KR20120134618A - 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 침탄을 통하여 밀착성, 내식성, 전도성, 내구성 등의 물성이 우수한 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법은 (a) 금속 모재 표면을 활성화하는 전처리 단계; (b) 상기 전처리된 금속 모재 상에 금속 코팅층을 형성하는 단계; 및 (c) 플라즈마 상태의 탄화수소 가스를 이용하여 상기 금속 코팅층 표면에 침탄층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법 {METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 금속 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판 형상으로 성형된 금속 모재 상에 플라즈마 침탄 처리를 수행하여, 연료전지용 금속 분리판의 내식성, 전도성, 내구성 등의 물성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)란 연료의 산화로 인해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전지로서, 최근 화석 연료의 고갈 문제, 이산화탄소 발생에 의한 온실효과와 지구 온난화 등의 문제점을 극복하고자 태양전지 등과 함께 많은 연구가 이루어지고 있다.
연료전지는 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
연료전지의 단위 셀(Unit Cell)은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개 내지 수백개의 단위 셀을 적층하여 사용한다. 단위 셀의 적층 시, 각각의 단위 셀 간에 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜 주는 역할을 하는 것이 분리판(Separator)이다.
연료전지용 분리판은 재질에 따라서 그라파이트 분리판, 금속 분리판 등으로 구분된다.
그라파이트 분리판은 종래의 연료전지용 분리판에서 많이 채용되는 것으로, 그라파이트(Graphite)를 유로 형태에 따라 밀링 가공하여 제작하였다. 이 경우 그라파이트 재질의 분리판이 차지하는 비중이 스택 전체에서 비용은 50%, 무게에서는 80% 이상을 차지하였다. 따라서, 그라파이트 재질의 분리판은 고비용, 큰 부피 등의 문제점이 있었다.
상기의 그라파이트 재질의 분리판의 문제점을 극복하기 위해, 금속 재질의 금속 분리판이 개발되었는데, 금속 분리판은 가공성이 용이하고, 분리판의 두께 감소를 통한 연료전지 전체적인 부피 감소 및 경량화를 도모할 수 있으며, 대량 생산이 용이한 점 등의 여러 장점이 있다.
그러나, 연료전지 사용시 발생하는 금속의 부식은 막전극집합체의 오염을 유발하여 연료전지 스택 성능을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있고, 또한 장시간 사용시 금속 표면에서의 두꺼운 산화막 성장은 연료전지 내부 저항을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 상기와 같이 금속 분리판에서 금속의 부식과 연료전지 내부 저항 증가를 억제하여 금속 분리판의 성능을 향상시킬 수 있도록, 높은 내식성과 전기 전도성을 갖는 연료전지용 금속 분리판이 요구된다.
본 발명의 목적은 금속이 코팅된 금속 분리판 표면에 얇은 두께의 플라즈마 침탄층을 형성함으로써, 높은 내식성 및 전도성을 확보할 수 있는 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법은 (a) 분리판 형상으로 성형된 금속 모재 표면을 활성화하는 전처리 단계; (b) 상기 전처리된 금속 모재 상에 금속 코팅층을 형성하는 단계; 및 (c) 플라즈마 상태의 탄화수소 가스를 이용하여 상기 금속 코팅층 표면에 침탄층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 (a) 단계는 세정액을 이용하여 상기 금속 모재 표면을 습식 처리하는 단계와, 상압 플라즈마를 이용하여 상기 습식 처리된 금속 모재 표면을 건식 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판은 분리판 형상으로 성형되어 있으며, 표면 산화물이 제거된 금속 모재; 상기 금속 모재 표면에 형성되는 금속 코팅층; 및 상기 금속 코팅층 표면에 형성되는 플라즈마 침탄층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 코팅층은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 플라즈마 침탄층에는 크롬탄화물(CrxCY) 또는 티타늄탄화물(TixCY)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판은 표면 쪽에 침탄층을 형성함으로써 내식성, 전도도, 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판은 저가의 공정 비용으로도 고밀도 침탄층을 형성할 수 있어서, 연료전지용 금속 분리판의 전체적인 제조 비용을 절감할 수 있으며, 연료전지용 금속 분리판의 두께를 감소시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법은 상압 플라즈마를 이용한 건식 처리를 통하여 금속 모재 표면의 산화물 등을 제거함으로써 금속 코팅층의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 금속 분리판 시편의 접촉저항 측정에 사용된 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 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 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 플라즈마 침탄을 이용한 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 금속 분리판은 금속 모재(110), 금속 코팅층(120) 및 플라즈마 침탄층(130)을 포함한다.
금속 모재(110)는 연료전지용 금속 분리판에 이용되는 것이라면 제한없이 이용될 수 있다. 예를 들어, 금속 모재(110)는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 니켈 등을 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 이 중 가벼우면서도 내식성이 우수한 스테인리스 스틸 재질의 금속 모재가 가장 바람직하다고 볼 수 있다.
한편, 이들 금속 모재(110)를 구성하는 재질은 연료전지의 고온 다습한 환경 하에서는 내식성 및 전기 전도성 특성이 만족할만한 수준을 보이지 못하는 바, 본 발명에서는 이러한 점을 보완하기 위하여 금속 모재(110) 표면에 금속 코팅층(120)이 형성되고, 또한 금속 코팅층(120) 표면에 플라즈마 침탄층(130)이 형성되어 있다.
금속 코팅층(120)은 금속 분리판의 전기전도성을 향상시키기 위하여 형성된다. 이러한 점을 고려할 때, 금속 코팅층(120)은 전기전도성 및 내식성이 우수한 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
금속 코팅층(120)은 전기전도성 향상 효과 및 제조 비용 등을 고려할 때 대략 0.01 ~ 5.0 ㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다.
이러한 금속 코팅층(120)을 통하여 금속 분리판의 전기전도성, 내식성 등을 확보할 수 있다.
한편, 금속 모재(110)의 표면에는 산화물층이 존재한다. 이러한 금속 모재(110) 표면의 산화물층은 금속 코팅층(120)의 밀착성을 저해하는 요소로 작용한다. 따라서, 금속 코팅층(120)의 금속 모재(110)와의 밀착성이 향상될 수 있도록, 금속 모재(110)의 표면에 존재하는 산화물이 제거되는 것이 바람직하다. 이는 상압 플라즈마를 이용한 건식 처리에 의하여 이루어질 수 있다.
한편, 고온 다습한 가혹한 연료전지 사용 환경에 연료전지용 금속 분리판이 장시간 노출될 경우, 이러한 금속 코팅층(120)에 의하여도 내식성 및 내구성이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 금속 분리판의 장기 내구성 등이 확보될 수 있도록, 금속 코팅층(120) 표면에 플라즈마 침탄층(130)을 형성한다.
물론, 금속 분리판의 내식성 및 내구성 확보를 위하여 탄소 코팅을 고려할 수 있다. 그러나, 이 경우, 탄소 코팅층을 별도로 형성하여야 하는 바, 탄소 코팅층 및 이종의 금속 코팅층과의 밀착성이 저하될 수 있으며, 이를 개선하기 위하여는 복잡한 공정 조건이 요구된다. 그러나, 플라즈마 침탄층(130)의 경우, 별도의 코팅층이 아닌 침탄(carburizing)에 의하여 형성되는 층이므로 밀착성이 문제되지 않는 장점이 있다.
이러한 플라즈마 침탄층(130)에는 금속 코팅층(120)의 재질에 따라서 내식성 및 전기전도성을 갖는 크롬탄화물(CrxCY) 또는 티타늄탄화물(TixCY)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 고온 및 장시간 노출시 표면에 형성되어 내식성 및 접촉저항을 저하시키는 금속 탄화물 형성을 억제할 수 있다. 본 발명의 경우, 후술하는 플라즈마 침탄 공정에 의하여 이들 화합물이 형성되었으며, 실험 결과 내식성 및 접촉저항이 매우 우수하였다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 연료전지용 금속 분리판 제조 방법은 금속 모재 전처리 단계(S210), 금속 코팅 단계(S220) 및 플라즈마 침탄 단계(S230)를 포함한다.
우선, 금속 모재 전처리 단계(S210)에서는 금속 모재 표면의 불순물을 제거하고, 또한 금속 모재 표면의 산화물을 제거함으로써 금속 모재 표면을 활성화한다.
금속 모재 전처리 단계(S210)는 보다 구체적으로, 습식 처리 단계(S212) 및 건식 처리 단계(S214)를 포함할 수 있다.
습식 처리 단계(S212)에서는 세정액을 이용한 습식 처리를 통하여 스테인리스 스틸, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 등의 재질을 포함하는 금속 모재 표면의 유기물이나 무기물을 제거한다.
습식 처리를 위한 세정액은 아세톤 및 에탄올 중에서 1종 이상을 포함하는 세정액이 이용될 수 있다. 습식 처리는 세정액을 이용하여 1회 이상 실시하되, 각 회당 5~10분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 각 회당 습식 처리 시간이 5분 미만이면 세정 효과가 불충분할 수 있다. 반면, 각 회당 습식 처리 시간이 10분을 초과하는 경우, 더 이상의 세정효과 없이 생산성만 저하될 수 있다.
건식 처리 단계(S214)에서는 습식 처리된 금속 모재 표면의 미세 유기물이나 무기물을 제거하고, 아울러 금속 모재 표면의 산화물 등을 제거함으로써 금속 모재의 표면을 활성화시킨다. 이러한 건식 처리를 통하여 금속 모재 상에 형성되는 금속 코팅층의 밀착력을 증가시킬 수 있다. 이러한 건식 처리를 위하여 본 발명에서는 상압 플라즈마를 이용한다. 여기서 상압은 인위적인 압력이 가감되지 않은 상태를 의미한다.
상압 플라즈마에 의한 건식 처리의 경우, 저압 플라즈마에 의한 건식 처리에 비하여 장치 및 공정에서 발생하는 비용을 크게 절감할 수 있으며, 건식 처리시 금속 모재가 받는 응력을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 표면 활성화 에너지 증가로 코팅 시 그 효과를 증대시킬 수 있다.
건식 처리를 위하여 상압에서 플라즈마화되는 가스는 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar) 가스 등이 이용될 수 있다. 이들 가스는 1종의 가스를 단독으로 사용할 수 있고, 2종 이상의 가스를 혼합 사용할 수 있다.
건식 처리는 상압에서 이들 가스를 플라즈마화하여 금속 모재 표면에 공급하여 금속 모재 표면이 에칭되도록 실시할 수 있다. 상압 플라즈마에 의한 금속 모재 표면의 에칭 두께는 산화물층 등의 두께의 의하여 결정될 수 있으며, 1 ~ 10,000nm가 될 수 있다.
상압 플라즈마에 의한 금속 모재 표면의 에칭 두께가 1nm 미만일 경우, 표면 산화물 등이 완전히 제거되기 어렵고, 상압 플라즈마에 의한 금속 모재 표면의 에칭 두께가 10,000nm를 초과하는 경우, 과도한 건식 처리로 인하여 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
다음으로, 금속 코팅 단계(S220)에서는 금속 분리판의 전기전도성 등의 향상을 위하여, 전처리된 금속 모재 상에 금속 코팅층을 형성한다.
금속 코팅은 스퍼터링 방식 등이 적용될 수 있다. 금속 코팅층은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
다음으로, 플라즈마 침탄 단계(S230)에서는 플라즈마 상태의 탄화수소 가스를 이용하여 금속 코팅층 표면에 침탄층을 형성한다.
플라즈마 침탄을 위하여 플라즈마화되는 탄화수소 가스는 CH4, C2H6 등 다양한 탄화수소 가스를 이용할 수 있고, 이들 탄화수소 가스는 단독으로 혹은 2종 이상 혼합하여 이용할 수 있다.
또한, 이들 탄화수소 가스는 수소(H2), 아르곤(Ar) 등의 가스와 혼합 이용될 수 있다. 이들 가스는 금속 코팅층 표면에의 침탄 효과를 향상시키는 역할을 한다.
플라즈마 침탄은 1~10 torr의 압력조건, 300 ~ 800℃의 온도 조건에서 5분 내지 20시간 동안 실시되는 것이 바람직하다. 상기 조건에서 표면에 금속탄화물이 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
플라즈마 침탄시 장비 내부 압력이 1 torr 미만인 경우 플라즈마 침탄 비용이 크게 상승할 수 있으며, 장비 내부 압력이 10 torr를 초과하는 경우 침탄층 형성이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
또한 플라즈마 침탄시 장비 내부 온도가 300℃ 미만일 경우 침탄층 형성이 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 장비 내부 온도가 800℃를 초과하는 경우 플라즈마 침탄층에 내식성 및 접촉저항을 저하시키는 금속탄화물을 대량으로 형성할 수 있다. 또한, 플라즈마 침탄 시간이 5분 미만일 경우 침탄층 형성이 불충분하며, 플라즈마 침탄 시간이 20시간을 초과하는 경우 생산성이 문제된다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 연료전지용 금속 분리판 시편의 제조
실시예 1
금속 모재로서 스테인리스 스틸(SUS 316L, 두께 0.1mm)을 사용하고, 아세톤으로 5분, 에탄올로 5분간 각각 습식 처리한 후, 상압에서 아르곤 가스를 플라즈마화하여 금속 모재 표면의 에칭 두께가 500nm가 되도록 건식 처리를 실시하였다. 이후 스퍼터링 방식으로 2㎛ 두께의 크롬 코팅층을 형성하였다. 이후, 5torr, 300℃에서 CH4 및 아르곤 가스를 플라즈마화하여 표면 침탄을 30분동안 실시하여, 금속 분리판 시편을 제조하였다.
실시예 2
크롬 코팅층 대신 티타늄 코팅층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 분리판 시편을 제조하였다.
비교예 1
습식 처리 및 건식 처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 분리판 시편을 제조하였다.
비교예 2
건식 처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 분리판 시편을 제조하였다.
비교예 3
플라즈마 침탄시 온도 조건을 1000℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 분리판 시편을 제조하였다.
2. 물성 평가
(1) 접촉저항 측정
도 3은 본 발명의 실시예에서, 금속 분리판 시편의 접촉저항 측정에 사용된 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 금속 분리판 시편(300)의 접촉저항 측정을 위해 셀 체결을 위한 최적화된 상수를 얻기 위해 수정된 데이비드 방법(Davies method)을 금속 분리판과 카본 페이퍼 사이의 접촉저항을 측정하기 위해 사용하였다.
접촉저항은 4점법(four-wire current-voltage) 측정 원리를 이용하여 Zahner사의 IM6D 장비로 측정하였다.
측정방법은 정전류 모드에서 측정 영역 DC 5A 및 AC 0.5A로 하여 10kHz로 부터 10mHz 까지의 범위에서 접촉저항을 측정하였다. 카본페이퍼는 SGL사의 10BB를 사용하였다.
상기 접촉저항 측정 장치(30)는 카본 페이퍼(320), 금이 도금된 구리플레이트(310)가 시편(300)을 사이에 두고 각각 상하로 마련되고, 상기 구리플레이트(310)는 전류공급장치(330)와 전압측정장치(340)에 연결되어 있다.
상기 시편(300)에 전류를 공급할 수 있는 전류공급장치(330, Zahner사의 IM6)로 DC 5A/AC 0.5A의 전류를 인가하여 전압을 측정하였다.
그리고, 상기 접촉저항측정장치(30)의 구리플레이트(310) 상하에서 상기 시편(300)과 카본페이퍼(320), 구리 플레이트(310)가 적층구조를 갖도록 압력을 제공할 수 있는 압력기(Instron사 모델 5566, 압축유지시험)를 마련한다. 상기 압력기는 상기 접촉저항 측정 장치(30)에 100N/cm2의 압력을 제공한다.
이와 같이 마련된 접촉저항 측정 장치(30)로 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 시편(300)의 접촉저항을 측정하였다.
(2) 부식전류의 측정
실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따른 금속 분리판의 부식전류를 측정하기 위한 측정장비로는 EG&G 273A을 사용하였다. 부식 내구성 실험은 PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 구동 분위기와 유사 환경 하에서 이루어 졌다.
금속 분리판 부식용 실험용액으로는 80℃의 0.1N H2SO4 + 5ppm HF 용액을 사용하고, 1시간 동안 N2 bubbling 후 OCP(Open Circuit Potential) - 0.25V ~ 1.2V vs SCE 범위에서 측정하였다.
그리고, PEFC anode 환경에 대해 -0.24V vs SCE, cathode 환경(SCE: Saturated Calomel Electrode)에 대해 0.6V vs SCE에서 물성측정을 하였다.
여기서 상기 물성측정 비교는 연료전지 환경과 유사한 cathode 환경의 0.6V vs SCE의 부식전류 데이터를 통해 비교 평가하였다.
상기 anode 환경은 수소가 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)에서 수소이온과 전자로 분리되는 반응이 일어나는 환경이며, 상기 cathode 환경은 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 물을 생성하는 반응이 일어나는 환경이다.
여기서 상기의 조건과 같이 cathode환경의 전위가 높으며, 더욱 가혹한 부식 조건이기 때문에 cathode 환경을 기준으로 내식성을 시험하는 것이 바람직하다.
3. 물성 평가 결과
표 1은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 금속 분리판 시편의 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure pat00001

표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1 ~ 2에 따른 시편의 경우, 부식전류가 1㎂/cm2 이하이고, 접촉저항은 10mΩ?cm2 이하인 것을 알 수 있다. 또한, 분석 결과, 실시예 1에 따른 시편의 경우 플라즈마 침탄층에 크롬탄화물(CrxCY)이 형성되었으며, 실시예2에 따른 시편의 경우, 플라즈마 침탄층에 티타늄탄화물(TixCY)이 형성되었다.
그러나, 건식처리를 실시하지 않은 비교예 1~2에 따른 시편의 경우, 금속 코팅층의 박리로 인하여 부식전류 및 접촉저항 측정이 불가하였다.
또한, 1000℃에서 표면 침탄을 실시한 비교예 3에 따른 시편의 경우, 실시예 1~2에 비하여 부식 전류 및 접촉 저항이 상대적으로 높았다. 비교예 3에 따른 시편에서 플라즈마 침탄층에는 Cr23C6가 지나치게 다량으로 형성되었는 바, 이 Cr23C6로 인하여 부식 전류 및 접촉 저항이 상대적으로 높아진 것으로 보인다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.
110 : 금속 모재
120 : 금속 코팅층
130 : 플라즈마 침탄층
S210 : 금속 모재 전처리 단계
S212 : 습식 처리 단계
S214 : 건식 처리 단계
S220 : 금속 코팅 단계
S230 : 플라즈마 침탄 단계
30 : 접촉저항 측정 장치
300 : 금속 분리판 시편
310 : 구리플레이트
320 : 카본페이퍼
330 : 전류공급장치
340 : 전압측정장치

Claims (12)

  1. (a) 금속 모재 표면을 활성화하는 전처리 단계;
    (b) 상기 전처리된 금속 모재 상에 금속 코팅층을 형성하는 단계; 및
    (c) 플라즈마 상태의 탄화수소 가스를 이용하여 상기 금속 코팅층 표면에 침탄층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    세정액을 이용하여 상기 금속 모재 표면을 습식 처리하는 단계와,
    상압 플라즈마를 이용하여 상기 습식 처리된 금속 모재 표면을 건식 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 습식 처리는
    아세톤 및 에탄올 중 1종 이상을 포함하는 세정액을 이용하여 1회 이상 실시하되, 각 회당 5~10분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 건식 처리는
    상압에서 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2) 및 아르곤(Ar) 가스 중 1종 이상의 가스를 플라즈마화하여 상기 금속 모재 표면의 에칭 두께가 1 ~ 10,000nm가 되도록 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    수소(H2) 및 아르곤(Ar) 중에서 선택되는 1종 이상의 가스와, 1종 이상의 탄화수소 가스를 플라즈마화하여 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    1~10torr 및 300 ~ 800℃에서 5분 내지 20시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 모재는
    스테인리스 스틸, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 니켈(Ni) 중에서 선택되는 금속을 포함하는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 코팅층은
    크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  9. 표면 산화물이 제거된 금속 모재;
    상기 금속 모재 표면에 형성되는 금속 코팅층; 및
    상기 금속 코팅층 표면에 형성되는 플라즈마 침탄층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 모재는
    스테인리스 스틸, 알루미늄, 티타늄 및 니켈 중에서 선택되는 금속을 포함하는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 금속 코팅층은
    크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마 침탄층에는
    크롬탄화물(CrxCY) 또는 티타늄탄화물(TixCY)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
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