KR20180096395A - 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판의 코팅 방법 - Google Patents

연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판의 코팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 전기전도성과 내부식 특성을 유지하면서, 물배출 특성이 향상된 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판의 코팅 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판은 금속 모재 및 금속 모재의 표면 상에 형성된 탄소 코팅층을 포함하고, 탄소 코팅층의 표면 조도(Ra)는 50nm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판의 코팅 방법은 금속 모재를 준비하는 단계; 탄소 프리커서 가스를 플라즈마 상태로 변환하여 금속 모재의 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 및 탄소 코팅층을 3℃/분 이하의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판의 코팅 방법 {SEPARATOR FOR FUEL CELL AND COATING METHOD OF SEPARATOR FOR FUEL CELL}
연료전지용 분리판의 코팅 방법 및 연료전지용 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 접촉저항과 부식전류를 요구한다. 현재 사용중인 금속 분리판은 우수한 전기전도성을 갖고 있지만 높은 부식특성을 보여 내구성 저하의 문제를 갖고 있어 많은 연구자들은 코팅을 통해 특성을 해결하려 노력하고 있다.
코팅 소재중 카본은 높은 전기전도성과 낮은 부식특성을 갖는다. 카본 코팅의 물배출 특성을 향상시켜 연료전지의 효율을 상승시키고자 하는 기술이 제안되어 왔다. 일 예로 카본 코팅층에 화학적인 친수, 소수 처리를 통하여 물배출 특성을 향상시키고자 하는 기술이 제안되었다. 다만 이 경우, 표면의 물배출 특성이 향상되나, 동시에 전도성 및 부식성이 열화되는 문제가 있었다. 또 다른 일 예로 텍스처링 공정 추가하여 표면조도 변화를 통한 동적접촉이력을 감소하고자 하는 기술이 제안되었다. 그러나, 추가적인 텍스처링 공정이 필요로 하여 공정 효율 면에서 문제가 있었다.
본 발명의 일 실시예는 전기전도성과 내부식 특성을 유지하면서, 물배출 특성이 향상된 연료전지용 분리판의 코팅 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 전기전도성과 내부식 특성을 유지하면서, 물배출 특성이 향상된 연료전지용 분리판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판은 금속 모재 및 금속 모재의 표면 상에 형성된 탄소 코팅층을 포함하고, 탄소 코팅층의 표면 조도(Ra)는 50nm 이하일 수 있다.
탄소 코팅층의 물에 대한 접촉각은 70 내지 90°일 수 있다.
탄소 코팅층의 물에 대한 접촉각 이력은 1 내지 10°일 수 있다.
탄소 코팅층의 두께는 1㎛ 이하일 수 있다.
금속 모재는 금속 모재의 표면에서부터 금속 모재의 내부 방향으로 형성되고, 탄소 확산 방해 이온을 포함하는 이온 침투층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판의 코팅 방법은 금속 모재를 준비하는 단계; 탄소 프리커서 가스를 플라즈마 상태로 변환하여 금속 모재의 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 및 탄소 코팅층을 3℃/분 이하의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다.
금속 모재를 준비하는 단계 이후, 금속 모재 표면에 형성된 산화 피막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
산화 피막을 제거하는 단계 이후, 금속 모재의 표면으로부터 금속 모재의 내부 방향으로 이온 침투층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
탄소 코팅층을 형성하는 단계는 200 내지 500℃에서 수행할 수 있다.
냉각하는 단계는 시작 온도가 200 내지 500℃이고, 종료 온도가 10 내지 150℃일 수 있다.
냉각하는 단계는 불활성 기체 분위기에서 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 전기전도성과 내부식 특성을 유지하면서, 물배출 특성이 향상된 연료전지용 분리판을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 단면의 모식도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 연료 전지용 분리판의 탄소 코팅층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 실시예 2에서 제조한 연료 전지용 분리판의 탄소 코팅층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 비교예 1에서 제조한 연료 전지용 분리판의 탄소 코팅층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 비교예 2에서 제조한 연료 전지용 분리판의 탄소 코팅층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 비교예 3에서 제조한 연료 전지용 분리판의 탄소 코팅층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조한 연료 전지용 분리판을 사용한 연료 전지의 성능을 평가한 결과이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 단면의 모식도를 나타낸다.
도 1을 참고하면 연료 전지용 분리판(100)은 금속 모재(10); 금속 모재(10)의 표면 상에 형성된 탄소 코팅층(30)을 포함한다. 도 1의 연료 전지용 분리판(100)의 단면은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 연료 전지용 분리판(100)의 각 구성별로 상세하게 설명한다.
금속 모재(10)는 연료 전지용 분리판(100)에 사용되는 금속 모재(10)를 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 스테인리스 강판을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로 SUS 300계열 강판을 사용할 수 있다.
금속 모재(10)의 표면 상에는 탄소 코팅층(30)이 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 탄소 코팅층(30)의 표면 조도(Ra)를 적절히 제어함으로써, 연료 전지용 분리판(100)의 낮은 접촉 저항 및 낮은 부식전위 특성을 얻음과 동시에 물배출 특성을 향상시킬 수 있다. 그로 인하여, 궁극적으로 연료 전지용 분리판(100)을 포함하는 연료 전지 셀의 성능이 향상된다. 구체적으로 탄소 코팅층(30)의 표면 조도(Ra)는 50nm 이하일 수 있다. 탄소 코팅층(30)의 표면 조도(Ra)가 50nm를 초과하게 되면, 물배출 특성이 약화되고 이는 궁극적으로 연료전지 성능에 악영향을 미치게 된다. 구체적으로 탄소 코팅층(30)의 표면 조도(Ra)는 1 내지 50nm일 수 있다. 더욱 구체적으로 탄소 코팅층(30)의 표면 조도(Ra)는 10 내지 40nm일 수 있다.
탄소 코팅층(30)은 탄소를 주재료로 포함하므로, 물에 대한 접촉각(contact angle)은 70 내지 90°가 될 수 있다. 이 때 접촉각이란 액적이 고체 기판 상에 위치되어 있을 때, 고체-액체 계면과 액체-기체 계면과의 사이의 각을 의미한다.
또한, 전술하였듯이, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 코팅층(30)의 표면 조도(Ra) 제어에 의해 물에 대한 접촉각 이력(contact angle hysteresis)이 1 내지 10°인 탄소 코팅층(30)을 얻을 수 있다. 이 때 접촉각 이력이란 고체-액체-기체의 접촉선이 이동할 때의 접촉각 측정 시, 고체-액체의 접촉 영역이 증가(즉, 액적 크기가 증가)하는 경우의 접촉각인 전진각 (advancing angle)과 고체-액체의 접촉 영역이 감소(즉, 액적 크기가 감소)하는 경우의 접촉각인 후진각(receding wetting angle)의 산술적인 차이를 의미한다. 접촉각 이력이 10°를 초과하게 되면, 물배출 특성이 약화되고 이는 궁극적으로 연료전지 성능에 악영향을 미치게 된다. 더욱 구체적으로 탄소 코팅층(30)의 물에 대한 접촉각 이력은 5 내지 10° 일 수 있다.
탄소 코팅층(30)의 두께는 1㎛ 이하일 수 있다. 탄소 코팅층(30)의 두께가 너무 두꺼울 경우, 높은 잔류 응력으로 인하여 스스로 금속 모재(10)와 분리될 수 있다. 구체적으로 탄소 코팅층(30)의 두께는 10nm 내지 1㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판(100)에서 금속 모재(10)는 금속 모재(10)의 표면에서부터 금속 모재의 내부 방향으로 형성되고, 탄소 확산 방해 이온을 포함하는 이온 침투층(20)을 포함할 수 있다. 금속 모재(10)의 표면에서부터 금속 모재(10)의 내부 방향으로 형성되고, 탄소 확산 방해 이온을 포함하는 이온 침투층(20)을 포함하여 탄소 코팅층(30)의 결합력과 밀도를 향상시킴으로써, 궁극적으로 연료 전지용 분리판(100)의 낮은 접촉저항 및 부식전위 특성을 달성하게 된다.
탄소 확산 방해 이온을 포함하는 이온 침투층(20)을 형성하는 경우, 탄소 확산 방해 이온이 금속 원자의 사이에 개재된다. 이 후, 탄소 코팅층(30) 형성을 위해 탄소 원자를 주입하더라도, 탄소 확산 방해 이온에 의해 탄소 원자가 금속 모재(10) 내부로 확산되는 것이 방해 받게 된다. 이로 인하여, 금속 모재(10) 내부에는 탄소 원자가 거의 확산되지 아니하고, 상대적으로 금속 모재(10)의 최표면(즉, 이온 침투층(20))에 탄소 원자가 다량 존재하게 된다. 금속 모재(10)의 최표면에 존재하는 탄소 원자가 탄소 코팅층(30) 내의 탄소 원자와 탄소-탄소 결합을 하게 되고, 이로 인하여 탄소 코팅층(30)과 금속 모재(10)의 결합력이 향상 된다. 또한, 탄소 원자가 금속 모재(10)의 내부로 확산되는 양이 적어지게 되며, 동일한 탄소 원자를 공급하더라도 탄소 코팅층(30) 내의 탄소 원자 양이 상대적으로 증가하게 되고, 탄소 코팅층(30)의 밀도가 향상된다. 이처럼 탄소 코팅층(30)의 결합력과 밀도가 향상되므로, 연료 전지용 분리판(100)의 낮은 접촉저항 및 부식전위 특성을 달성할 수 있게 된다.
이처럼 본 발명의 일 실시예에서는 탄소 확산 방해 이온을 금속 모재(10)의 금속 원자 사이에 개재한 이온 침투층(20) 형성을 통해 연료 전지용 분리판(100)의 낮은 접촉저항 및 부식전위 특성을 달성할 수 있게 된다. 이 때 금속 원자는 전술한 스테인레스 강판에 존재하는 금속 원자, 예컨데 철(Fe), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 또는 몰리브덴(Mo) 원자가 될 수 있다. 탄소 확산 방해 이온이 금속 원자 사이에 개재되었다는 의미는 탄소 확산 방해 이온이 오스테나이트 면심 입방 구조(FCC) 격자 내 침투 또는 고용되는 것을 의미한다.
이온 침투층(20)은 탄소 확산 방해 이온을 5 내지 30 중량% 포함할 수 있다. 탄소 확산 방해 이온을 너무 적게 포함할 시, 탄소 확산 방해 효과가 충분치 않을 수 있다. 탄소 확산 방해 이온을 너무 많이 포함할 시, 표면 경화로 인해 외부 충격에 의한 박리가 발생하여 내구성이 저하될 수 있다. 따라서 전술한 범위로 탄소 확산 방해 이온을 포함할 수 있다.
또한, 탄소 코팅층(30) 형성시, 탄소 원자가 일부 이온 침투층(20)에 확산되어, 이온 침투층(20) 내에 탄소 원자가 5 내지 85 중량% 포함될 수 있다. 이온 침투층(20) 내에 탄소 원자가 너무 적게 포함될 시, 탄소 코팅층(30) 내의 탄소 원자와의 탄소-탄소 결합이 적어져 탄소 코팅층(30)의 결합력이 문제될 수 있다. 이온 침투층(20) 내에 탄소 원자가 너무 많이 포함될 시, 탄소 코팅층(30)의 밀도가 낮아 질 수 있다. 따라서 전술한 범위로 탄소 원자를 포함할 수 있다.
탄소 확산 방해 이온은 금속 원자 사이에 개재되어 탄소 원자의 확산을 방해할 수 있는 이온이면, 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 원자 번호 20 이하의 이온을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로 탄소 확산 방해 이온으로서, 질소 또는 붕소 이온을 포함할 수 있다.
이온 침투층(20)의 두께는 30 내지 300 nm일 수 있다. 이온 침투층(20)의 두께가 너무 얇으면, 탄소 확산 방해 효과가 충분치 않을 수 있다. 이온 침투층(20)의 두께가 너무 두꺼우면, 질소원자가 너무 많이 침투됐을 때 경도가 증가해서 외부충격에 쉽게 깨지는 현상이 발생 할 수 있다.
이온 침투층(20)은 플라즈마 또는 이온주입을 통해 형성할 수 있다. 구체적인 이온 침투층(20)의 형성 방법은 후술할 연료전지용 분리판의 코팅 방법과 관련하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판(100)의 코팅 방법은 금속 모재(10)를 준비하는 단계; 탄소 프리커서 가스를 플라즈마 상태로 변환하여 금속 모재(10)의 표면에 탄소 코팅층(30)을 형성하는 단계; 및 탄소 코팅층(30)을 3℃/분 이하의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다.
이하에서는 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
먼저, 금속 모재(10)를 준비한다. 금속 모재(10)는 연료 전지용 분리판(100)에 사용되는 금속 모재(10)를 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 스테인리스 강판을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로 SUS 300계열 강판을 사용할 수 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. 제거 방법으로는 금속 모재(10)를 승온시켜, 아르곤 플라즈마를 가하는 방법을 사용할 수 있다.
다음으로, 금속 모재(10)의 표면에 탄소 확산 방해 이온을 침투시켜, 금속 모재(10)의 표면으로부터 금속 모재(10)의 내부 방향으로 이온 침투층(20)을 형성한다. 이온 침투층(20)의 형성 이유에 대해서는 전술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
이온 침투층(20)을 형성하는 단계는 플라즈마 또는 이온주입을 통해 탄소 확산 방해 이온을 침투시키는 것일 수 있다.
플라즈마를 사용하는 방법은 탄소 확산 방해 이온을 형성하는 이온 형성 가스 분위기에서 플라즈마를 사하여 금속 모재(10)에 탄소 확산 방해 이온을 침투시키는 방법이다. 이온주입은 높은 에너지를 이용하여 이온을 가속시켜 기판에 충돌하게 하여 모재 내부에 침투시키는 방법이다.
플라즈마를 사용하는 방법의 경우, 이온 형성 가스는 탄소 확산 방해 이온을 포함하는 가스를 의미한다. 예컨데, 질소 가스 (N2), 보레인 가스 (B2H6) 등이 될 수 있다. 이러한 이온 형성 가스를 10 부피% 이상 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다. 이온 형성 가스가 충분치 않을 경우, 탄소 확산 방해 이온이 적절히 침투되지 못할 수 있다. 분위기 가스의 잔부는 수소 가스가 될 수 있다.
이온 침투층(20)을 형성하는 단계는 300 내지 550℃에서 수행될 수 있다. 이온 침투층(20)을 형성하는 단계의 온도가 너무 낮으면, 탄소 확산 방해 이온이 적절히 침투되기 어려워 질 수 있다. 이온 침투층(20)을 형성하는 단계의 온도가 너무 높으면, 금속 모재(10)내의 금속과 탄소 확산 방해 이온이 반응하여 부식 특성 저하 및 접촉 저항이 증가될 수 있다. 예컨데 금속 모재(10) 중 크롬과 탄소 확산 방해 이온으로서 질소가 반응하여 질화크롬(CrN, Cr2N)이 형성되면, 부식 특성 저하 및 접촉 저항이 증가될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 낮은 온도에서 이온 침투층(20)을 형성하므로, 고온에서 질소를 투입하는 침질 공정과는 차이가 있다. 따라서 전술한 범위로 온도를 조절할 수 있다.
이온 침투층(20)을 형성하는 단계는 10 내지 120분 동안 수행될 수 있다. 시간이 너무 짧으면, 탄소 확산 방해 이온이 적절히 침투되기 어려워 질 수 있다. 시간을 더 늘리더라도, 탄소 확산 방해 이온의 침투량에는 한계가 있게 된다. 따라서 전술한 범위로 시간을 조절할 수 있다.
다음으로, 탄소 프리커서 가스를 플라즈마 상태로 변환하여 금속 모재(10)의 표면에 탄소 코팅층(30)을 형성한다. 즉, 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD)법을 사용하여 탄소 코팅층(30)을 형성한다. 구체적으로 탄소 프리커서 가스 내의 탄소 원자를 플라즈마로 여기시켜 탄소 코팅층(30)을 형성하게 된다.
탄소 프리커서 가스를 3 내지 30 부피% 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다. 탄소 프리커서 가스의 함량이 너무 적을 경우, 탄소 코팅층(30)이 적절히 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 탄소 프리커서 가스의 함량이 너무 많을 경우, 탄소 코팅층(30)의 압축잔류응력이 증가되어, 탄소 코팅층(30)이 박리될 수 있다. 더욱 구체적으로 탄소 프리커서 가스를 10 내지 20 부피% 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다. 이 때, 탄소 프리커서 가스란 플라즈마를 가하여 탄소 원자를 여기시킬 수 있는 가스를 의미한다. 구체적으로 탄화수소 가스가 될 수 있다. 더욱 구체적으로 C2H2, CH4, 또는 C2H6를 포함할 수 있다. 탄소 프리커서 가스 외에 잔부는 아르곤 또는 수소 가스가 될 수 있다. 구체적으로 C2H2 가스를 1 내지 30sccm으로, 아르곤 가스를 1 내지 100sccm으로 공급할 수 있다. 이 때 진공도는 1mbar 이하가 될 수 있다.
탄소 코팅층(30)을 형성하는 단계는 200 내지 500℃에서 수행될 수 있다. 온도가 너무 낮은 경우, 탄소 코팅층(30)이 적절히 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 온도가 너무 높은 경우, 크롬 카바이드(Cr7C3)가 형성되어, 부식 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 온도를 조절할 수 있다.
다음으로, 탄소 코팅층을 3℃/분 이하의 냉각속도로 냉각할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 냉각하는 단계에서의 냉각 속도를 정밀히 제어함으로써, 탄소 코팅층(30)의 전기적인 특성 변화 없이 물배출 특성을 향상시킬 수 있다. 냉각 속도가 너무 빠른 경우, 탄소 코팅층(30)의 표면 조도(Ra) 값이 상승하고, 물배출 특성이 열악해진다. 더욱 구체적으로, 탄소 코팅층을 1 내지 3℃/분의 냉각속도로 냉각할 수 있다.
냉각하는 단계는 탄소 코팅층(30)을 형성하는 단계에서의 온도에서 시작할 수 있다. 즉, 그 시작 온도가 200 내지 500℃일 수 있다. 종료 온도는 10 내지 150℃일 수 있다.
냉각하는 단계는 불활성 기체 분위기에서 수행할 수 있다. 불활성 기체 분위기에서 수행할 시, 냉각시 탄소의 산화를 방지하여, 연료전지용 분리판의 전기전도성과 내부식 특성을 향상 시킬 수 있다. 구체적으로 불활성 기체 분위기는 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 분위기일 수 있다. 불활성 기체의 공급 유량을 조절하여 냉각 속도를 조절할 수 있다. 구체적으로 10 내지 30℃의 불활성 기체를 100 내지 1000sccm으로 공급하여 냉각 속도를 조절할 수 있다.
금속 기재(10), 이온 침투층(20) 및 탄소 코팅층(30)에 대한 그 밖의 설명은 전술한 연료전지용 분리판(100)에 관하여 상세히 기술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판은 전기전도성과 내부식 특성을 유지하면서, 물배출 특성이 향상되어, 궁극적으로 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
금속 모재로서, 오스테나이트계 스테인리스 스틸인 SUS 316L을 준비하였다. 금속 모재를 아르곤 분위기에서 300℃까지 가열한 후, 플라즈마를 가하여 금속 모재 표면에 형성된 산화 피막을 제거하였다. 이후 다시 금속 모재를 400℃까지 가열하였다. 분위기 가스를 질소 15부피% 및 수소 85부피%로 교체하고 플라즈마를 가하여 10분간 질소 이온을 침투시켰다.
분위기 가스를 아세틸렌(C2H2) 20 부피 % 및 수소 80 부피%로 교체하고 30분간 플라즈마를 가하였다. 이후 분위기 가스를 질소(N2) 가스로 바꾸고 1℃/분의 냉각 속도로 25℃ 까지 냉각하였다.
탄소 코팅층이 10.3nm 두께로 형성되었다.
도 2에 탄소 코팅층의 표면을 관찰한 사진을 나타내었다. 도 2에서 나타나듯이, 표면 조도가 작은 탄소 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 실시하되, 냉각 속도를 3℃/분으로 냉각하였다.
도 3에 탄소 코팅층의 표면을 관찰한 사진을 나타내었다. 도 3에서 나타나듯이, 표면 조도가 작은 탄소 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있다.
비교예 1
실시예 1과 동일하게 실시하되, 냉각 속도를 5℃/분으로 냉각하였다.
도 4에 탄소 코팅층의 표면을 관찰한 사진을 나타내었다. 도 4에서 나타나듯이, 표면 조도가 비교적 큰 탄소 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있다.
비교예 2
실시예 1과 동일하게 실시하되, 냉각 속도를 7℃/분으로 냉각하였다.
도 5에 탄소 코팅층의 표면을 관찰한 사진을 나타내었다. 도 5에서 나타나듯이, 표면 조도가 비교적 큰 탄소 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있다.
비교예 3
실시예 1과 동일하게 실시하되, 냉각 속도를 10℃/분으로 냉각하였다.
도 6에 탄소 코팅층의 표면을 관찰한 사진을 나타내었다. 도 6에서 나타나듯이, 표면 조도가 비교적 큰 탄소 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있다.
실험예 1: 표면 조도 및 접촉각 측정
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 연료전지용 분리판의 표면 조도 및 물에 대한 접촉각을 측정하여 하기 표 1에 정리하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
냉각 속도(℃/분) 1 3 5 7 10
표면 조도(Ra, nm) 21 38 78 104 198
전진각(°) 81.9 82.3 84.0 83.7 84.9
후진각(°) 75.6 72.3 65.3 55.2 53.6
접촉각 이력(°) 6.3 10.0 18.7 28.5 31.3
표 1에 나타나듯이, 냉각 단계에서의 냉각 속도를 정밀히 제어한 실시예 1 및 실시예 2는 표면 조도가 낮게 나타나고, 접촉각 이력이 작아 물배출 성능이 우수함을 확인할 수 있다. 반면, 비교에 1 내지 비교예 3은 냉각속도가 너무 빨라 표면 조도가 크게 나타나고, 접촉각 이력이 커서 물배출 성능이 우수함을 확인할 수 있다.
실험예 2: 접촉저항 및 부식 전류 밀도 평가
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 연료전지용 분리판의 접촉저항 및 부식 전류 밀도를 측정하여 그 결과를 표 2에 정리하였다.
접촉저항은 두개의 구리판 사이에 분리판과 기체확산층을 위치시킨 후 10kgf/cm2의 압력을 가한 후 접촉저항측정기로 측정하였다.
부식 전류 밀도 측정은 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 용액을 사용하였고, 용액을 65℃로 가열한 후 1시간 동안 Air 버블링(bubbling) 후 -0.25 내지 1V vs SCE 범위에서 측정하였으며, 애노드 환경 (0.6V vs SCE)의 데이터를 이용하여 물성 비교 평가를 수행하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
냉각 속도(℃/분) 1 3 5 7 10
표면 조도(Ra, nm) 21 38 78 104 198
접촉 저항(mΩ˙cm2) 81.9 82.3 84.0 83.7 84.9
부식 전류 밀도(μA/cm2) 75.6 72.3 65.3 55.2 53.6
표 2에서 나타나듯이, 냉각 속도나 표면 조도에 따라, 접촉 저항이나 부식 전류 밀도 특성은 큰 변동이 없음을 확인하였다. 즉, 냉각 속도의 조절이 탄소 코팅층 내의 카본의 구조를 변동 시키지 아니하고, 표면 조도에만 영향을 줌을 확인하였다.
실험예 3: 연료 전지 성능 평가
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 연료전지용 분리판을 사용하여 5셀 단위스택을 제작하였으며, 냉각수 입구 온도 65℃ 기준으로 수소, 공기 모두 50% 가습 조건에서 스택의 I-V 성능 평가를 수행하였다.그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타나듯이, 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 연료전지용 분리판을 사용한 연료전지가 성능이 우수함을 확인할 수 있다. 이는 연료전지용 분리판의 전기전도성과 내부식 특성을 유지하면서, 물배출 특성이 향상되었기 때문이다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.
100: 연료전지용 분리판 10: 금속 모재
20: 이온 침투층 30: 탄소 코팅층

Claims (11)

  1. 금속 모재 및 상기 금속 모재의 표면 상에 형성된 탄소 코팅층을 포함하고,
    상기 탄소 코팅층의 표면 조도(Ra)는 50nm 이하인 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 코팅층의 물에 대한 접촉각은 70 내지 90°인 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 코팅층의 물에 대한 접촉각 이력은 1 내지 10°인 연료전지용 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 코팅층의 두께는 1㎛ 이하인 연료전지용 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 모재는 금속 모재의 표면에서부터 금속 모재의 내부 방향으로 형성되고, 탄소 확산 방해 이온을 포함하는 이온 침투층을 포함하는 연료전지용 분리판.
  6. 금속 모재를 준비하는 단계;
    탄소 프리커서 가스를 플라즈마 상태로 변환하여 상기 금속 모재의 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 탄소 코팅층을 3℃/분 이하의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 연료전지용 분리판의 코팅 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    금속 모재를 준비하는 단계 이후, 금속 모재 표면에 형성된 산화 피막을 제거하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 분리판의 코팅 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    산화 피막을 제거하는 단계 이후, 금속 모재의 표면으로부터 금속 모재의 내부 방향으로 이온 침투층을 형성하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 분리판의 코팅 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는 200 내지 500℃에서 수행하는 연료전지용 분리판의 코팅 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는 시작 온도가 200 내지 500℃이고, 종료 온도가 10 내지 150℃인 연료전지용 분리판의 코팅 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는 불활성 기체 분위기에서 수행하는 연료전지용 분리판의 코팅 방법.
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