KR20230111029A - 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판 제조방법 - Google Patents
연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부식성이 우수한 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판은 일면에 적어도 부분적으로 유로채널이 형성된 금속 모재; 및 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 금속 모재의 일면 상에 형성되는 Cr-Al 코팅층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판은 일면에 적어도 부분적으로 유로채널이 형성된 금속 모재; 및 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 금속 모재의 일면 상에 형성되는 Cr-Al 코팅층;을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부식성이 우수한 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 산소 이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(Cathode) 및 연료극(Anode)으로 이루어져 있으며, 최근 수소경제 및 탄소중립이 대두되는 사회에서 차세대 신에너지로서 수소 연료전지가 주목받고 있다. 수소 연료전지는 수소와 산소의 화학 반응으로 생성되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 연료 중 수소와 공기 중의 산소가 전기화학 반응을 통해 반응 생성물로서 오직 물을 형성하므로, 친환경적인 에너지 발전 기술로 평가된다.
연료전지의 단위전지(Unit cell)는 기본적으로 전해질, 연료극, 공기극 등으로 구성되어 있으며, 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작아 고출력을 얻기 위해 여러 개의 단위전지를 직렬로 적층(stack)하여 연료전지를 구성하고 있다. 이러한 적층을 위해서는 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극을 전기적으로 연결할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(bipolar plate)이 사용된다.
연료전지 스택(Stack)을 구성하는 중요한 부품 중의 하나인 분리판은 전체적인 스택의 지지체 역할을 하므로, 기계적 강도가 요구되며, 유로 구조를 통해 연료, 공기 및 냉각수의 통로 역할을 수행하여 반응 생성물인 물과 잔류 가스를 제거하는 역할을 한다. 이를 위해 분리판은 수소와 산소가 투과되거나 서로 섞이지 않는 치밀한 구조가 요구된다.
연료전지 분리판 모재의 경우, 흑연은 접촉저항 및 내부식성이 좋은 반면, 기계적 강도가 약하고 높은 가스 투과율이라는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 분리판 제작 시 스택 체결의 압력을 견디지 못하고, 두께의 증가로 전체 연료전지 스택의 부피당 출력 밀도 개선에 한계가 있다. 또한, 금속에 비해 연성이 떨어져 유로 형성이 쉽지 않은 문제가 있다. 이를 극복하기 위한 방안으로 금속 재료를 이용한 분리판이 시도되고 있으며, 금속은 전기전도도가 높고, 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 가공이 용이하다.
다만, 종래의 금속 분리판의 경우에는 수소 연료전지 작동 환경에서의 부식으로 인한 금속 이온 용출 문제가 있다. 수소 연료전지의 작동 원리는 물의 전기분해 역반응으로써 외부에서 공급되는 수소는 연료극에서 산화되어 수소 양이온 (H+)으로 해리되고, 외부 도선과 전해질을 따라 공기극으로 전달된다. 이때, 양극에서 유입되는 공기 중의 산소와 반응하여 물과 전류를 생산하는 원리이다. 여기서, 수소 연료전지 내의 수소 이온의 잔류를 비롯하여 수소 연료전지에서 사용되는 나피온(Nafion) 전해질 막의 퇴화로 인한 술폰산 기(-SO3H)는 심한 부식성 환경을 조성하게 된다. 이러한 종래의 금속 분리판은 부식 발생 시 막전극집합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)의 오염으로 연료전지의 효율 및 수명저하뿐만 아니라 결함 발생에 의해 운전 중 정지 및 사고를 유발할 수 있으므로, 이에 대한 개선이 요구된다.
또한, 분리판의 유로(flow field)에는 반응 가스가 흐르는데 이는 셀의 전체적인 성능 향상에 있어 중요한 요소이다. 유로의 형상과 구조에 따라 반응물의 농도, 전압 손실이 달라지는 것으로 알려져 있으며, 이러한 유로 구조 설계의 주요 과제는 채널로 반응 가스가 균일하게 공급되어야 하고, 생성된 물이 효과적으로 배출되어야하는 것과 관련이 있다. 생성된 물의 제거가 원활히 이루어지지 않을 경우, 물 범람(Water Flooding) 현상이 발생하게 되고, 이는 반응물 농도 불균형과 막의 액화를 초래하여 연료전지의 전체적인 성능 저하를 일으키는 원인이 될 수 있다. 따라서, 분리판의 유로를 포함한 표면은 소수성의 특성을 가져야 할 필요성도 있다.
본 발명은 고성능의 연료전지 개발을 위해 내부식성을 향상시킨 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판은 일면에 적어도 부분적으로 유로채널이 형성된 금속 모재; 및 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 금속 모재의 일면 상에 형성되는 Cr-Al 코팅층;을 포함할 수 있다.
상기 Cr-Al 코팅층은 알루미늄보다 큰 중량비의 크로뮴을 포함하는 크로뮴-알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 Cr-Al 코팅층은 1 ㎚ 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 금속 모재에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함하며, 상기 금속 모재와 상기 Cr-Al 코팅층 사이에 개재되는 접합층;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 금속은 크로뮴 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
상기 접합층은 10 내지 100 ㎚의 두께를 가질 수 있다.
상기 접합층은, 상기 제1 금속과 결합하는 산소를 더 포함하며, 상기 금속 모재에 접하여 형성되는 금속산화층; 및 상기 금속산화층 상에 형성되며, 상기 제1 금속으로 이루어진 금속층을 포함할 수 있다.
상기 금속산화층은 5 내지 10 ㎚의 두께를 갖고, 상기 금속층은 0.1 내지 95 ㎚의 두께를 가질 수 있다.
상기 Cr-Al 코팅층은 90 내지 180°의 물 접촉각을 가질 수 있다.
상기 금속 모재는 크로뮴을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
상기 금속 모재는 크로뮴이 산화되어 형성되는 산화크로뮴 표면층을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 제조방법은 판상의 금속 모재를 준비하는 과정; 상기 금속 모재의 일면에 적어도 부분적으로 유로채널을 형성하는 과정; 및 상기 금속 모재의 일면 상에 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하는 Cr-Al 코팅층을 형성하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 금속 모재에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함하는 접합층을 상기 금속 모재 상에 형성하는 과정;을 더 포함하고, 상기 Cr-Al 코팅층을 형성하는 과정에서는 상기 접합층 상에 상기 Cr-Al 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 접합층을 상기 금속 모재 상에 형성하는 과정은, 상기 금속 모재에 접하여 상기 제1 금속과 산소가 결합된 금속산화층을 형성하는 과정; 및 상기 금속산화층 상에 상기 제1 금속으로 금속층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 금속산화층을 형성하는 과정에서는 5 내지 10 ㎚의 두께로 상기 금속산화층을 형성하고, 상기 금속층을 형성하는 과정에서는 0.1 내지 95 ㎚의 두께로 상기 금속층을 형성할 수 있다.
상기 제1 금속은 크로뮴 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
상기 금속 모재는 크로뮴을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
상기 금속 모재에 크로뮴이 산화되어 형성되는 산화크로뮴 표면층이 형성되는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 Cr-Al 코팅층을 형성하는 과정에서는 80 내지 90 wt%의 크로뮴과 10 내지 20 wt%의 알루미늄을 포함하는 이원계 합금으로 상기 Cr-Al 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지용 분리판은 유로채널이 형성된 금속 모재의 일면 상에 Cr-Al 코팅층을 형성함으로써, 우수한 기계적 강도를 유지하면서 종래의 금속 분리판에 비하여 강산 환경에서의 내부식성이 개선될 수 있다.
또한, 크로뮴(Cr) 혹은 티타늄(Ti)을 포함하는 접합층의 형성을 통하여 금속 모재와 Cr-Al 코팅층의 접착성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 낮은 계면 접촉 저항(Interfacial Contact Resistance; ICR)에 도달할 수 있고, 최종적으로 내구성이 우수하면서도 고성능의 연료전지를 제공할 수 있다.
여기서, 접합층을 금속산화층과 금속층의 이중층으로 구성하여 산화크로뮴 표면층을 포함하는 금속 모재 및 크로뮴을 포함하는 Cr-Al 코팅층과의 물리적 특성의 변화를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 계면의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
그리고 Cr-Al 코팅층을 통해 분리판에 형성된 유로(flow field) 표면의 소수성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 분리판 유로에서의 물 범람(Water Flooding) 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 부분단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 표면의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM) 사진.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 부식침투시험 결과.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 동전위분극시험 결과.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 물 접촉각 측정 결과.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 계면 접촉 저항의 측정 결과.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 부분단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 표면의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM) 사진.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 부식침투시험 결과.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 동전위분극시험 결과.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 물 접촉각 측정 결과.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 계면 접촉 저항의 측정 결과.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 제조방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 일면에 적어도 부분적으로 유로채널이 형성된 금속 모재(110); 및 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 금속 모재(110)의 일면 상에 형성되는 Cr-Al 코팅층(120);을 포함할 수 있다.
금속 모재(110)는 일반적인 연료전지용 분리판(100)에 이용되는 금속이라면 제한없이 이용될 수 있으며, 예를 들어 스테인리스 강(stainless steel), 알루미늄, 티타늄, 크로뮴, 니켈이나 이들 중 하나 이상을 포함하는 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 이 중 가벼우면서도 내식성이 우수한 스테인리스 강 재질의 금속 모재(110)가 가장 바람직하다고 볼 수 있다. 이때, 금속 모재(110)는 분리판(100) 형상으로 성형된 것을 이용할 수 있으며, 적어도 일면에 적어도 부분적으로 유로채널(flow field channel)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 유로채널에 의해 분리판(100)의 유로(flow field, 150)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 유로채널은 오목부(groove) 형태로 형성될 수 있으며, 분리판(100)은 상기 유로채널에 의해 일면에만 유로(150)가 형성될 수도 있고, 서로 대향하는 일면과 타면에 모두 유로(150)가 형성될 수도 있다.
다만, 이러한 금속 모재(110)는 연료전지의 고온 다습한 가혹한 환경 하에서는 내식성 및 전기전도성 특성이 만족할만한 수준을 보이지 못하는 바, 본 발명에서는 이러한 점을 보완하기 위하여 금속 모재(110)의 일면 상에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있다.
이때, Cr-Al 코팅층(120)은 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 크로뮴(Cr)은 산화반응에 의해 안정한 Cr2O3 산화막을 형성할 수 있으며, 가혹 환경에서 산화 피막을 형성하므로 부식 저항성에 탁월하나 단일 금속으로 사용시의 유해성이 존재할 수 있다. 즉, 크로뮴(Cr)은 산화 상태가 다른 2 ~ 6가 양이온으로 존재하는데, 그 중 6가 크로뮴은 독성 물질로써 인체와 환경에 유해한 특징이 있다. 또한, 소재적인 관점에서 크로뮴(Cr)은 체심 입방 결정구조(Body-Centered Cubic structure; BCC)를 갖는 금속으로써 높은 경도(hardness)를 가지며, 약 1,900 ℃의 융점을 가지므로 가공성 및 공정의 경제성이 좋지 않아 단일 성분의 코팅층으로 사용하기에 어려움이 있다.
알루미늄(Al)은 산화반응에 의해 안정한 Al2O3를 생성할 수 있으며, 경량 소재로써 널리 응용되고 가공성이 좋은 특징을 갖고 있다. 이는 알루미늄이 면심 입방 결정구조(Face-Centered Cubic structure; FCC)를 가져 여러 슬립(slip) 면에서 소성변형이 일어나 높은 전성(malleability)과 연성(ductility)을 가지기 때문이다. 또한, 알루미늄은 크로뮴과 마찬가지로 표면의 산화 피막을 형성해 내식성을 지녀 부식 방지를 위한 소재로써 적용될 가능성을 지니고 있으나, 연료전지 셀(cell)의 체결 압력을 버틸 수 있는 기계적 강도(strength)가 부족하며, 연료전지 운전 환경의 부식에서는 높은 저항성을 지니지 못하는 단점이 있다. 알루미늄의 또 다른 단점은 높은 열팽창계수(Thermal expansion coefficient)로써 연료전지의 열적 조건에서 장시간 노출될 경우에 금속 모재(110)와의 열팽창계수 차이로 인해 계면 손상이 발생할 수 있다. 즉, 알루미늄 또한 금속 모재(110)의 단일 성분의 코팅층으로 사용하기에 어려움이 있다.
이에, 금속 모재(110)의 일면 상에 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 모두 포함하는 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있으며, 크로뮴에 의한 Cr2O3 산화막과 알루미늄에 의한 Al2O3 산화막을 통해 금속 모재(110)를 기반으로 하는 분리판(100)의 내식성이 증가할 수 있다. 즉, Cr-Al 코팅층(120)을 금속 모재(110)에 코팅하는 경우, 극한 산성 조건에서도 우수한 내식성을 가지므로, 연료전지 발전의 내구성 확보 및 장기적 출력 특성에 효과가 있다.
여기서, Cr-Al 코팅층(120)은 알루미늄보다 큰 중량비의 크로뮴을 포함하는 크로뮴-알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이 크로뮴 이상의 중량비로 포함되는 경우에는 크로뮴과 알루미늄이 합금화되지 않거나, 합금 내에서 금속 간 화합물을 형성할 수 있다. 이러한 경우, 금속 간의 전자 전달에 불리해지고, 표면 저항(또는 계면 접촉 저항)의 문제가 제기될 수 있다. 하지만, Cr-Al 코팅층(120)이 알루미늄보다 큰 중량비의 크로뮴을 포함하는 크로뮴-알루미늄 합금으로 이루어지는 경우에는 합금 내에서 금속 간 화합물을 형성하지 않을 수 있고, 상평형(phase equilibrium)을 유지할 수 있다.
예를 들어, Cr-Al 코팅층(120)은 80 내지 90 wt%의 크로뮴과 10 내지 20 wt%의 알루미늄을 포함할 수 있다. 크로뮴의 중량비가 90 wt%보다 크고 알루미늄의 중량비가 10 wt%보다 작은 경우에는 크로뮴의 산화막으로 인해 부식 특성이 향상될 수 있으나, 크로뮴의 산화막은 부도체이므로 계면 접촉 저항(Interfacial Contact Resistance; ICR)을 증가시킬 수 있고, 전기전도성이 떨어질 수 있다. 구체적으로, 크로뮴의 특성이 강하게 나타나 크로뮴-알루미늄 합금이 체심 입방 결정구조(BCC)에서 치환형 고용체 구조를 형성하지 못하여 알루미늄에 의한 금속 간의 전자 전달이 이루어지지 못하고, 전기전도성이 저하될 수 있다.
반면에, 크로뮴의 중량비가 80 wt%보다 작고 알루미늄의 중량비가 20 wt%보다 큰 경우에는 상평형을 유지하지 못하고 상변태(Phase transformation)가 발생할 수 있다. 즉, 체심 입방 결정구조(BCC)를 유지하지 못하여 경도가 낮아질 수 있고, 기계적 강도가 부족해질 수 있다.
하지만, Cr-Al 코팅층(120)이 80 내지 90 wt%의 크로뮴과 10 내지 20 wt%의 알루미늄을 포함하는 경우(예를 들어, 80 내지 90 wt%의 크로뮴과 10 내지 20 wt%의 알루미늄을 포함하는 이원계 합금인 경우)에는 합금 내에서 금속 간 화합물을 형성하지 않고 체심 입방 결정구조(BCC)의 치환형 고용체를 형성할 수 있으며, 단일상으로 격자 구조 유지에 유리하여 내부식성을 향상시킬 수 있으면서 표면 저항의 문제가 없을 수 있다. 즉, 체심 입방 결정구조(BCC)의 치환형 고용체 구조를 유지하므로, 크로뮴이 산화막을 형성하여도 알루미늄이 구조체를 유지하여 금속 간의 전자 전달에 유리할 수 있고, 이에 따라 Cr-Al 코팅층(120)의 코팅으로 인한 분리판(100)의 표면 저항 문제가 해결될 수 있다.
이때, Cr-Al 코팅층(120)은 1 ㎚ 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다. Cr-Al 코팅층(120)의 두께가 100 ㎛보다 두꺼운 경우에는 높은 잔류응력으로 인해 금속 모재(110)와 분리될 수 있다. 반면에, Cr-Al 코팅층(120)의 두께가 1 ㎚보다 얇은 경우에는 연료전지의 고온 다습한 가혹한 환경 하에서 금속 모재(110)의 피복 효과(또는 보호)가 충분하지 못하여 분리판(100)의 내식성 등의 향상 효과를 기대할 수 없다.
금속 모재(110)는 크로뮴을 포함할 수 있으며, 크로뮴을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
예를 들어, 금속 모재(110)는 스테인리스 강을 포함할 수 있다. 일반적으로 높은 강도와 내구성, 우수한 성형성 등을 갖는 철강 재료는 각종 산업에서 널리 쓰이고 있는 재료이며, 기계적 강도가 요구되는 분리판(100)에도 사용되고 있다. 그러나 철(Fe)은 이온화 경향이 비교적 높아 쉽게 산화되므로, 철강 소재를 사용하는데 있어 부식/방식 처리는 중요한 요소 중 하나이다. 스테인리스 강은 철의 부식 방지를 위해 만들어진 대표적인 제품으로서, 각종 산업 및 일상 생활에서 다양하게 응용되어 지고 있으며, 스테인리스 강에 포함된 크로뮴 성분을 통하여 표면에 크로뮴 산화 피막(예를 들어, 부동태 피막)을 형성하는 원리를 이용한다.
하지만, 연료전지의 가혹 환경에서는 극한 산성 환경으로 인해 스테인리스 강 표면의 크로뮴 산화 피막이 손실되어 철 모재의 국부적 부식을 막기에 어려움이 존재한다.
따라서, 금속 모재(110)의 일면 상에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있으며, 크로뮴이 크로뮴 산화막을 형성하여 금속 모재(110) 등을 보호하면서 크로뮴과 같이 산화 피막이 금속 모재(110) 등의 내부금속을 보호하는 작용을 하는 알루미늄과의 합금을 통하여 산화막(또는 산화 피막)의 내구성을 향상시킴으로써, 분리판(100)의 내부식성을 향상시킬 수 있다. 이때, Cr-Al 코팅층(120)은 적어도 금속 모재(110)의 일면 상에 형성될 수 있으며, 금속 모재(110)의 모든 표면 상에 형성(또는 코팅)되어 금속 모재(110)를 피복할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 부분단면도이다.
도 2를 참조하면, 금속 모재(110)는 크로뮴이 산화되어 형성되는 산화크로뮴 표면층(10)을 가질 수 있다. 산화크로뮴 표면층(10)은 크로뮴이 산화되어 형성될 수 있으며, 철의 부식 방지를 위해 본래 스테인리스 강의 표면에 형성된 부동태 피막(10a)을 포함할 수 있다. 부동태 피막(10a)은 스테인리스 강의 제조공정에서 스테인리스 강에 포함된 크로뮴 성분을 통해 표면에 형성된 크로뮴 산화 피막일 수 있으며, 특수한 환경 하에서 산화 피막이 강화되어 크로뮴이 보통 상태에서 나타내는 (화학적) 반응성을 잃은(또는 상실한) 상태(또는 부동태)일 수 있다. 이때, 부동태 피막(10a)은 유리와 같이 아주 치밀하여 밀착성이 좋은 유연한 구조를 취하므로 금속 모재(110) 내부의 금속과 잘 부착되어 표면에 안정한 피막을 유지할 수 있다.
또한, 산화크로뮴 표면층(10)은 공기(또는 대기) 중에 노출되어 크로뮴이 산화됨으로써 형성되는 산화 피막(10b)을 (더) 포함할 수 있다. 산화 피막(10b)은 금속 모재(110) 내부의 금속이 공기 중에 노출됨으로써, 공기 중 산소와의 반응으로 크로뮴이 산화되어 형성될 수 있으며, 부동태화되지 않은 상태일 수 있다.
예를 들어, 금속 모재(110)의 일면에 적어도 부분적으로 상기 유로채널을 형성하면서 부동태 피막(10a)이 제거될 수 있으며, 부동태 피막(10a)이 제거된 부분이 공기 중에 노출되어 크로뮴이 공기 중의 산소와 반응할 수 있고, 크로뮴이 산화되어 산화 피막(10b)이 형성될 수 있다.
여기서, 산화 피막(10b)은 부동태화되지 않아 부동태 피막(10a)보다 얇거나, 부동태 피막(10a)보다 크로뮴의 함량(또는 원자비)이 작을 수 있다. 이렇게 상기 유로채널의 형성으로 인해 부동태 피막(10a)이 제거되고 산화 피막(10b)이 형성된 부분은 산화크로뮴 표면층(10)의 얇은 두께 등으로 인해 내부식성이 더욱 저하되므로, Cr-Al 코팅층(120)이 더욱 필요할 수 있다. 본 발명에서는 금속 모재(110)에 상기 유로채널을 형성한 후에 부동태 피막(10a)이 제거되고 형성된 산화 피막(10b) 상에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성함으로써, 상기 유로채널의 형성으로 인해 안정한 부동태 피막(10a) 대신에 불안정한 산화 피막(10b)이 형성되는 경우에도 효과적으로 분리판(100)의 내부식성을 향상시킬 수 있다. 이때, 금속 모재(110)의 일면에만 상기 유로채널이 형성되는 경우에는 금속 모재(110)의 적어도 일면에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있고, 금속 모재(110)의 일면과 타면에 모두 상기 유로채널이 형성되는 경우에는 적어도 금속 모재(110)의 서로 대향하는 양면(또는 일면과 타면)에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판(100)은 금속 모재(110)에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함하며, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 사이에 개재되는 접합층(glue layer, 130);을 더 포함할 수 있다.
접합층(130)은 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 사이에 개재될 수 있으며, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성(또는 접합성)을 향상시킬 수 있다. 산화크로뮴 표면층(10)은 내식성을 증가시킬 수 있으나, 부도체이므로 계면 접촉 저항을 증가시키는 원인이 되며, Cr-Al 코팅층(120)의 형성(또는 코팅) 시 접합력을 떨어뜨리는 문제를 일으킬 수 있다. 또한, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 간의 접합성 혹은 접착력에 따라 계면 저항이 증가할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 사이에 접합층(130)을 형성함으로써, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 밀착성을 향상시켜 접착력을 향상시킬 수 있고, 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
여기서, 접합층(130)은 금속 모재(110)에 포함된 금속 성분 중 어느 하나(예를 들어, 크로뮴)와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속은 상기 금속 모재(110)에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속은 크로뮴과 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 가질 수 있으며, 크로뮴과 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지에 의해 접합층(130)이 산화크로뮴 표면층(10)에 접하여 형성되면서 산화크로뮴 표면층(10)의 산소와 화학 결합(chemical bond)할 수 있다. 이러한 접합층(130)의 상기 제1 금속과 산화크로뮴 표면층(10)의 산소 간의 화학 결합으로 인해 금속 모재(110)와 접합층(130)의 결합력이 향상됨으로써, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 밀착성을 극대화시킬 수 있다.
이때, 상기 제1 금속은 크로뮴 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속이 크로뮴인 경우에는 접합층(130)이 금속 모재(110)의 산화크로뮴 표면층(10)과 Cr-Al 코팅층(120)에 모두 포함되어 있는 크로뮴을 포함하게 되어 동질성으로 인해 접합층(130)에 의한 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성이 확보될 수 있다.
그리고 상기 제1 금속이 티타늄(Ti)인 경우에는 크로뮴과 산소의 결합 에너지보다 큰 산소와의 결합 에너지를 가져 산화크로뮴 표면층(10)의 산소와의 화학 결합이 효과적으로 이루어질 수 있고, 이에 따라 금속 모재(110)와 접합층(130)의 결합력이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 티타늄은 같은 족에서 뿐만 아니라 같은 주기에서도 많은 유사성을 보여주는 전이 금속이며, 크로뮴과 같은 주기의 전이 금속이므로, 크로뮴과 많은 유사성을 가져 크로뮴과의 결합력이 확보될 수 있다. 이에, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성이 확보될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 크로뮴(Cr) 혹은 티타늄(Ti)을 포함하는 접합층(130)의 형성을 통하여 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 낮은 계면 접촉 저항에 도달할 수 있고, 최종적으로 내구성이 우수하면서도 고성능의 연료전지를 제공할 수 있다.
이때, 접합층(130)은 10 내지 100 ㎚의 두께를 가질 수 있다. 접합층(130)의 두께가 10 ㎚보다 얇은 경우에는 접합층(130)에 의한 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성 향상 효과가 미미할 수 있으며, 금속산화층과 금속층의 이중층 구조를 형성하지 못할 수도 있다. 반면에, 접합층(130)의 두께가 100 ㎚보다 두꺼운 경우에는 내부 산소 결합으로 형성된 금속산화층이 부동태화되어 내부 전류 흐름을 방해하는 저항으로 작용할 수 있으며, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 간의 밀착성이 저하되어 계면 저항이 증가할 수도 있다.
여기서, 접합층(130)은 상기 제1 금속과 결합하는 산소를 더 포함하며, 금속 모재(110)에 접하여 형성되는 금속산화층; 및 상기 금속산화층 상에 형성되며, 상기 제1 금속으로 이루어진 금속층을 포함할 수 있다. 금속산화층은 금속 모재(110)에 접하여 형성될 수 있으며, 상기 제1 금속 및 상기 제1 금속과 결합하는 산소를 포함할 수 있고, 상기 제1 금속이 산화되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속산화층은 CrxOy(층) 또는 TixOy(층)일 수 있다. 이때, 상기 금속산화층은 모든 두께(또는 높이)에서 산소의 함량(또는 원자비)이 동일할 수도 있고, 금속 모재(110)에서 멀어질수록 산소의 함량이 낮아질 수도 있다. 금속 모재(110)에 접하여 상기 금속산화층을 형성하는 경우에는 산화크로뮴 표면층(10)과 물리적 특성이 유사(또는 동일)한 상기 금속산화층이 산화크로뮴 표면층(10)에 접하여 형성됨으로써, 금속 모재(110)와의 물리적 특성의 변화를 최소화할 수 있고, 이에 따라 계면의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
금속층은 상기 제1 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 금속산화층 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 금속이 산화되면서 부도체(화)가 될 수 있으며, 상기 금속산화층만으로 접합층(130)이 이루어지는 경우에는 접합층(130)의 전기전도성이 저하될 수 있다. 이에, 상기 금속산화층 상에 상기 금속층을 형성함으로써, 접합층(130)의 전기전도성을 확보할 수 있다. 산소와 결합되지 않은 순수한 상기 제1 금속은 Cr-Al 코팅층(120)의 크로뮴과의 반응성이 상기 제1 금속의 산화물보다 높으므로, 상기 금속층을 Cr-Al 코팅층(120)과 접하여 형성하는 경우에는 접합층(130)의 상기 제1 금속과 Cr-Al 코팅층(120)의 크로뮴 간의 결합력을 확보할 수도 있다.
이때, 상기 금속산화층은 5 내지 10 ㎚의 두께를 가질 수 있고, 상기 금속층은 0.1 내지 95 ㎚의 두께를 가질 수 있다. 상기 금속산화층의 두께가 5 ㎚보다 얇은 경우에는 상기 금속산화층에 의한 계면의 밀착력 향상 효과가 미미할 수 있고, 상기 금속산화층의 두께가 10 ㎚보다 두꺼운 경우에는 접합층(130)의 전기전도성이 저하될 수 있고, 계면 접촉 저항이 증가할 수도 있다.
상기 금속층의 두께가 95 ㎚보다 두꺼운 경우에는 상기 금속산화층이 상대적으로 얇아져 상기 금속산화층에 의한 계면의 밀착력 향상 효과가 미미할 수 있으며, 접합층(130)의 전체적인 두께가 증가할 수 있고, 100 ㎚보다 두꺼워질 수 있다. 반면에, 상기 금속층의 두께가 0.1 ㎚보다 얇은 경우에는 상기 금속층에 의한 전기전도성 향상 효과가 미미하여 접합층(130)의 전기전도성이 확보되지 않을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 표면의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM) 사진이다.
도 3을 참조하면, 금속 모재(110)의 일면 상에 형성된 Cr-Al 코팅층(120)은 구형 입자가 분포되어 있는 것이 관찰되며, 이러한 구형 입자의 에너지 분산형 X-선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; EDS) 분석 결과는 상기 구형 입자 및 분리판(100)의 표면이 크로뮴-알루미늄(Cr-Al)임을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 부식침투시험 결과로, 도 4(a)는 Cr-Al 코팅층이 없는 금속 모재의 부식침투시험 결과를 나타내고, 도 4(b)는 Cr-Al 코팅층이 형성된 연료전지용 분리판의 부식침투시험 결과를 나타낸다.
부식 침투 평가는 제작된 분리판(100)의 산성 용액의 침투도를 확인하기 위함이며, 부식침투시험에서는 극한 산성 환경인 1M 황산(H2SO4) 용액 환경을 모사하였다. 도 4를 참조하면, 도 4(a)와 같이 Cr-Al 코팅층(120)이 없는 금속 모재(110)와 도 4(b)와 같이 Cr-Al 코팅층(120)이 형성된 연료전지용 분리판(100)의 부식 침투 정도는 Cr-Al 코팅층(120)이 형성된 연료전지용 분리판(100)의 경우 Cr-Al 코팅층(120)이 없는 금속 모재(110)보다 침투 정도가 더 적은 것을 관찰할 수 있다.
Cr-Al 코팅층(120)이 형성된 연료전지용 분리판(100)의 부식 저항성을 확인하기 위해서 부식전류밀도 실험을 진행했으며, 실시예로서 Cr-Al 코팅층(120)이 형성된 연료전지용 분리판(100)을 평가하면서 비교를 위해 비교예로서 Cr-Al 코팅층(120)이 형성되지 않은 금속 모재(110)를 함께 평가했다. 구체적으로, 0.5M 황산(H2SO4) 환경에서 질소 가스(N2)를 퍼징하였으며, 기준 전극으로 칼로멜(calomel) 전극과 상대 전극으로 백금 와이어(Pt wire)를 사용하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 동전위분극시험 결과이다.
도 5에서는 선형 주사(훑음) 전압-전류법(Linear Sweep Voltammetry; LSV)을 통해 작동 전극의 전극 면적이 1 ㎠일 때의 결과를 도출하였다. 실시예인 Cr-Al 코팅층(120)이 형성된 연료전지용 분리판(100)의 경우, 비교예인 Cr-Al 코팅층(120)이 형성되지 않은 금속 모재(110)에 비하여 부식 전위가 높고, 상대적으로 부동태 영역(Passive state)가 일직선의 형태를 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 이것은 본 발명의 Cr-Al 코팅층(120)이 연료전지에서 발생하는 성능 저하의 주요인인 연료전지용 분리판(100)의 산화 반응을 억제하는 효과가 있다는 것을 보여주는 결과이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 물 접촉각 측정 결과이다.
도 6을 참조하면, Cr-Al 코팅층(120)은 90 내지 180°의 물 접촉각을 가질 수 있다. 도 6에서는 Cr-Al 코팅층(120)이 형성된 연료전지용 분리판(100)의 소수성 특성을 평가하였으며, 실험의 결과 자료를 도 6에 나타내었다. 일반적으로 소수성(또는 젖음성)은 측정 대상(예를 들어, 상기 분리판)의 표면과 용액(예를 들어, 물)이 이루는 각도에 따라 평가 가능하며, 90°이하의 각도인 경우에는 상대적으로 친수성이고, 90°이상의 접촉각은 상대적으로 소수성으로 평가한다. 본 발명에서는 Cr-Al 코팅층(120)의 표면에 대하여 물 접촉각 측정을 실시하였으며, 그 범위는 약 110°로 측정되었다. 즉, 본 발명에 따른 Cr-Al 코팅층(120)이 형성된 연료전지용 분리판(100)은 내부식성뿐만 아니라 연료전지 시스템에서 물 배출에 용이한 소수성 특성까지 갖추었음을 알 수 있다.
유로(150)는 연료 중 수소와 공기 중 산소 간의 전기화학 반응을 통해 생성된 물을 효과적으로 배출할 수 있어야 하며, 유로(150)를 통해 생성된 물의 제거가 원활히 이루어지지 않을 경우에는 물 범람(Water Flooding) 현상이 발생하게 될 수 있고, 이로 인해 반응물 농도 불균형과 막의 액화를 초래하여 연료전지의 전체적인 성능 저하를 일으키는 원인이 될 수 있다. 여기서, 유로(150)의 표면이 친수성인 경우에는 유로(150) 표면과 물의 접촉 저항(또는 마찰)으로 인해 공기극에서 전극반응으로 생성된 물이 유로(150)를 통하여 원활하게 외부로 배출될 수 없게 된다.
이에, 분리판(100)의 유로(150)를 포함한 표면(즉, 상기 Cr-Al 코팅층)은 소수성의 특성을 가져야 할 필요성이 있으며, 공기극에서 전극반응으로 생성된 물이 유로(150)를 통하여 원활하게 외부로 배출할 수 있는 적절한 소수성의 표면(hydrophobic surface) 특성을 갖추고 있을 필요가 있다.
따라서, 본 발명에서는 Cr-Al 코팅층(120)을 통해 분리판(100)에 형성된 유로(150) 표면의 소수성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 분리판(100) 유로(150)에서의 물 범람 현상을 방지할 수 있고, 반응물 농도 불균형과 막의 액화를 초래하여 연료전지의 전체적인 성능 저하를 일으키는 원인을 제거할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판의 계면 접촉 저항의 측정 결과이다.
도 7에서는 Cr-Al 코팅층(120)이 형성된 연료전지용 분리판(100)의 계면 접촉 저항을 측정하였으며, 연료전지에서 사용 가능한 분리판(100)의 계면 접촉 저항 값의 범주는 연료전지 체결 압력인 100 내지 150 N/㎠의 기준 압력에서 10 mΩ/㎠ 이하로 정의될 수 있다. 여기서, 계면 접촉 저항은 Cr-Al 코팅층(120)의 표면과 연료전지 스택 내 가스확산층(Gas Diffusion Layer; GDL)과의 전기전도성을 평가함을 뜻한다. 도 7에서 측정된 결과값은 기준 압력 범위에서 약 5 mΩ/㎠으로 도출되었으며, 이는 연료전지에서 접합층(130)을 갖는 Cr-Al 코팅층(120)이 충분한 전기전도성을 가짐을 의미한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 제조방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판과 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 제조방법은 판상의 금속 모재(110)를 준비하는 과정(S100); 상기 금속 모재(110)의 일면에 적어도 부분적으로 유로채널을 형성하는 과정(S200); 및 상기 금속 모재(110)의 일면 상에 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하는 Cr-Al 코팅층(120)을 형성하는 과정(S300);을 포함할 수 있다.
먼저, 판상의 금속 모재(110)를 준비한다(S100). 서로 대향하는 일면과 타면을 갖는 판상의 금속 모재(110)를 준비할 수 있으며, 금속 모재(110)는 일반적인 연료전지용 분리판(100)에 이용되는 금속이라면 제한없이 이용될 수 있으며, 예를 들어 스테인리스 강(stainless steel), 알루미늄, 티타늄, 크로뮴, 니켈이나 이들 중 하나 이상을 포함하는 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 이 중 가벼우면서도 내식성이 우수한 스테인리스 강 재질의 금속 모재(110)가 가장 바람직하다고 볼 수 있다. 이때, 금속 모재(110)는 분리판(100) 형상으로 성형된 것을 이용할 수 있다.
다음으로, 상기 금속 모재(110)의 일면에 적어도 부분적으로 유로채널(flow field channel)을 형성한다(S200). 금속 모재(110)의 적어도 일면에 적어도 부분적으로 유로채널을 형성할 수 있으며, 상기 유로채널에 의해 분리판(100)의 유로(flow field, 150)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 유로채널은 오목부(groove) 형태로 형성될 수 있으며, 금속 모재(110)의 일면에만 형성할 수도 있고, 서로 대향하는 일면과 타면에 모두 형성할 수도 있다.
여기서, 금속 모재(110)의 두께는 0.5 내지 3 ㎜일 수 있으며, 상기 유로채널의 깊이는 금속 모재(110)의 두께 대비 최대 80 %까지 설정할 수 있다. 상기 유로채널의 깊이가 금속 모재(110)의 두께 대비 1 % 미만인 경우에는 Cr-Al 코팅층(120)이 형성되면서 상기 유로채널이 채워지거나 막힐 수 있으며, 균일한 채널 깊이를 형성하지 못하게 된다. 반면에, 상기 유로채널의 깊이가 금속 모재(110)의 두께 대비 80 %를 초과하는 경우에는 상기 유로채널의 성형(또는 형성)으로 인한 금속 모재(110)의 뚫림 현상이 발생할 수 있고, 기계적 강도가 저하될 수 있으며, 상기 유로채널의 표면(또는 상기 유로의 표면)에 Cr-Al 코팅층(120)의 형성이 어려워질 수 있다. 이에, 상기 유로채널의 성형으로 인한 금속 모재(110)의 뚫림 현상의 방지와 균일한 채널 깊이를 형성하기 위해 상기 유로채널의 깊이를 금속 모재(110)의 두께 대비 1 내지 80 %로 할 수 있다.
예를 들어, 상기 유로채널은 습식 식각(Wet Etching) 공정을 이용하여 형성할 수 있으며, 습식 식각은 스탬핑(Stamping) 공정보다 정확성이 높고, 건식 식각(Dry Etching)과 비교하여 등방성이며 저비용 및 생산성이 높은 성형 공정으로써 바람직할 수 있다.
그 다음 상기 금속 모재(110)의 일면 상에 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하는 Cr-Al 코팅층(120)을 형성한다(S300). 금속 모재(110)는 연료전지의 고온 다습한 가혹한 환경 하에서는 내식성 및 전기전도성 특성이 만족할만한 수준을 보이지 못하는 바, 본 발명에서는 이러한 점을 보완하기 위하여 금속 모재(110)의 일면 상에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있다. 예를 들어, Cr-Al 코팅층(120)은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 행하여지는 통상의 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition; PVD), 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 금속 용사법(Metallizing) 등 여러 방법으로 형성될 수 있고, 막(film) 형태로 형성될 수 있다.
여기서, Cr-Al 코팅층(120)은 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 크로뮴(Cr)은 산화반응에 의해 안정한 Cr2O3 산화막을 형성할 수 있으며, 가혹 환경에서 산화 피막을 형성하므로 부식 저항성에 탁월하나 단일 금속으로 사용시의 유해성이 존재할 수 있다. 즉, 크로뮴(Cr)은 산화 상태가 다른 2 ~ 6가 양이온으로 존재하는데, 그 중 6가 크로뮴은 독성 물질로써 인체와 환경에 유해한 특징이 있다. 또한, 소재적인 관점에서 크로뮴(Cr)은 체심 입방 결정구조(Body-Centered Cubic structure; BCC)를 갖는 금속으로써 높은 경도(hardness)를 가지며, 약 1,900 ℃의 융점을 가지므로 가공성 및 공정의 경제성이 좋지 않아 단일 성분의 코팅층으로 사용하기에 어려움이 있다.
알루미늄(Al)은 산화반응에 의해 안정한 Al2O3를 생성할 수 있으며, 경량 소재로써 널리 응용되고 가공성이 좋은 특징을 갖고 있다. 이는 알루미늄이 면심 입방 결정구조(Face-Centered Cubic structure; FCC)를 가져 여러 슬립(slip) 면에서 소성변형이 일어나 높은 전성(malleability)과 연성(ductility)을 가지기 때문이다. 또한, 알루미늄은 크로뮴과 마찬가지로 표면의 산화 피막을 형성해 내식성을 지녀 부식 방지를 위한 소재로써 적용될 가능성을 지니고 있으나, 연료전지 셀(cell)의 체결 압력을 버틸 수 있는 기계적 강도(strength)가 부족하며, 연료전지 운전 환경의 부식에서는 높은 저항성을 지니지 못하는 단점이 있다. 알루미늄의 또 다른 단점은 높은 열팽창계수(Thermal expansion coefficient)로써 연료전지의 열적 조건에서 장시간 노출될 경우에 금속 모재(110)와의 열팽창계수 차이로 인해 계면 손상이 발생할 수 있다. 즉, 알루미늄 또한 금속 모재(110)의 단일 성분의 코팅층으로 사용하기에 어려움이 있다.
이에, 금속 모재(110)의 일면 상에 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 모두 포함하는 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있으며, 크로뮴에 의한 Cr2O3 산화막과 알루미늄에 의한 Al2O3 산화막을 통해 금속 모재(110)를 기반으로 하는 분리판(100)의 내식성이 증가할 수 있다. 즉, Cr-Al 코팅층(120)을 금속 모재(110)에 코팅하는 경우, 극한 산성 조건에서도 우수한 내식성을 가지므로, 연료전지 발전의 내구성 확보 및 장기적 출력 특성에 효과가 있다.
상기 Cr-Al 코팅층(120)을 형성하는 과정(S300)에서는 80 내지 90 wt%의 크로뮴과 10 내지 20 wt%의 알루미늄을 포함하는 이원계 합금으로 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있다. 크로뮴의 중량비가 90 wt%보다 크고 알루미늄의 중량비가 10 wt%보다 작은 경우에는 크로뮴의 산화막으로 인해 부식 특성이 향상될 수 있으나, 크로뮴의 산화막은 부도체이므로 계면 접촉 저항(Interfacial Contact Resistance; ICR)을 증가시킬 수 있고, 전기전도성이 떨어질 수 있다. 구체적으로, 크로뮴의 특성이 강하게 나타나 크로뮴-알루미늄의 이원계 합금이 체심 입방 결정구조(BCC)에서 치환형 고용체 구조를 형성하지 못하여 알루미늄에 의한 금속 간의 전자 전달이 이루어지지 못하고, 전기전도성이 저하될 수 있다.
반면에, 크로뮴의 중량비가 80 wt%보다 작고 알루미늄의 중량비가 20 wt%보다 큰 경우에는 상평형을 유지하지 못하고 상변태(Phase transformation)가 발생할 수 있다. 즉, 체심 입방 결정구조(BCC)를 유지하지 못하여 경도가 낮아질 수 있고, 기계적 강도가 부족해질 수 있다.
하지만, Cr-Al 코팅층(120)이 80 내지 90 wt%의 크로뮴과 10 내지 20 wt%의 알루미늄을 포함하는 이원계 합금인 경우에는 이원계 합금 내에서 금속 간 화합물을 형성하지 않고 체심 입방 결정구조(BCC)의 치환형 고용체를 형성할 수 있으며, 단일상으로 격자 구조 유지에 유리하여 내부식성을 향상시킬 수 있으면서 표면 저항의 문제가 없을 수 있다. 즉, 체심 입방 결정구조(BCC)의 치환형 고용체 구조를 유지하므로, 크로뮴이 산화막을 형성하여도 알루미늄이 구조체를 유지하여 금속 간의 전자 전달에 유리할 수 있고, 이에 따라 Cr-Al 코팅층(120)의 코팅으로 인한 분리판(100)의 표면 저항 문제가 해결될 수 있다.
한편, Cr-Al 코팅층(120)이 크로뮴과 알루미늄 이외의 다른 금속원소를 포함하는 삼원계 이상의 다원계 합금인 경우에는 첨가되는 금속원소에 대한 상평형도(Phase diagram)를 모두 고려해야 하며, 이에 따라 공정상의 비용이 증가할 수 있으며, 삼원계 이상의 금속 합금의 경우에는 강도 및 경도가 급격히 증가함에 따라 분리판(100) 유로 설계 시 어려움이 존재할 가능성이 있다. 또한, 이원계 합금보다 공정 단계가 증가함에 따라 미세조직의 변화의 예측이 어려우며, 다양한 상변태 및 금속 간 화합물이 발생할 수 있다.
금속 모재(110)는 크로뮴을 포함할 수 있으며, 크로뮴을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
예를 들어, 금속 모재(110)는 스테인리스 강을 포함할 수 있다. 일반적으로 높은 강도와 내구성, 우수한 성형성 등을 갖는 철강 재료는 각종 산업에서 널리 쓰이고 있는 재료이며, 기계적 강도가 요구되는 분리판(100)에도 사용되고 있다. 그러나 철(Fe)은 이온화 경향이 비교적 높아 쉽게 산화되므로, 철강 소재를 사용하는데 있어 부식/방식 처리는 중요한 요소 중 하나이다. 스테인리스 강은 철의 부식 방지를 위해 만들어진 대표적인 제품으로서, 각종 산업 및 일상 생활에서 다양하게 응용되어 지고 있으며, 스테인리스 강에 포함된 크로뮴 성분을 통하여 표면에 크로뮴 산화 피막(예를 들어, 부동태 피막)을 형성하는 원리를 이용한다.
하지만, 연료전지의 가혹 환경에서는 극한 산성 환경으로 인해 스테인리스 강 표면의 크로뮴 산화 피막이 손실되어 철 모재의 국부적 부식을 막기에 어려움이 존재한다.
따라서, 금속 모재(110)의 일면 상에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있으며, 크로뮴이 크로뮴 산화막을 형성하여 금속 모재(110) 등을 보호하면서 크로뮴과 같이 산화 피막이 금속 모재(110) 등의 내부금속을 보호하는 작용을 하는 알루미늄과의 합금을 통하여 산화막(또는 산화 피막)의 내구성을 향상시킴으로써, 분리판(100)의 내부식성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조방법은 금속 모재(110)에 크로뮴이 산화되어 형성되는 산화크로뮴 표면층(10)이 형성되는 과정(S150);을 더 포함할 수 있다.
금속 모재(110)에 크로뮴이 산화되어 형성되는 산화크로뮴 표면층(10)이 형성될 수 있다(S150). 산화크로뮴 표면층(10)은 금속 모재(110)에 포함된 크로뮴이 산화되어 형성될 수 있고, 부동태 피막(10a) 및/또는 산화 피막(10b)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 산화크로뮴 표면층(10)이 형성되는 과정(S150)은 상기 유로채널을 형성하는 과정(S200) 이전에 금속 모재(110)의 표면에 부동태 피막(10a)이 형성되는 과정(S151); 및 상기 유로채널을 형성하는 과정(S200) 이후에 금속 모재(110)의 표면 중 적어도 일부에 산화 피막(10b)이 형성되는 과정(S152)을 포함할 수 있다.
상기 유로채널을 형성하는 과정(S200) 이전에 금속 모재(110)의 표면에 부동태 피막(10a)이 형성될 수 있다(S151). 부동태 피막(10a)은 상기 유로채널을 형성하는 과정(S200) 이전에 금속 모재(110)를 준비하면서(또는 상기 금속 모재를 준비하는 과정에서) 금속 모재(110)의 표면에 형성될 수 있다.
예를 들어, 부동태 피막(10a)은 철의 부식 방지를 위해 본래 스테인리스 강의 표면에 형성된 부동태 피막(10a)일 수 있다. 이러한 부동태 피막(10a)은 스테인리스 강의 제조공정에서 스테인리스 강에 포함된 크로뮴 성분을 통해 표면에 형성될 수 있으며, 크로뮴 산화 피막일 수 있고, 특수한 환경 하에서 산화 피막이 강화되어 크로뮴이 보통 상태에서 나타내는 (화학적) 반응성을 잃은(또는 상실한) 상태(또는 부동태)일 수 있다. 이때, 부동태 피막(10a)은 유리와 같이 아주 치밀하여 밀착성이 좋은 유연한 구조를 취하므로 금속 모재(110) 내부의 금속과 잘 부착되어 표면에 안정한 피막을 유지할 수 있다.
그리고 상기 유로채널을 형성하는 과정(S200) 이후에 금속 모재(110)의 표면 중 적어도 일부에 산화 피막(10b)이 형성될 수 있다(S152). 상기 유로채널을 형성하는 과정(S200)에서 금속 모재(110)의 일면에 적어도 부분적으로 상기 유로채널을 형성하면서 금속 모재(110)의 표면 중 적어도 일부에 부동태 피막(10a)이 제거될 수 있으며, 상기 유로채널을 형성하는 과정(S200) 이후에(또는 상기 유로채널을 형성하면서) 부동태 피막(10a)이 제거된 부분(즉, 상기 금속 모재의 표면 중 적어도 일부)이 공기(또는 대기) 중에 노출되어 금속 모재(110)에 포함된 크로뮴이 공기 중의 산소와 반응할 수 있고, 크로뮴이 산화되어 산화 피막(10b)이 형성될 수 있다. 즉, 산화 피막(10b)은 금속 모재(110) 내부의 금속이 공기 중에 노출됨으로써, 공기 중 산소와의 반응으로 크로뮴이 산화되어 형성될 수 있으며, 부동태화되지 않은 상태일 수 있다.
이때, 산화 피막(10b)은 부동태화되지 않아 부동태 피막(10a)보다 얇거나, 부동태 피막(10a)보다 크로뮴의 함량(또는 원자비)이 작을 수 있다. 이렇게 상기 유로채널의 형성으로 인해 부동태 피막(10a)이 제거되고 산화 피막(10b)이 형성된 부분은 산화크로뮴 표면층(10)의 얇은 두께 등으로 인해 내부식성이 더욱 저하되므로, Cr-Al 코팅층(120)이 더욱 필요할 수 있다. 본 발명에서는 금속 모재(110)에 상기 유로채널을 형성한 후에 부동태 피막(10a)이 제거되고 형성된 산화 피막(10b) 상에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성함으로써, 상기 유로채널의 형성으로 인해 안정한 부동태 피막(10a) 대신에 불안정한 산화 피막(10b)이 형성되는 경우에도 효과적으로 분리판(100)의 내부식성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조방법은 금속 모재(110)에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함하는 접합층(130)을 금속 모재(110) 상에 형성하는 과정(S250);을 더 포함할 수 있다.
그리고 금속 모재(110)에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함하는 접합층(130)을 금속 모재(110) 상에 형성할 수 있다(S250). 금속 모재(110) 상에 접합층(130)을 형성할 수 있으며, 접합층(130)은 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 사이에 개재될 수 있고, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성(또는 접합성)을 향상시킬 수 있다. 산화크로뮴 표면층(10)은 내식성을 증가시킬 수 있으나, 부도체이므로 계면 접촉 저항을 증가시키는 원인이 되며, Cr-Al 코팅층(120)의 형성(또는 코팅) 시 접합력을 떨어뜨리는 문제를 일으킬 수 있다. 또한, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 간의 접합성 혹은 접착력에 따라 계면 저항이 증가할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 사이에 접합층(130)을 형성함으로써, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 밀착성을 향상시켜 접착력을 향상시킬 수 있고, 접촉 저항을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 접합층(130)은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 행하여지는 통상의 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 물리적 기상 증착법(PVD), 화학적 기상 증착법(CVD), 금속 용사법 등 여러 방법으로 형성될 수 있다. 이를 통해 접합층(130)과 Cr-Al 코팅층(120)은 산화크로뮴 표면층(10) 상에 연속적인 막 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 접합층(130)은 금속 모재(110)에 포함된 금속 성분 중 어느 하나(예를 들어, 크로뮴)와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속은 상기 금속 모재(110)에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속은 크로뮴과 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 가질 수 있으며, 크로뮴과 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지에 의해 접합층(130)이 산화크로뮴 표면층(10)에 접하여 형성되면서 산화크로뮴 표면층(10)의 산소와 화학 결합(chemical bond)할 수 있다. 이러한 접합층(130)의 상기 제1 금속과 산화크로뮴 표면층(10)의 산소 간의 화학 결합으로 인해 금속 모재(110)와 접합층(130)의 결합력이 향상됨으로써, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 밀착성을 극대화시킬 수 있다.
이때, 상기 Cr-Al 코팅층(120)을 형성하는 과정(S300)에서는 접합층(130) 상에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성할 수 있다. 금속 모재(110) 상에 접합층(130)을 형성하고, 접합층(130) 상에 Cr-Al 코팅층(120)을 형성함으로써, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 사이에 접합층(130)이 개재될 수 있고, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120) 간의 접착성이 향상될 수 있다.
그리고 상기 제1 금속은 크로뮴 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속이 크로뮴인 경우에는 접합층(130)이 금속 모재(110)의 산화크로뮴 표면층(10)과 Cr-Al 코팅층(120)에 모두 포함되어 있는 크로뮴을 포함하게 되어 동질성으로 인해 접합층(130)에 의한 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성이 확보될 수 있다.
한편, 상기 제1 금속이 티타늄(Ti)인 경우에는 크로뮴과 산소의 결합 에너지보다 큰 산소와의 결합 에너지를 가져 산화크로뮴 표면층(10)의 산소와의 화학 결합이 효과적으로 이루어질 수 있고, 이에 따라 금속 모재(110)와 접합층(130)의 결합력이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 티타늄은 같은 족에서 뿐만 아니라 같은 주기에서도 많은 유사성을 보여주는 전이 금속이며, 크로뮴과 같은 주기의 전이 금속이므로, 크로뮴과 많은 유사성을 가져 크로뮴과의 결합력이 확보될 수 있다. 이에, 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성이 확보될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 크로뮴(Cr) 혹은 티타늄(Ti)을 포함하는 접합층(130)의 형성을 통하여 금속 모재(110)와 Cr-Al 코팅층(120)의 접착성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 낮은 계면 접촉 저항에 도달할 수 있고, 최종적으로 내구성이 우수하면서도 고성능의 연료전지를 제공할 수 있다.
상기 접합층(130)을 금속 모재(110) 상에 형성하는 과정(S250)은 금속 모재(110)에 접하여 상기 제1 금속과 산소가 결합된 금속산화층을 형성하는 과정(S251); 및 상기 금속산화층 상에 상기 제1 금속으로 금속층을 형성하는 과정(S252)을 포함할 수 있다.
금속 모재(110)에 접하여 상기 제1 금속과 산소가 결합된 금속산화층을 형성할 수 있다(S251). 금속 모재(110)와의 물리적 특성의 변화를 최소화하기 위해 금속 모재(110)에 접하여 금속산화층을 형성할 수 있으며, 상기 금속산화층은 상기 제1 금속 및 상기 제1 금속과 결합하는 산소를 포함할 수 있고, 상기 제1 금속이 산화되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 금속은 금속 모재(110)와의 물리적 특성의 변화를 최소화하기 위하여 산화물의 형태로 증착을 시작할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속산화층은 CrxOy(층) 또는 TixOy(층)일 수 있다. 이때, 상기 금속산화층은 모든 두께(또는 높이)에서 산소의 함량(또는 원자비)이 동일할 수도 있고, 금속 모재(110)에서 멀어질수록 산소의 함량이 낮아질 수도 있다. 금속 모재(110)에 접하여 상기 금속산화층을 형성하는 경우에는 산화크로뮴 표면층(10)과 물리적 특성이 유사(또는 동일)한 상기 금속산화층이 산화크로뮴 표면층(10)에 접하여 형성됨으로써, 금속 모재(110)와의 물리적 특성의 변화를 최소화할 수 있고, 이에 따라 계면의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 산화 분위기(또는 산소 분위기)에서 크로뮴 및/또는 티타늄의 산화물 형태로 상기 금속산화층을 금속 모재(110)의 표면(또는 상기 산화크로뮴 표면층 상)에 형성할 수 있다.
그리고 상기 금속산화층 상에 상기 제1 금속으로 금속층을 형성할 수 있다(S252). 상기 금속산화층 상에 상기 제1 금속으로 금속층을 형성할 수 있으며, 상기 금속층은 상기 제1 금속으로 이루어질 수 있고, 상기 금속산화층 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 금속이 산화되면서 부도체(화)가 될 수 있으며, 상기 금속산화층만으로 접합층(130)이 이루어지는 경우에는 접합층(130)의 전기전도성이 저하될 수 있다. 이에, 상기 금속산화층 상에 상기 금속층을 형성함으로써, 접합층(130)의 전기전도성을 확보할 수 있다. 산소와 결합되지 않은 순수한 상기 제1 금속은 Cr-Al 코팅층(120)의 크로뮴과의 반응성이 상기 제1 금속의 산화물보다 높으므로, 상기 금속층을 Cr-Al 코팅층(120)과 접하여 형성하는 경우에는 접합층(130)의 상기 제1 금속과 Cr-Al 코팅층(120)의 크로뮴 간의 결합력을 확보할 수도 있다.
예를 들어, 진공 및/또는 불활성 분위기(또는 불활성 가스 분위기)에서 순수 금속(예를 들어, 순수 크로뮴, 순수 티타늄, 순수 Cr-Ti 합금 등)의 형태로 상기 금속층을 상기 금속산화층의 표면에 형성할 수 있다.
상기 금속산화층을 형성하는 과정(S251)에서는 5 내지 10 ㎚의 두께로 상기 금속산화층을 형성할 수 있고, 상기 금속층을 형성하는 과정(S252)에서는 0.1 내지 95 ㎚의 두께로 상기 금속층을 형성할 수 있다. 상기 금속산화층의 두께가 5 ㎚보다 얇은 경우에는 상기 금속산화층에 의한 계면의 밀착력 향상 효과가 미미할 수 있고, 상기 금속산화층의 두께가 10 ㎚보다 두꺼운 경우에는 접합층(130)의 전기전도성이 저하될 수 있고, 계면 접촉 저항이 증가할 수도 있다.
상기 금속층의 두께가 95 ㎚보다 두꺼운 경우에는 상기 금속산화층이 상대적으로 얇아져 상기 금속산화층에 의한 계면의 밀착력 향상 효과가 미미할 수 있으며, 접합층(130)의 전체적인 두께가 증가할 수 있고, 100 ㎚보다 두꺼워질 수 있다. 반면에, 상기 금속층의 두께가 0.1 ㎚보다 얇은 경우에는 상기 금속층에 의한 전기전도성 향상 효과가 미미하여 접합층(130)의 전기전도성이 확보되지 않을 수 있다.
여기서, 상기 금속산화층을 형성하는 과정(S251)과 상기 금속층을 형성하는 과정(S252)은 인시츄(in-situ)로 수행될 수 있으며, 공정 챔버에서 산소를 공급하면서(또는 산화 분위기에서) 상기 금속산화층을 형성할 수 있고, 산소 분압을 낮추어 가다가 상기 금속산화층의 두께가 5 내지 10 ㎚에 이르렀을 때부터 산소가 없는(또는 제거된) 진공에서 순수한 금속으로 상기 금속층을 0.1 내지 95 ㎚의 두께로 형성하여 10 내지 100 ㎚의 최종 두께를 갖는 접합층(130)을 형성할 수 있다.
즉, 금속 모재(110)의 표면에 상기 금속산화층이 형성되고, 두께가 증가함에 따라 산화물(또는 상기 금속산화층) 내의 산소량이 줄어 5 내지 10 ㎚의 두께 이후부터는 완전히 순수한 금속의 상기 금속층이 형성될 수 있다. 이러한 경우, 금속 모재(110)에서 Cr-Al 코팅층(120)으로 가면서 두께별(또는 위치별) 물리적 특성의 차이가 최소화되어 금속 모재(110)와 상기 금속산화층의 접합성이 향상될 수 있고, 상기 금속산화층과 상기 금속층의 접합성도 향상될 수 있으며, 상기 금속층과 Cr-Al 코팅층(120)의 접합성이 향상될 수 있다.
예를 들어, 스퍼터링(sputtering) 등의 물리적 기상 증착법(PVD)으로 접합층(130)을 형성할 수 있으며, 산화 분위기에서 상기 제1 금속을 스퍼터링하여 상기 금속산화층을 형성할 수 있고, 산소 분압을 낮춰 진공에서 상기 제1 금속을 스퍼터링하여 상기 금속층을 형성할 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 유로채널이 형성된 금속 모재의 일면 상에 Cr-Al 코팅층을 형성함으로써, 우수한 기계적 강도를 유지하면서 종래의 금속 분리판에 비하여 강산 환경에서의 내부식성이 개선될 수 있다. 또한, 크로뮴 혹은 티타늄을 포함하는 접합층의 형성을 통하여 금속 모재와 Cr-Al 코팅층의 접착성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 낮은 계면 접촉 저항에 도달할 수 있고, 최종적으로 내구성이 우수하면서도 고성능의 연료전지를 제공할 수 있다. 여기서, 접합층을 금속산화층과 금속층의 이중층으로 구성하여 산화크로뮴 표면층을 포함하는 금속 모재 및 크로뮴을 포함하는 Cr-Al 코팅층과의 물리적 특성의 변화를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 계면의 밀착력을 향상시킬 수 있다. 그리고 Cr-Al 코팅층을 통해 분리판에 형성된 유로 표면의 소수성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 분리판 유로에서의 물 범람 현상을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 산화크로뮴 표면층 10a: 부동태 피막
10b: 산화 피막 100 : 연료전지용 분리판
110 : 금속 모재 120 : Cr-Al 코팅층
130 : 접합층 150 : 유로
10b: 산화 피막 100 : 연료전지용 분리판
110 : 금속 모재 120 : Cr-Al 코팅층
130 : 접합층 150 : 유로
Claims (19)
- 일면에 적어도 부분적으로 유로채널이 형성된 금속 모재; 및
크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 금속 모재의 일면 상에 형성되는 Cr-Al 코팅층;을 포함하는 연료전지용 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 Cr-Al 코팅층은 알루미늄보다 큰 중량비의 크로뮴을 포함하는 크로뮴-알루미늄 합금으로 이루어진 연료전지용 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 Cr-Al 코팅층은 1 ㎚ 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 연료전지용 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 모재에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함하며, 상기 금속 모재와 상기 Cr-Al 코팅층 사이에 개재되는 접합층;을 더 포함하는 연료전지용 분리판. - 청구항 4에 있어서,
상기 제1 금속은 크로뮴 또는 티타늄(Ti)을 포함하는 연료전지용 분리판. - 청구항 4에 있어서,
상기 접합층은 10 내지 100 ㎚의 두께를 갖는 연료전지용 분리판. - 청구항 4에 있어서,
상기 접합층은,
상기 제1 금속과 결합하는 산소를 더 포함하며, 상기 금속 모재에 접하여 형성되는 금속산화층; 및
상기 금속산화층 상에 형성되며, 상기 제1 금속으로 이루어진 금속층을 포함하는 연료전지용 분리판. - 청구항 7에 있어서,
상기 금속산화층은 5 내지 10 ㎚의 두께를 갖고,
상기 금속층은 0.1 내지 95 ㎚의 두께를 갖는 연료전지용 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 Cr-Al 코팅층은 90 내지 180°의 물 접촉각을 갖는 연료전지용 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 모재는 크로뮴을 포함하는 합금을 포함하는 연료전지용 분리판. - 청구항 10에 있어서,
상기 금속 모재는 크로뮴이 산화되어 형성되는 산화크로뮴 표면층을 갖는 연료전지용 분리판. - 판상의 금속 모재를 준비하는 과정;
상기 금속 모재의 일면에 적어도 부분적으로 유로채널을 형성하는 과정; 및
상기 금속 모재의 일면 상에 크로뮴(Cr)과 알루미늄(Al)을 포함하는 Cr-Al 코팅층을 형성하는 과정;을 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 금속 모재에 포함된 금속 성분 중 어느 하나와 산소의 결합 에너지 이상의 산소와의 결합 에너지를 갖는 제1 금속을 포함하는 접합층을 상기 금속 모재 상에 형성하는 과정;을 더 포함하고,
상기 Cr-Al 코팅층을 형성하는 과정에서는 상기 접합층 상에 상기 Cr-Al 코팅층을 형성하는 연료전지용 분리판 제조방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 접합층을 상기 금속 모재 상에 형성하는 과정은,
상기 금속 모재에 접하여 상기 제1 금속과 산소가 결합된 금속산화층을 형성하는 과정; 및
상기 금속산화층 상에 상기 제1 금속으로 금속층을 형성하는 과정을 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 금속산화층을 형성하는 과정에서는 5 내지 10 ㎚의 두께로 상기 금속산화층을 형성하고,
상기 금속층을 형성하는 과정에서는 0.1 내지 95 ㎚의 두께로 상기 금속층을 형성하는 연료전지용 분리판 제조방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 제1 금속은 크로뮴 또는 티타늄(Ti)을 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 금속 모재는 크로뮴을 포함하는 합금을 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 금속 모재에 크로뮴이 산화되어 형성되는 산화크로뮴 표면층이 형성되는 과정;을 더 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 Cr-Al 코팅층을 형성하는 과정에서는 80 내지 90 wt%의 크로뮴과 10 내지 20 wt%의 알루미늄을 포함하는 이원계 합금으로 상기 Cr-Al 코팅층을 형성하는 연료전지용 분리판 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220006727A KR20230111029A (ko) | 2022-01-17 | 2022-01-17 | 연료전지용 분리판 및 연료전지용 분리판 제조방법 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100988915B1 (ko) | 2002-08-23 | 2010-10-20 | 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 | 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100988915B1 (ko) | 2002-08-23 | 2010-10-20 | 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 | 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 |
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| E902 | Notification of reason for refusal |