KR20100128361A - Bipolar plate coated with titanium oxynitride for fuel cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서는 일반적으로 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게, 티타늄 질산화물이 코팅된 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. The present disclosure generally relates to a separator for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a separator for a fuel cell coated with titanium nitride and a method for manufacturing the same.
일반적으로 연료전지는 수소 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라서 인산형(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 용융탄산염형 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물형 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 고분자 고체 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등으로 분류된다. In general, a fuel cell is a power generation device that generates electrical energy from hydrogen energy. Such fuel cells are phosphate type (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), and polymer solid electrolyte fuel cell depending on the type of electrolyte. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC).
이중, 고분자 고체 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 일반적으로 수소 이온이 이동하는 전해질 막을 중심으로 막의 양쪽에 화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)와, 반응 가스들을 고르게 분포하게하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결합을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구와, 반응 가스들 및 냉각수가 이동하는 분리판(Bipolar plate)으로 구성된다. Among them, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs) generally have a membrane electrode assembly with electrodes / catalyst layers in which chemical reactions occur on both sides of an electrolyte membrane to which hydrogen ions move. A gas diffusion layer (GDL) which distributes the reaction gases evenly and transfers the generated electricity, a gasket and a fastening mechanism for maintaining the tightness and proper tightness of the reaction gases and the cooling water, It consists of a bipolar plate through which gases and cooling water move.
이 가운데, 분리판은 반응 가스인 수소 가스와 산소 가스가 서로 혼합되지 않도록 차단하고, 막전극접합체를 전기적으로 연격하고, 막전극접합체를 지지하여 연료전지의 형태가 유지되도록 하는 기능을 한다. 따라서, 두 가스가 혼합되지 않을 만큼 치밀한 구조를 지녀야하며, 전도체의 역할을 위해 전기전도성이 우수하여야 하고, 지지체의 역할을 위해 충분한 기계적 강도를 가져야 한다. 또한 분리판은 분자 고체 전해질 연료전지의 전체 비용 가운데 상당 부분을 차지하므로 저렴하며 연료전지 작동환경에 적합해야 한다.Among these, the separator serves to block the hydrogen gas and the oxygen gas as the reaction gas from being mixed with each other, electrically connect the membrane electrode assembly, and support the membrane electrode assembly to maintain the shape of the fuel cell. Therefore, it must have a structure so compact that the two gases are not mixed, have excellent electrical conductivity for the role of the conductor, and have sufficient mechanical strength for the role of the support. Separator also accounts for a significant portion of the total cost of a molecular solid electrolyte fuel cell, so it must be inexpensive and suitable for the fuel cell operating environment.
일반적으로 분리판의 소재로 전기전도성과 화학안정성이 우수한 그래파이트가 주로 이용되고 있으며, 통상 기계가공을 통해 제작된다. 그래파이트는 전기전도성이 높고 산성의 전해질 용액에 안정한 화학적 성질을 갖는다. 그러나 그래파이트는 인장강도와 연성이 낮아 잘 깨어지는 특성이 있으며, 분리판으로 사용하기 위해 그래파이트는 일정 이상의 두께가 요구된다. 이에 따라, 연료전지의 부피와 무게가 증가하고, 단위 무게 혹은 단위 부피당 연료전지의 효율과 출력이 낮아지게 된다. 또한 그래파이트의 가공비 또한 높다.In general, graphite having excellent electrical conductivity and chemical stability is mainly used as a material of the separator, and is usually manufactured by machining. Graphite has high electrical conductivity and stable chemical properties in acidic electrolyte solutions. However, graphite has good tensile strength and ductility, so it breaks well. Graphite needs to have a predetermined thickness to be used as a separator. Accordingly, the volume and weight of the fuel cell are increased, and the efficiency and output of the fuel cell per unit weight or unit volume are lowered. In addition, the processing cost of graphite is also high.
이러한 그래파이트의 단점을 극복하기 위하여, 분리판으로 금속 재료를 사용하려는 시도가 행해져왔다. 금속은 충분한 기계적 강도를 갖고 있으며 가공성이 우수하고, 재료비와 가공비가 저렴하다. 또한 분리판의 두께도 감소시킬 수 있는 장 점이 있다. 그러나, 분리판으로써 금속 재료를 사용하는 경우, 전해질 용액에서 부식이 유발되어 전극 및 전해질을 오염시키고, 표면에 부식생성물로 인해 전기 전도도가 감소하며, 부식으로 인하여 금속 이온이 고분자 전해질 막내로 침투하여 수소 이온의 이동을 저하시키는 문제점이 있다. In order to overcome this disadvantage of graphite, attempts have been made to use metal materials as separators. The metal has sufficient mechanical strength, excellent workability, and low material and processing costs. It also has the advantage of reducing the thickness of the separator. However, when a metal material is used as the separator, corrosion occurs in the electrolyte solution to contaminate the electrode and the electrolyte, electrical conductivity is reduced due to corrosion products on the surface, and metal ions penetrate into the polymer electrolyte membrane due to corrosion. There is a problem of lowering the movement of hydrogen ions.
본 발명은 티타늄 질산화물이 코팅된 분리판을 제공한다. The present invention provides a separator coated with titanium nitrate.
본 발명은 티타늄 질산화물이 코팅된 분리판의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a separator coated with titanium nitrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 전지용 분리판은 스테인리스 강 및 상기 스테인리스 강 표면에 코팅된 티타늄 43-45%, 질소 43-45%, 산소 11-13% 및 탄소 3-4%를 포함하는 티타늄 산질화막을 포함한다.According to one embodiment of the invention, the separator for fuel cell comprises stainless steel and 43-45% titanium, 43-45% nitrogen, 11-13% oxygen and 3-4% carbon coated on the stainless steel surface. Titanium oxynitride film.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 전지용 분리판의 제조 방법이 제공된다. 산소, 질소 및 아르곤을 포함한 혼합 기체를 수용하는 챔버에 기판을 로드한다. 산소 0.2 sccm을 주입하면서 상기 기판 표면에 티타늄 산질화막을 코팅한다.According to one embodiment of the present invention, a method of manufacturing a separator for a fuel cell is provided. The substrate is loaded into a chamber containing a mixed gas containing oxygen, nitrogen and argon. The titanium oxynitride film is coated on the surface of the substrate while injecting 0.2 sccm of oxygen.
상기 티타늄 질산화막을 코팅하는 단계는 유도 결합 플라즈마를 이용한 스퍼터링일 수 있다.Coating the titanium nitride oxide film may be sputtering using an inductively coupled plasma.
티타늄 산질화막을 연료전지의 분리판에 코팅한다. 티타늄 산질화막은 연료전지 분리판의 내부식성을 향상시킨다.The titanium oxynitride film is coated on the separator of the fuel cell. Titanium oxynitride improves the corrosion resistance of the fuel cell separator.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described embodiments of the present invention; However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
도 1은 연료전지에 포함되는 하나의 셀의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of one cell included in a fuel cell.
도 1을 참조하면, 셀은 막전극접합체(10), 막전극접합체(10)상에 형성되는 가스확산층(25, 30) 및 가스확산층(25, 30) 상에 형성되는 분리판(35, 40)을 포함한다. 상기 셀은 복수개가 적층되어 스택을 이룰 수도 있다.Referring to FIG. 1, a cell includes a
막전극접합체(10)는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시킨다. 막전극접합체(10)는 전해질막(5), 전해질 막의 양면에 형성되는 음극(15) 및 양극(20)을 포함한다. 음극(15) 및 양극(20)은 백금, 루테늄, 오스뮴, 팔라듐 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 또한 음극(15) 및 양극(20)은 전이금속을 포함할 수 있다. 음극(15)에서는 연료의 산화 반응이 일어나며 양극(20)에서는 산화제의 환원 반응이 일어난다.The
전해질막(5)은 음극(15)에서 연료의 산화로 발생한 수소 이온을 양극(20)으 로 전달하고, 음극(15) 및 양극(20)을 분리하여, 이들 사이에 연료 또는 산화제가 유입하는 것을 방지한다. 전해질막(5)은 통상적으로 사용되는 이온 전달 물질들이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체 등의 이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. 다른 예로, 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹산실계 고분자 등이 사용될 수 있다.The
가스 확산층(25, 30)은 분리판(35, 40)으로부터 전달된 연료 또는 산화제를 음극(15) 및 양극(20)으로 전달한다. 가스 확산층(25, 30)은 통상적으로 사용되는 도전성 물질이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 확산층(25, 30)은 탄소 천(carbon cloth), 탄소 종이(carbon paper) 및 탄소 펠트(carbon felt)를 포함한다. The
분리판(35, 40)은 티타늄 질산화물(TiNxOy)이 표면에 코팅된 금속을 포함한다. 티타늄 질산화물이 코팅되는 금속으로는 스테인리스 강, 예를 들어 상용의 316L 스테인리스 강을 사용할 수 있다. 다른 관점에서, 분리판(35, 40)은 티타늄 산화물(TiN)에 산소가 도핑된 물질이 스테인리스 강에 코팅된 것으로 볼 수도 있다. 그러나 특별히 이에 한정되는 것은 아니고, 알루미늄 합금, 티타늄 합금 및/또는 니켈 합금을 사용할 수 있다.The
비교예Comparative example
이 316L 스테인리스 강 기판에 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 증착되었다. 상기 티타늄 질화물 막은 316L 스테인리스 강 기판의 양 면에 증착되었다. 약 400W (8.77W/㎠)의 전력으로 약 13.56MHz의 RF 파워를 인가하여 ICP를 발생시켰다. 증착 전에, 스테인리스 강 기판은 약 20분 동안 아세톤이 담긴 용액 및 에탄올이 담긴 용액에 초음파를 이용하여 세척되었다. 상기 증착은 10mTorr이하의 압력에서 아르곤 및 질소의 혼합 기체의 조건에서 수행되었다. 아르곤 및 질소를 공급하기 이전에 기본 압력을 6×10-7 Torr의 진공상태로 챔버내부를 유지시켰다. The 316L stainless steel substrate was deposited using an inductively coupled plasma (ICP). The titanium nitride film was deposited on both sides of a 316L stainless steel substrate. An ICP was generated by applying an RF power of about 13.56 MHz with a power of about 400 W (8.77 W / cm 2). Prior to deposition, the stainless steel substrate was cleaned using ultrasound in acetone and ethanol solution for about 20 minutes. The deposition was performed under conditions of a mixed gas of argon and nitrogen at a pressure of 10 mTorr or less. Prior to supplying argon and nitrogen, the base pressure was maintained inside the chamber at a vacuum of 6 × 10 −7 Torr.
실험예 1Experimental Example 1
티타늄 산질화막이 316L 스테인리스 강 기판에 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 증착되었다. 상기 티타늄 산질화물 막은 316L 스테인리스 강 기판의 양 면에 증착되었다. 약 400W의 전력으로 약 13.56MHz의 RF 파워를 인가하여 ICP를 발생시켰다. 증착 전에, 스테인리스 강 기판은 약 20분 동안 아세톤이 담긴 용액 및 에탄올이 담긴 용액에 초음파를 이용하여 세척되었다. 상기 증착은 10mTorr이하의 압력에서 아르곤, 질소 및 산소의 혼합 기체의 조건에서 수행되었다. 이 때, 증착 공정 중에, 산소는 약 0.2 sccm의 유량으로 공정 챔버 내로 유입되었다. 아르곤, 질소 및 산소를 공급하기 이전에 기본 압력을 6×10-7 Torr의 진공상태로 챔버내부를 유지시켰다. A titanium oxynitride film was deposited on a 316L stainless steel substrate using an inductively coupled plasma (ICP). The titanium oxynitride film was deposited on both sides of a 316L stainless steel substrate. An ICP was generated by applying an RF power of about 13.56 MHz with a power of about 400 W. Prior to deposition, the stainless steel substrate was cleaned using ultrasound in acetone and ethanol solution for about 20 minutes. The deposition was performed under conditions of a mixed gas of argon, nitrogen and oxygen at a pressure of 10 mTorr or less. At this time, oxygen was introduced into the process chamber at a flow rate of about 0.2 sccm during the deposition process. Prior to supplying argon, nitrogen and oxygen, the base pressure was maintained inside the chamber at a vacuum of 6 × 10 −7 Torr.
실험예 2Experimental Example 2
티타늄 산질화막이 316L 스테인리스 강 기판에 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 증착되었다. 상기 티타늄 산질화물 막은 316L 스테인리스 강 기판의 양 면에 증착되었다. 약 400W의 전력으로 약 13.56MHz의 RF 파워를 인가하여 ICP를 발생시켰다. 증착 전에, 스테인리스 강 기판은 약 20분 동안 아세톤이 담긴 용액 및 에탄올이 담긴 용액에 초음파를 이용하여 세척되었다. 상기 증착은 10mTorr이하의 압력에서 아르곤, 질소 및 산소의 혼합 기체의 조건에서 수행되었다. 이 때, 증착 공정 중에, 산소는 약 0.4 sccm의 유량으로 공정 챔버 내로 유입되었다. 아르곤, 질소 및 산소를 공급하기 이전에 기본 압력을 6×10-7 Torr의 진공상태로 챔버내부를 유지시켰다. A titanium oxynitride film was deposited on a 316L stainless steel substrate using an inductively coupled plasma (ICP). The titanium oxynitride film was deposited on both sides of a 316L stainless steel substrate. An ICP was generated by applying an RF power of about 13.56 MHz with a power of about 400 W. Prior to deposition, the stainless steel substrate was cleaned using ultrasound in acetone and ethanol solution for about 20 minutes. The deposition was performed under conditions of a mixed gas of argon, nitrogen and oxygen at a pressure of 10 mTorr or less. At this time, oxygen was introduced into the process chamber at a flow rate of about 0.4 sccm during the deposition process. Prior to supplying argon, nitrogen and oxygen, the base pressure was maintained inside the chamber at a vacuum of 6 × 10 −7 Torr.
실험예 3Experimental Example 3
티타늄 산질화막이 316L 스테인리스 강 기판에 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 증착되었다. 상기 티타늄 산질화물 막은 316L 스테인리스 강 기판의 양 면에 증착되었다. 약 400W의 전력으로 약 13.56MHz의 RF 파워를 인가하여 ICP를 발생시켰다. 증착 전에, 스테인리스 강 기판은 약 20분 동안 아세톤이 담긴 용액 및 에탄올이 담긴 용액에 초음파를 이용하여 세척되었다. 상기 증착은 10mTorr이하의 압력에서 아르곤, 질소 및 산소의 혼합 기체의 조건에서 수행되었다. 이 때, 증착 공정 중에, 산소는 약 0.6 sccm의 유량으로 공정 챔버 내로 유입되었다. 아르곤, 질소 및 산소를 공급하기 이전에 기본 압 력을 6×10-7 Torr의 진공상태로 챔버내부를 유지시켰다. A titanium oxynitride film was deposited on a 316L stainless steel substrate using an inductively coupled plasma (ICP). The titanium oxynitride film was deposited on both sides of a 316L stainless steel substrate. An ICP was generated by applying an RF power of about 13.56 MHz with a power of about 400 W. Prior to deposition, the stainless steel substrate was cleaned using ultrasound in acetone and ethanol solution for about 20 minutes. The deposition was performed under conditions of a mixed gas of argon, nitrogen and oxygen at a pressure of 10 mTorr or less. At this time, during the deposition process, oxygen was introduced into the process chamber at a flow rate of about 0.6 sccm. Prior to supplying argon, nitrogen and oxygen, the base pressure was maintained inside the chamber at a vacuum of 6 × 10 −7 Torr.
실험예 4Experimental Example 4
티타늄 산질화막이 316L 스테인리스 강 기판에 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 증착되었다. 상기 티타늄 산질화물 막은 316L 스테인리스 강 기판의 양 면에 증착되었다. 약 400W의 전력으로 약 13.56MHz의 RF 파워를 인가하여 ICP를 발생시켰다. 증착 전에, 스테인리스 강 기판은 약 20분 동안 아세톤이 담긴 용액 및 에탄올이 담긴 용액에 초음파를 이용하여 세척되었다. 상기 증착은 10mTorr이하의 압력에서 아르곤, 질소 및 산소의 혼합 기체의 조건에서 수행되었다. 이 때, 증착 공정 중에, 산소는 약 0.8 sccm의 유량으로 공정 챔버 내로 유입되었다. 아르곤, 질소 및 산소를 공급하기 이전에 기본 압력을 6×10-7 Torr의 진공상태로 챔버내부를 유지시켰다. A titanium oxynitride film was deposited on a 316L stainless steel substrate using an inductively coupled plasma (ICP). The titanium oxynitride film was deposited on both sides of a 316L stainless steel substrate. An ICP was generated by applying an RF power of about 13.56 MHz with a power of about 400 W. Prior to deposition, the stainless steel substrate was cleaned using ultrasound in acetone and ethanol solution for about 20 minutes. The deposition was performed under conditions of a mixed gas of argon, nitrogen and oxygen at a pressure of 10 mTorr or less. At this time, during the deposition process, oxygen was introduced into the process chamber at a flow rate of about 0.8 sccm. Prior to supplying argon, nitrogen and oxygen, the base pressure was maintained inside the chamber at a vacuum of 6 × 10 −7 Torr.
도 2a 내지 2e는 각각, 비교예 및 실험예 1 내지 4를 오제이 전자 현미경(Auger Electron Spectroscopy)을 이용하여 측정한 원자 농도를 나타낸 그래프이다.2A to 2E are graphs illustrating atomic concentrations of Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4, respectively, measured by Auger Electron Spectroscopy.
도 2a를 참조하면, 비교예에 따른 TiN막의 조성비는, 티타늄 46-48%, 질소 47-49%, 산소 7-8%이다. 비교예에 따른 TiN막을 형성하는 동안 산소를 유입시키지 않았으나, 대기 중의 산소가 TiN막에 침투한 것으로 파악된다.Referring to FIG. 2A, the composition ratio of the TiN film according to the comparative example is 46-48% titanium, 47-49% nitrogen, and 7-8% oxygen. Oxygen was not introduced during the formation of the TiN film according to the comparative example, but it was found that oxygen in the air penetrated the TiN film.
도 2b를 참조하면, 실험예 1에 따른 TiNO막의 조성비는 티타늄 43-44%, 질소 44-45%, 산소 12-14%이다.Referring to Figure 2b, the composition ratio of the TiNO film according to Experimental Example 1 is 43-44% titanium, 44-45% nitrogen, 12-14% oxygen.
도 2c를 참조하면 실험예 2에 따른 TiNO막의 조성비는 티타늄 42-43%, 질소 39-40%, 산소 18-19%이다.Referring to Figure 2c the composition ratio of the TiNO film according to Experimental Example 2 is 42-43% titanium, 39-40% nitrogen, 18-19% oxygen.
도 2d를 참조하면 실험예 3에 따른 TiNO막의 조성비는 티타늄 32-33%, 질소 31-32%, 산소 37-38%이다.Referring to FIG. 2D, the composition ratio of the TiNO film according to Experimental Example 3 is 32-33% titanium, 31-32% nitrogen, and 37-38% oxygen.
도 2e를 참조하면 실험예 4에 따른 TiNO막의 조성비는 티타늄 30-31%, 질소 28-29%, 산소 42-43%이다.Referring to FIG. 2E, the composition ratio of the TiNO film according to Experimental Example 4 is 30-31% titanium, 28-29% nitrogen, and 42-43% oxygen.
조성비로는 나타내지 않았으나, 비교예 및 실험예 1 내지 4에 따라 제조된 막에는 미량의 탄소가 포함될 수 있는데, 이는 자연 상태의 탄소가 침투한 것이라고 판단된다. Although not shown as a composition ratio, the film prepared according to Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 may contain a trace amount of carbon, which is determined to be infiltrated by natural carbon.
비교예 및 실험예 1 내지 4의 계면 접촉 저항(Interfacial Contact Resistance, ICR)을 측정하였다. 도 3는 비교예 및 실험예 1 내지 4의 계면 접촉 저항을 측정한 방법을 나타내는 단면도이다. The interfacial contact resistance (ICR) of Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 was measured. 3 is a cross-sectional view showing a method of measuring the interfacial contact resistance of Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4.
도 3를 참조하면, 시편(100)의 상, 하부에 카본 페이퍼(105, 110)을 배치한 다음, 시편(100)와 접하지 않는 카본 페이퍼(105, 110) 상, 하부에 금 도금된 구리판(115, 120)에 압력을 가하며 전압, 전류를 인가하여 시편(100)의 계면 접촉 저항을 측정하였다. 이때, 가해진 압력은 약 150 N/㎠이었다. 실험 방법은 Davies method로 실시하였다. Referring to FIG. 3, after the
도 4는 비교예 및 실험예 1 내지 4에 따라 제조된 막을 코팅한 분리판의 계면 접촉 저항을 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the interfacial contact resistance of the membrane coated membrane prepared according to Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4.
도 4를 참조하면, 티타늄 질화막을 316L 스테인리스 강에 증착한 시편의 계 면 저항은 약 2.5mΩ㎠이었다. 산소를 0.2 sccm의 유량으로 주입하면서 티타늄 산질화막을 스테인리스 강에 증착한 시편의 계면 저항은 약 2.5mΩ㎠이었다. 산소를 0.4 sccm의 유량으로 주입하면서 티타늄 산질화막을 스테인리스 강에 증착한 시편이 계면 저항은 약 2.5mΩ㎠ 보다 근소하게 증가하였다. 그러나 산소를 0.6 sccm의 유량으로 주입하면서 티타늄 산질화막을 스테인리스 강에 증착한 시편이 계면 저항은 약 5.0mΩ㎠보다 근소하게 컸으며, 산소를 0.6 sccm의 유량으로 주입하면서 티타늄 산질화막을 스테인리스 강에 증착한 시편의 계면 저항은 약 17.5mΩ㎠이었다. Referring to FIG. 4, the interface resistance of the specimen in which the titanium nitride film was deposited on 316L stainless steel was about 2.5
도 5는 0.1 N H2SO4 + 2 ppm HF 용액에서 공기로 버블링한 분위기에서 코팅되지 않은 316L 스테인리스강, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 시편들의 변전위 분극 곡선(Potentiodynamic Polarization Curve)을 나타내는 그래프이다. 도 6은 0.1 N H2SO4 + 2 ppm HF 용액에서 80도의 온도로 수소 가스를 이용하여 버블링한 분위기에서 코팅되지 않은 316L 스테인리스강, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 시편들의 변전위 분극 곡선(Potentiodynamic Polarization Curve)을 나타내는 그래프이다.FIG. 5 shows the Potentiodynamic Polarization Curve of uncoated 316L stainless steel, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 in an air bubbled atmosphere in 0.1 NH 2 SO 4 + 2 ppm HF solution. It is a graph. FIG. 6 shows the displacement polarization curves of uncoated 316L stainless steel, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 in a bubbling atmosphere using hydrogen gas at a temperature of 80 degrees in a 0.1 NH 2 SO 4 + 2 ppm HF solution. It is a graph showing (Potentiodynamic Polarization Curve).
도 5 및 6을 참조하면, 공기로 버블링한 것의 의미는 양극 분위기에서 시편의 내부식성을 측정한 것을 의미한다. 수소로 버블링한 것의 의미는 음극 분위기에서 시편의 내부식성을 측정한 것을 의미한다. 코팅을 하지 않은 316L 스테인리스 강에 비해 비교예 및 실험예 1내지 4의 경우 뛰어난 내부식성을 나타내었다. 특히 약 0.2 sccm의 산소를 주입하면서 티타늄 질산화막을 316L 스테인리스 강에 코팅한 실험예 1이 가장 뛰어난 내부식성을 나타내었다. 실험예 1 시편의 부식전류 밀도는 0.6 vs SCE(SaturatedCalomel Electrode)가 2.7×10-6 Acm-2이었다. 비교예의 부식전류 밀도는 0.6 vs SCE가 8×10-6 Acm-2이었다.5 and 6, bubbled with air means that the corrosion resistance of the specimen in the anode atmosphere was measured. By bubbling with hydrogen, we mean the corrosion resistance of the specimen in the cathode atmosphere. Compared with 316L stainless steel without coating, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 showed excellent corrosion resistance. In particular, Experimental Example 1 in which the titanium nitride film was coated on 316L stainless steel while injecting oxygen of about 0.2 sccm showed the most excellent corrosion resistance. Experimental Example 1 The corrosion current density of the specimen was 0.6 vs SCE (SaturatedCalomel Electrode) of 2.7 × 10 −6 Acm −2 . The corrosion current density of the comparative example was 0.6 × SCE of 8 × 10 −6 Acm −2 .
도 7은 양극 분위기에서 측정한 코팅되지 않은 316L 스테인리스강, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 시편들의 정전위 분극 곡선(Potentiostatic Polarization Curve)을 나타내는 그래프이다. 도 8은 음극 분위기에서 측정한 코팅되지 않은 316L 스테인리스강, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 시편들의 정전위 분극 곡선(Potentiostatic Polarization Curve)을 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing a potentiostatic polarization curve of specimens of uncoated 316L stainless steel, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4, measured in an anode atmosphere. FIG. 8 is a graph showing a potentiostatic polarization curve of specimens of uncoated 316L stainless steel, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 measured in a cathode atmosphere.
정전위 분극 측정은 약 10분간 음극 분위기는 -0.1V, 양극 분위기는 0.6V에서 측정되었다.The potentiometric polarization measurement was measured for 10 minutes at -0.1V in the cathode atmosphere and 0.6V in the anode atmosphere.
도 7 및 도 8을 참조하면, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 경우에는 양극 분위기에서 약 2.0×10-6 Acm-2의 낮은 전류 밀도를 나타내었다. 음극 분위기에서, 실험예 1 및 실험예 2는 부식 전위가 -0.1V 이상이기 때문에 전류 밀도가 음(negative)을 나타내었다. 이는 실험예 1 및 실험예 2의 티타늄 질산화막이 부식 방지막으로서의 기능을 한다는 것을 의미한다. 실험예 3 및 실험예 4는 양(positive)의 전류가 관찰되었다. 7 and 8, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 exhibited a low current density of about 2.0 × 10 −6 Acm −2 in the anode atmosphere. In the cathode atmosphere, Experimental Example 1 and Experimental Example 2 showed a negative current density because the corrosion potential was -0.1V or more. This means that the titanium nitride oxide film of Experimental Example 1 and Experimental Example 2 functions as a corrosion preventing film. In Experimental Example 3 and Experimental Example 4, a positive current was observed.
비교예 및 실험예 1 내지 4의 계면 접촉 저항, 변전위 분극 커브 및 정전위 분극 커브를 통해 알 수 있듯이, 종래의 티타늄 질화막을 스테인리스 강에 코팅한 것에 비해, 티타늄 산질화막을 스테인리스 강에 코팅할 경우 전기 전도도에 변화는 없으나 내부식성이 증가하고 계면 접촉 저항이 감소하는 것을 알 수 있었다. 특히, 0.2sccm의 유량의 산소를 주입하면서 티타늄 산질화막을 코팅한 경우, 즉 산소가 12-14% 포함된 실험예 1의 경우에는 내부식성이 뛰어나게 증가하였음에 비해 계면 접촉 저항은 가장 낮게 나타남을 알 수 있었다. 다시 말하면, 내부식성 측면에서, 티타늄 산질화막은 우수한 특성을 갖고 있으며, 계면 접촉 저항까지 고려할 경우, 0.2sccm의 유량의 산소를 주입하면서 티타늄 산질화막을 코팅한 경우, 즉 산소가 12-14% 포함된 실험예 1의 경우 가장 우수한 특성을 갖는다. As can be seen from the interfacial contact resistance, the displacement potential polarization curve, and the potential potential polarization curve of Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4, the titanium oxynitride layer may be coated on the stainless steel as compared with the conventional titanium nitride layer on the stainless steel. In this case, there was no change in electrical conductivity, but the corrosion resistance increased and the interface contact resistance decreased. In particular, when the titanium oxynitride film was coated while injecting oxygen at a flow rate of 0.2 sccm, that is, in case of Experimental Example 1 containing 12-14% of oxygen, the interfacial contact resistance was the lowest as compared with the excellent corrosion resistance. Could know. In other words, in terms of corrosion resistance, the titanium oxynitride film has excellent characteristics, and considering the interfacial contact resistance, when the titanium oxynitride film is coated while injecting oxygen at a flow rate of 0.2 sccm, that is, containing 12-14% oxygen Experimental Example 1 has the best characteristics.
실험예 1의 경우 0.2sccm의 산소를 주입하면서 티타늄 산질화막을 316L 스테인리스 강에 코팅을 하여, 산소가 12-14% 포함된 티타늄 산질화막을 형성하였으나, 산소의 주입량은 챔버의 크기, 주입되는 산소를 제외한 가스의 유량에 따라 달라질 수 있다. 이는 티타늄 산질화막 코팅 공정과 상관없이, 티타늄 43-44%, 질소 44-45%, 산소 12-14%의 조성비를 갖는 티타늄 산질화막을 316L 스테인리스 강에 코팅을 하여 연료전지의 분리판으로 사용하는 경우 가장 좋은 효과를 나타낸다는 것을 의미한다. In Experimental Example 1, a titanium oxynitride film was coated on 316L stainless steel while injecting 0.2 sccm of oxygen to form a titanium oxynitride film containing 12-14% of oxygen. Can vary depending on the flow rate of the gas. Regardless of the titanium oxynitride coating process, the titanium oxynitride film having a composition ratio of titanium 43-44%, nitrogen 44-45%, and oxygen 12-14% is coated on 316L stainless steel to be used as a separator of a fuel cell. It means the best effect.
연료전지용 분리판에 티타늄 질산화막을 코팅하여 내부식성을 향상시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.It is possible to improve the performance of the fuel cell by coating titanium nitride film on the separator for fuel cell to improve corrosion resistance.
본 발명은 바람직한 실시예를 들어 설명되었지만, 본 발명이 그러한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 이러한 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자는 본 발명의 범위와 개념으로부터 다양한 변형 및 대체 기술을 만들 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 다음의 청구항 및 그와 균등한 범위로 정의되고 보호되어야만 한다. Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited by such embodiments. Those skilled in the art will be able to make various modifications and alternative techniques from the scope and concept of the invention. Therefore, the scope of the present invention should be defined and protected by the following claims and their equivalents.
본 발명은 첨부된 도면과 관련하여 읽어질 때 보다 잘 이해되어질 것이다. 본 발명을 설명하기 위하여 선호되는 도면들의 예가 나타나 있지만, 본 발명은 도면들에 나타나 있는 정확한 배열 및 수단으로 한정되는 것이 아님을 이해하여야 할 것이다.The invention will be better understood when read in conjunction with the accompanying drawings. While examples of preferred drawings have been shown to illustrate the invention, it should be understood that the invention is not limited to the precise arrangements and instrumentalities shown in the drawings.
도 1은 연료전지에 포함되는 하나의 셀의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of one cell included in a fuel cell.
도 2a 내지 2e는 각각, 비교예 및 실험예 1 내지 4에 따른 막들을 오제이 전자 현미경(Auger Electron Spectroscopy)을 이용하여 측정한 원자 농도이다.2A to 2E are atomic concentrations measured using Auger Electron Spectroscopy of membranes according to Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4, respectively.
도 3는 비교예 및 실험예 1 내지 4에 따른 막을 코팅한 316L 스테인레스 강의 계면 접촉 저항을 측정한 방법을 나타내는 단면도이다. 3 is a cross-sectional view showing a method for measuring the interfacial contact resistance of 316L stainless steel coated with a film according to Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4.
도 4는 비교예 및 실험예 1 내지 4에 따른 막을 코팅한 316L 스테인레스 강 계면 접촉 저항을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing 316L stainless steel interface contact resistance coated with a film according to Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4.
도 5는 0.1 N H2SO4 + 2 ppm HF 용액에서 공기로 버블링한 분위기에서 코팅되지 않은 316L 스테인리스강, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 시편들의 변전위 분극 곡선(Potentiodynamic Polarization Curve)을 나타내는 그래프이다.FIG. 5 shows the Potentiodynamic Polarization Curve of uncoated 316L stainless steel, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 in an air bubbled atmosphere in 0.1 NH 2 SO 4 + 2 ppm HF solution. It is a graph.
도 6은 0.1 N H2SO4 + 2 ppm HF 용액에서 80도의 온도로 수소 가스를 이용하여 버블링한 분위기에서 코팅되지 않은 316L 스테인리스강, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 시편들의 변전위 분극 곡선(Potentiodynamic Polarization Curve)을 나타내는 그래프이다.FIG. 6 shows the displacement polarization curves of uncoated 316L stainless steel, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 in a bubbling atmosphere using hydrogen gas at a temperature of 80 degrees in a 0.1 NH 2 SO 4 + 2 ppm HF solution. It is a graph showing (Potentiodynamic Polarization Curve).
도 7은 양극 분위기에서 측정한 코팅되지 않은 316L 스테인리스강, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 시편들의 정전위 분극 곡선(Potentiostatic Polarization Curve)을 나타내는 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing a potentiostatic polarization curve of specimens of uncoated 316L stainless steel, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4, measured in an anode atmosphere.
도 8은 음극 분위기에서 측정한 코팅되지 않은 316L 스테인리스강, 비교예 및 실험예 1 내지 4의 시편들의 정전위 분극 곡선(Potentiostatic Polarization Curve)을 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing a potentiostatic polarization curve of specimens of uncoated 316L stainless steel, Comparative Examples and Experimental Examples 1 to 4 measured in a cathode atmosphere.
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