)를 사용하며, 주입되는 산소(O2)의 유량은 10∼200sccm으로 설정하며, DC 파워로 50W∼2.5kW를 인가하고 RF 파워로 50W∼1kW를 인가하는 것이 바람직하다.
기판에 증착된 전도성 금속산화막의 이동도를 높이기 위하여 증착 동안 기판의 온도를 500∼800℃로 가열하는 것이 바람직하다.
상기 급속어닐링은 질소(N2), 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 가스 분위기에서 250∼900℃의 온도로 10초∼10분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 전도성 금속산화막은 산화인듐-주석(ITO) 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어진 것일 수 있다.
상기 전도성 금속산화막은 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)으로 이루어지고, ZnO 분말에 Ga2O3 분말을 0.1∼10중량% 혼합한 후 몰드에 넣고 성형한 후 소결하여 형성된 산화물을 스퍼터링 증착의 타겟으로 사용하여 증착된 것일 수 있다.
본 발명에 의하여 전도성 금속산화막을 스테인리스 스틸 상에 코팅하면, 전도성과 내부식성이 향상되어 산성용액의 존재하에서도 내부식성이 향상되어 고분자 전해질 연료전지용 금속 분리판으로서 매우 유용하다.
본 발명에 의한 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판은 고분자전해질 연료전지의 부식성 환경 하에서도 내부식성이 있어 표면 저항이 증가되지 않으면서 전기전도성이 유지될 수 있으며, 스테인리스 스틸 기판과의 접착성이 우수하여 장기간의 사용에도 내구성이 우수하고, 제조 과정이 간단하여 제조 원가를 절감할 수 있으며, 물에 대한 접촉각 특성이 매우 우수하다.
고분자전해질 연료전지(PEFC, PEMFC) 상용화에 있어서 해결해야 할 걸림돌은 분리판(bipolar plate) 기술이며, 스택기술로서도 유로채널 설계, 형성 기술의 효율 증대, 연료 공급 및 냉각, 물 배출 등에 관련된 BOP(balance of plant)에 민감하게 영향을 끼치므로 단순한 소재 개발이라기 보다 고분자 연료전지의 효율과 수명, 운전 특성을 좌우하는 중요한 기술이며, 연료전지 시스템의 45%의 중량과 75%의 원가를 차지하므로, 본 발명에 의해 제조된 금속 분리판은 연료전지의 상용화 및 보급에 매우 유용하다.
본 발명을 통해 개발된 전도성 금속산화막이 형성된 금속 분리판은 고분자전해질 연료전지 시스템 작동 하에서 장시간 운전에 걸쳐서도 내부식 특성이 유지될 것으로 기대되므로 작동시간에 따른 금속 분리판의 표면 전기저항의 증가로 인한 연료전지 시스템의 효율의 저하에 미치는 영향을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
고분자전해질 연료전지(PEFC, PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 작동온도가 낮고 전류밀도, 출력밀도가 높으며, 시동 시간이 짧고 부하 변화에 대한 응답 특성이 신속하므로, 본 발명에 의한 금속 분리판은 차세대 수송용, 가정용 전원 등 다양한 전원으로 활용하거나 보급하는데 있어서 기여할 것으로 기대된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은, 고분자전해질 연료전지에 사용되는 종래의 흑연(graphite) 분리판 대신에 스테인리스 스틸과 같은 금속 소재를 사용하고, 고분자전해질 연료전지의 나피온 멤브레인(Nafion Membrane)이 형성하는 부식성 환경 하에서도 내부식성이 있어 표면 저항이 증가되지 않으면서 전기전도성이 유지될 수 있으며, 스테인리스 스틸 기판과의 접착성이 우수하여 장기간의 사용에도 내구성이 우수하고, 제조 과정이 간단하여 제조 원가를 절감할 수 있으며, 물에 대한 접촉각 특성이 우수한 는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법을 제시한다.
고분자전해질 연료전지용 분리판 소재로서 스테인리스 스틸(stainless steel)과 같은 금속 소재를 이용하면 기계적 가공성과 가격, 기계적 강도, 전기전도도가 우수한 반면, 고분자전해질의 부식성 환경 하에서 금속이 부식되어 표면저항을 증가시키고, 해리된 이온들이 전해질 막을 오염시켜 연료전지의 성능을 저하 시키므로 내식성과 전기전도성이 유지되는 고성능 금속 분리판을 제조하기 위해서는 평활도가 우수하면서 내부식성을 갖는 표면 처리가 필요하고 더불어 별도의 전도성과 내부식성을 갖는 금속산화막이 필요하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판을 사용하면 연료전지의 소형화, 경량화 및 고성능화가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 소재의 평활도를 개선하고 물과의 접촉각 증대 및 내부식성의 향상을 위하여 기판(100) 표면에 전해연마 처리하여 산화크롬막(110)을 형성한 후, 상기 산화크롬막 표면 상에 전도성 및 내부식성을 갖는 전도성 금속산화막(120)을 코팅한 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판을 제공한다.
상기 기판(100)은 스테인리스 스틸 또는 하스텔로이(Hastelloy)로 이루어진 기판일 수 있다. 스테인리스 스틸 또는 하스텔로이는 크롬이 많은 표면을 갖기 때문에 부식에 대한 내성이 있고, 스테인리스 스틸 또는 하스텔로이(Hastelloy) 중의 크롬 함량이 높을수록 부식 영향에 대해 더 내성이 있다.
상기 산화크롬막(110)은 전해 연마(Electro Polishing) 처리를 이용하여 형성할 수 있으며, 표면 거칠기 Rmax가 0.7㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 전도성 금속산화막(120)은 산화인듐-주석(Indium-tin oxide), 산화아연(ZnO) 또는 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전 도성 금속산화막은 0.1∼30㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 전도성 금속산화막으로 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)막이 형성되는 경우, 산화인듐-주석 또는 산화아연(ZnO)에 비하여 전기 저항이 작고 전기전도도가 우수하며, 내부식성 및 물에 대한 접촉각도 우수하다. 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)막에서, 전도성 및 내부식성을 고려하여 ZnO에 Ga2O3가 0.1∼10중량% 함유되게 아연(Zn)에 대한 갈륨(Ga)의 함량비를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판은 전기저항은 4점 프로브를 사용하여 측정한 표면저항이 1.0∼10.0 mΩ/㎠ 범위의 값을 갖는다.
전해연마(Electro polishing)는 연마공구와 연마대상물이 직접 접촉하여 연마되는 방식의 일반적인 기계적 연마법에서 탈피한 비접촉 연마 방식으로서 도금의 역과정으로 이루어진다. 일반적인 기계적 연마법은 연마대상물의 표면에 미세한 가공 흔적들이 남고 불순물 오염의 원인이 될 수 있는 파티클(particle)들이 연마 과정에서 생성될 수 있지만, 전해연마는 가공 흔적이 남지 않고 파티클들이 발생하지 않으면서 표면의 평탄화를 이룰 수 있는 장점이 있다. 전해 연마는 연마대상물(스테인리스 스틸 또는 하스텔로이 기판) 표면을 선택적으로 용해하여 평탄화를 이룰 수 있는 방벙으로서, 표면 거칠기를 낮출 수 있다.
이하에서, 전해연마를 이용하여 평활도가 개선되고 물과의 접촉각이 증대되며 내부식성이 향상된 산화크롬막을 형성하는 과정을 살펴본다.
도 2는 전해연마 처리장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전해연마 처리장치는, 전해조(electrochemical bath)(210)와, 산화크롬막이 형성되는 기판으로 이루어지고 양전압이 인가되는 양극(230)과, 전해액에 불용해성이고 전기 저항이 작은 구리(Cu), 백금(Pt), 은(Ag), 금(Au), 납(Pb) 등의 금속 물질로 이루어지고 음전압이 인가되는 음극(240)과, 상기 전해조(10) 내에 담겨지는 전해액(220)과, 양극(230)과 음극(240)에 전압 또는 전류를 공급하기 위한 전원 공급수단(250)을 포함한다. 또한, 전해조 내의 온도을 일정하게 유지하기 위한 핫플레이트(Hot Plate)와 같은 온도 조절장치(260)와 전해액(220)의 온도를 확인할 수 있는 온도계(280)가 설치되어 있을 수도 있다.
양극(230)과 음극(240)은 소정 거리를 두고 서로 이격 배치되고, 전해액(220)에 침지되어 있다. 전해액(220)으로는 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 구연산(citric acid) 및 옥살산(oxalic acid) 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 산성(acids) 용액이 사용될 수 있고, 산성 용액에 소포제, 유동성 조절제, 촉매제, 표면용 첨가제와 같은 첨가제가 혼합될 수도 있다. 또한, 상기 전해액은 전해연마 처리의 촉진을 위하여 크롬산(H2CrO4)을 더 함유할 수 있다.
양극(230)과 음극(240)은 전압 또는 전류를 인가하기 위한 전원 공급 수단(power supply)(250)에 연결되어 있다. 양극(230)에 인가되는 전압은 1V 내지 100V 정도이고, 음극(240)에 인가되는 전압은 0V 내지 -100V 정도이다. 양극(230)과 음극(240)의 전압차는 형성되는 산화크롬막의 두께, 표면 거칠기, 공정시간, 전 해액의 온도, 전해액의 농도, 양극과 음극 사이의 이격 거리 등을 고려하여 적절하게 조절한다. 표면 거칠기 Rmax가 0.7㎛ 이하인 산화크롬막을 제작하기 위해서는 양극(230)과 음극(240)의 전압차는 10∼50V가 되도록 하는 것이 바람직하다. 산화크롬막의 두께 및 표면거칠기는 전해액의 농도, 인가되는 전압의 세기, 처리 시간, 전해액의 온도, 양극과 음극 사이의 거리 등을 적절하게 제어함으로서 조절이 가능하다. 전해액(220)의 온도는 25∼80℃ 정도 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 양극(230)과 음극(240) 사이의 이격 거리는 0.1∼20㎜, 바람직하게는 2㎜ 정도로 설정한다. 처리 시간은 100초∼10분 정도인 것이 바람직한데, 일반적으로 200초 이상이 되면 표면거칠기의 향상 정도가 둔화되는 경향이 있으므로 이를 고려하여 처리 시간을 결정하는 것이 바람직하다. 전류밀도는 5∼50A/㎠ 범위를 가질 때 양호한 표면거칠기를 얻을수 있다.
전원 공급수단(250)에 의해 전원이 공급되어 전해액을 통하여 양극(230)과 음극(240) 사이에 전류가 흐르면 양극(230)에서 미량의 산소가 발생하면서 금속의 용해가 이루어지며, 음극(240)에서는 용해 작용이 없이 수소 가스가 발생하게 된다.
기판 표면의 금속 이온은 전해액보다 높은 금속 농도를 가지며, 농도차에 의한 삼투현상으로 금속 이온이 전해액으로 이동하게 된다. 기판 표면에서도 전해액과 접하는 바깥층의 이온 이동이 활발하게 일어나 양극의 돌출부에서 선택적으로 용해가 촉진되어 표면 평활화 작용이 이루어진다.
전해연마 처리되어 표면에 산화크롬막이 형성되고 평탄화된 기판 표면은 불순물 입자의 유입을 억제시켜 오염이 방지되고, 내부식성이 향상되게 되며, 평활도가 개선되어 물과의 접촉각이 증대되게 된다. 또한, 전해연마 후 표면에 남아있는 산화크롬막은 균질의 구성 성분으로서 분리되거나 벗겨지지 않고 표면 광택이 향상되는 효과가 있다.
전해연마를 이용하여 산화크롬막을 형성한 후, 산화크롬막 상에 전도성 금속산화막을 형성한다. 전도성 금속산화막은 스퍼터링법을 이용하여 0.1∼30㎛의 두께로 형성한다. 상기 전도성 금속산화막은 산화인듐-주석(Indium-tin oxide), 산화아연(ZnO) 또는 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)인 것이 바람직하다.
이하에서, 스퍼터링 증착법을 이용하여 전도성 금속산화막을 형성하는 방법을 설명한다.
전해연마를 수행하게 되면, 양극으로부터 용해된 철과 같은 금속 성분이 용해되어 전해액과 반응하여 슬러지를 형성할 수 있고, 이러한 슬러지는 전해액의 흐름에 따라 산화크롬막이 형성된 기판에 전착되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 전해연마 처리가 이루어진 기판을 스퍼터링을 실시하기 전에 세정 공정을 실시한다.
상기 세정 공정은 산화크롬막이 형성된 기판 표면의 파티클과 유기물을 제거하기 위하여 아세톤과 초음파를 이용하여 1차 세정을 실시하고, 에틸 알코올로 2차 세정을 실시하고, 마지막으로 탈이온수(DI water)로 3차 세정을 실시한 다음, 질 소(N2) 가스로 퍼지(purge)하여 건조하는 단계로 이루어질 수 있다. 초음파(ultrasonic wave) 진동자를 이용하여 초음파를 주사하는데, 주사되는 초음파의 주파수는 28∼40kHz 정도일 수 있고, 1차 세정은 1분∼30분 정도 실시하는 것이 바람직하다.
상기 세정 공정이 완료되면, 산화인듐-주석(Indium-tin oxide), 산화아연(ZnO) 또는 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)과 같은 원하는 조성을 갖는 증착 소스를 함유하는 타겟(target)을 이용하여 스퍼터링을 실시하여 전도성 금속산화막을 증착한다. 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)을 증착하기 위한 소스를 함유하는 타겟은 ZnO 분말에 Ga2O3 분말을 0.1∼10중량% 혼합한 후, 몰드에 넣고 성형한 후 소결하여 얻을 수 있다.
스퍼터링 장비로는 고주파 마그네트론 스퍼터(RF magnetron sputter)를 사용할 수 있다. 전도성 금속산화막의 증착을 실시하기 전에 일정 시간 동안 프리-스퍼터링(pre-sputtering)을 실시하여 타겟의 표면 오염층을 제거하는 것이 바람직하다. 전도성 금속산화막의 증착을 수행하기 위한 분위기 가스로는 고순도의 산소(예컨대, 99.999%)를 사용하는 것이 바람직하고, 주입되는 산소의 유량은 10∼200sccm 정도인 것이 바람직하다. DC 파워(예컨대, 50W∼2.5kW)와 RF 파워(예컨대, 50W∼1kW)를 인가하여 원하는 두께의 전도성 금속산화막을 형성한다. 산화크롬막이 형성된 기판과 타켓과의 거리는 스퍼터링 장비의 사양에 따라 적절하게 설정(예컨대, 5㎝)한다. 증착 시간은 증착되는 전도성 금속산화막의 두께, 스퍼터링 장비의 사양 등에 따라 적절하게 조절한다. 타켓으로부터 스퍼터링된 모멘텀을 가진 소스들은 산화크롬막이 형성된 기판에 단결정 박막을 잘 형성하지 못하므로, 기판에 증착된 소스들의 이동도를 높이기 위하여 증착 동안 기판의 온도를 500∼800℃로 가열하는 것이 바람직하다.
기판에 증착된 전도성 금속산화막의 광학적 특성과 전기적 특성을 향상시키기 위하여 급속어닐링(rapid thermal annealing; RTA)를 실시한다. 상기 급속어닐링(RTA)은 안정화를 위해 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 급속어닐링(RTA)은 250∼900℃의 온도에서 10초∼10분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명은 하기의 실시예들을 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예들이 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
<실시예 1>
고분자전해질 연료전지용 금속 분리판 모재로서 스테인리스 스틸 기판을 20㎜*20㎜*2㎜의 크기로 준비하고, 기판의 표면을 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA)로 세척하였다. 상기 스테인리스 스틸 기판은 포스코(POSCO) 특수강의 STS 316L(18% Cr, 15% Ni, 3% Mo, 0.03% C) 제품을 사용하였다.
세척된 스테인리스 스틸 기판은 크롬산(H2CrO4)을 함유하는 인산(H3PO4)을 포함하는 전해액이 담긴 전해조에 양극으로 연결하여 정류기(전원 공급수단)를 이용 하여 12V, 35A의 조건으로 전해연마 처리를 행하였다. 이때 전해액의 온도는 65℃로 설정하였고, 양극과 음극 사이의 이격 거리는 2㎜ 정도로 설정하였으며, 처리 시간은 200초 였다. 양극과 음극의 전압차는 12V로 설정하였고, 전류밀도는 8.75A/㎠로 설정하였다. 전해연마 처리된 기판의 표면 거칠기 Rmax는 0.65㎛ 였다.
산화크롬막이 형성된 기판 표면의 파티클과 유기물을 제거하기 위하여 아세톤과 초음파를 이용하여 1차 세정을 실시하고, 에틸 알코올로 2차 세정을 실시하고, 마지막으로 탈이온수(DI water)로 3차 세정을 실시한 다음, 질소(N2) 가스로 퍼지(purge)하여 건조하였다. 이때, 초음파(ultrasonic wave) 진동자를 이용하여 주사되는 초음파의 주파수는 32kHz 정도였고, 1차 세정은 5분 동안 실시하였다.
전도성 금속산화막인 산화인듐-주석(indium-tin oxide, In2O3:Sn; ITO)의 조성을 갖는 타겟을 이용하여 스퍼터링 장비(Sputter gun source: DC+RF Combination magnetron Cathode/ DC: 2.5kW, RF: 1kW)를 활용하여, 산화크롬막이 형성된 기판 표면에 산화인듐-주석(ITO)을 1㎛ 두께로 증착하였다. 전도성 금속산화막의 증착을 실시하기 전에 30분 동안 프리-스퍼터링(pre-sputtering)을 실시하여 타겟의 표면 오염층을 제거하였다. 산화인듐-주석(ITO)의 증착을 수행하기 위한 분위기 가스로는 아르곤(Ar)과 고순도의 산소(99.999%)를 사용하였고, 주입되는 산소(O2)의 유량은 40sccm으로 설정하였으며, DC 파워(2.5kW)와 RF 파워(1kW)를 인가하여 증착하였다. 기판에 증착된 소스들의 이동도를 높이기 위하여 증착 동안 기판의 온도를 650℃로 가열하였다. 이때, Ar/O2의 가스분압은 360/2 mmHg 수준에서 행하였으며, 증착 과정에서는 약 10-4 torr의 진공도가 유지되었다.
증착 공정을 수행한 다음에, 급속어닐링(rapid thermal annealing; RTA)을 통해 최종적으로 결정화를 거쳐 전도성 금속산화막인 산화인듐-주석(ITO)막의 형성을 완성하였다. 급속어닐링 열처리 조건은 질소(nitrogen) 분위기에서 300℃의 온도로 1분간 행하였으며, 램프-업(ramp-up) 속도는 100℃/sec로 하였다.
도 3은 실시예 1에서 스퍼터링 증착된 산화아연-주석(ITO)막의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이다.
<실시예 2>
스테인리스 스틸 기판에 전해연마 처리하여 산화크롬막을 형성하고, 세정 공정을 수행하는 단계까지는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 1의 ITO 타겟 대신에 ZnO:Ga 타겟을 준비하였다. ZnO:Ga 타겟의 준비는 ZnO 분말(순도 99.999%)에 Ga2O3 분말(순도 99.995%)을 0.5중량%, 1중량%, 3중량% 및 5중량%를 혼합한 후, 내직경 2인치 몰드에 넣고 성형한 후, 공기 분위기에서 1350℃의 온도로 2시간 동안 소결하여 이루어졌다.
전도성 금속산화막인 ZnO:Ga의 조성을 갖는 타겟을 이용하여 스퍼터링 장비(Sputter gun source: DC+RF Combination magnetron Cathode/ DC: 2.5kW, RF: 1kW)를 활용하여, 산화크롬막이 형성된 기판 표면에 ZnO:Ga를 1㎛ 두께로 증착하였다. ZnO:Ga의 증착을 실시하기 전에 30분 동안 프리-스퍼터링(pre-sputtering)을 실시하여 타겟의 표면 오염층을 제거하였다. ZnO:Ga의 증착을 수행하기 위한 분위기 가스로는 고순도의 산소(99.999%)를 사용하였고, 주입되는 산소(O2)의 유량은 40sccm으로 설정하였으며, DC 파워(2.5kW)와 RF 파워(75W)를 인가하여 증착하였다. 증착 과정에서는 약 10-3∼10-4 torr의 진공도가 유지되었다. 스퍼터링 증착은 전기전도도의 향상을 위해 초고순도의 산소 분위기 만을 사용하였다. 기판에 증착된 소스들의 이동도를 높이기 위하여 증착 동안 기판의 온도를 650℃로 가열하였다.
증착 공정을 수행한 다음에, 급속어닐링(rapid thermal annealing; RTA)을 통해 최종적으로 결정화를 거쳐 전도성 금속산화막인 ZnO:Ga막의 형성을 완성하였다. 급속어닐링 열처리 조건은 질소(nitrogen) 분위기에서 300℃의 온도로 1분간 행하였으며, 램프-업(ramp-up) 속도는 100℃/sec로 하였다.
도 4는 스퍼터링 증착된 ZnO:Ga막의 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여준다.
<비교예>
고분자전해질 연료전지용 금속 분리판 모재로서 스테인리스 스틸 기판을 20㎜*20㎜*2㎜의 크기로 준비하고, 기판의 표면을 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA)로 세척하였다. 상기 스테인리스 스틸 기판은 포스코(POSCO) 특수강의 STS 316L(18% Cr, 15% Ni, 3% Mo, 0.03% C) 제품을 사용하였다.
상기의 실시예 1에서는 전해연마 처리를 통해 산화크롬막을 형성하였으나, 비교예에서는 전해연마 처리를 실시하지 않았으며, 산화인듐-주석(ITO)의 스퍼터링 증착과 급속열처리(RTA)는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 산화인듐-주석 코팅층을 1㎛ 두께로 형성하였다.
실시예 1 및 실시예 2와 비교예에 따라 형성한 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 대표적인 물성치를 아래의 표 1에서 비교하였다. 아래의 표 1은 전해연마 처리 여부에 따른 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 물성을 나타낸다.
실시예 1 실시예 2 비교예
전기저항(mΩ/㎠) 7 4 22
내부식성(㎂/㎠) 2 3 5
접촉각(degree) 85 80 70
전기저항은 4점 프로브(4-point probe)를 사용하여 표면저항값을 측정하였고, 내식성은 동전위 분극 테스터를 사용하여 측정하였으며, 접촉각은 표면접촉각 측정장치를 이용하여 측정하였다.
위의 표 1에서 보는 바와 같이 실시예 1의 전기전도도는 비교예에 비하여 약 70% 향상하였고, 내부식성은 약 40~60% 증가하였으며, 접촉각도 약 15~20%가 향상되어 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판으로서의 물성이 개선되는 것을 알 수 있다. 실시예 2의 경우(전해연마 처리하여 산화크롬막이 형성된 기판 상에 ZnO:Ga막을 형성한 경우)는 실시예 1보다 전기 저항이 작게 나타나 전기전도도가 우수함을 알 수 있다. 또한, 내부식성 및 접촉각도 실시예 1에 비하여 우수한 것으로 나타났다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판을 도시한 단면도이다.
도 2는 전해연마 처리장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 실시예 1에서 스퍼터링 증착된 산화아연-주석(ITO)막의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 스퍼터링 증착된 ZnO:Ga막의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판 110: 산화크롬막
120: 전도성 금속산화막 210: 전해조
220: 전해액 230: 양극
240: 음극 250: 전원 공급수단
260: 온도 조절장치 270: 온도계

Claims (13)

  1. 고분자전해질 연료전지에 사용되는 금속 분리판에 있어서,
    스테인리스 스틸 기판;
    평활도, 물과의 접촉각 및 내부식성을 향상시키기 위하여 전해연마 처리되어 상기 스테인리스 스틸 기판 표면에 형성된 산화크롬막; 및
    상기 산화크롬막 상에 형성된 전도성 및 내부식성을 갖는 0.1∼30㎛ 두께의 전도성 금속산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화크롬막이 형성된 스테인리스 스틸 기판은 표면 거칠기 Rmax가 0.7㎛보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전도성 금속산화막은 산화인듐-주석(ITO) 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전도성 금속산화막은 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)으로 이루어지고, 상기 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)은 ZnO에 Ga2O3가 0.1∼10중량% 함유되게 아연(Zn)에 대한 갈륨(Ga)의 함량비를 갖는 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 분리판은 전기저항은 4점 프로브를 사용하여 측정한 표면저항이 1.0∼10.0 mΩ/㎠ 범위의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판.
  6. 평활도, 물과의 접촉각 및 내부식성을 향상시키기 위하여 스테인리스 스틸 기판 표면에 전해연마 처리하여 산화크롬막을 형성하는 단계;
    상기 산화크롬막 상에 전도성 및 내부식성을 갖는 0.1∼30㎛ 두께의 전도성 금속산화막을 스퍼터링 증착하는 단계; 및
    증착된 전도성 금속산화막에 대하여 급속어닐링을 수행하는 단계를 포함하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전해연마 처리는,
    인산, 질산, 황산, 구연산 및 옥살산 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 산성 용액을 전해액으로 사용하고, 전해액의 온도는 25∼80℃로 설정하며, 양극과 음극의 전압차는 10∼50V로 설정하며, 전류밀도는 5∼50A/㎠ 범위를 갖고, 양극과 음극 사이의 이격 거리는 0.1∼20㎜로 설정하며, 처리 시간은 100초∼10분 동안 수행하여 상기 산화크롬막이 형성된 스테인리스 기판의 표면 거칠기 Rmax가 0.7㎛보다 작거나 같게 되는 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전해액은 크롬산(H2CrO4)을 더 함유하는 전해액인 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 스퍼터링 증착은,
    고주파 마그네트론 스퍼터를 사용하여 이루어지고, 증착을 수행하기 위한 분 위기 가스로는 산소(O2)를 사용하며, 주입되는 산소(O2)의 유량은 10∼200sccm으로 설정하며, DC 파워로 50W∼2.5kW를 인가하고 RF 파워로 50W∼1kW를 인가하는 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 기판에 증착된 전도성 금속산화막의 이동도를 높이기 위하여 증착 동안 기판의 온도를 500∼800℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 급속어닐링은 질소(N2), 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 가스 분위기에서 250∼900℃의 온도로 10초∼10분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 전도성 금속산화막은 산화인듐-주석(ITO) 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 전도성 금속산화막은 갈륨이 함유된 산화아연(ZnO:Ga)으로 이루어지고, ZnO 분말에 Ga2O3 분말을 0.1∼10중량% 혼합한 후 몰드에 넣고 성형한 후 소결하여 형성된 산화물을 스퍼터링 증착의 타겟으로 사용하여 증착된 것을 특징으로 하는 전도성 금속산화막이 코팅된 고분자전해질 연료전지용 금속 분리판의 제조방법.
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