KR20240016612A - 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 발수성 및 내식성 향상을 위한 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판은 금속으로 이루어진 베이스판; 및 상기 베이스판 상에 제공되고, 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조를 갖는 표면 개질층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판은 금속으로 이루어진 베이스판; 및 상기 베이스판 상에 제공되고, 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조를 갖는 표면 개질층;을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 발수성 및 내식성 향상을 위한 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 전기화학반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 진보된 청정 고효율 발전 장치로 주목받고 있다. 연료전지는 높은 에너지 상태에 있는 반응물의 화학 결합들이 낮은 에너지 상태의 결합으로 전환될 때 발생하는 전기화학 반응으로부터 직접적으로 전기를 발생시키는 시스템으로, 자발적 반응에 의존한다. 이러한 연료전지는 화학적 에너지로부터 직접 전기를 생산하므로 기존의 화석연료 기반의 연소 기관보다 효율성과 지속성의 측면에서 유리하며 특히, 환경오염을 발생시키는 배출물이 존재하지 않아 앞으로 다가올 탄소 중립 사회에서 매우 적합하다.
연료전지 발전 시스템을 구성하는 핵심 스택(Stack)은 전해질 막, 연료극, 공기극 및 집전체 등이 직렬 연결된 상태로 구성되는데, 그 중 분리판(Bipolar Plates)은 외부에서 공급된 가스들이 혼합되지 않고 전극 내부로 공급되게 하는 역할과 동시에 전극 반응에서 생성된 물이 외부로 원활히 배출되도록 하는 기능을 수행한다. 또한, 멤브레인과 전극을 지지하고 셀 사이의 전기적 연결과 동시에 열관리의 역할을 수행한다.
분리판은 연료전지 스택에서 반응 가스 흐름을 위한 유로를 제공하며 스택을 지지하고 전도체의 역할을 한다. 이때 금속 기반의 분리판은 충격 및 진동에 대한 내구성이 뛰어나고, 용이한 제조성과 가공성을 가져 현재 널리 응용되고 있다. 그러나, 연료전지의 산성 환경에서의 금속 표면의 부식 문제는 금속 이온을 용출시키고, 이는 촉매 및 MEA의 오염을 유발하여 셀 성능을 감소하는 결과를 초래한다.
일반적인 연료전지의 경우, 외부에서 공급되는 수소는 음극 (Anode)에서 산화되어 수소 양이온 (H+)으로 해리되고, 외부 도선과 전해질을 따라 양극 (Cathode)로 전달되어 공기 중의 산소와 전기화학적인 반응하게 되고 이는 연료전지 시스템에서 전류를 발생시킨다. 이때 수소연료전지 내의 수소 이온의 잔류를 비롯하여 시스템의 환경은 산성 조건 (Acidic) 이며, 이는 작동 중에 금속 분리판의 표면에서 부식 반응을 일으켜 금속 이온을 용출시킨다. 이때 용출된 금속 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(Cathode)으로 넘어가게 된다. 특히, 현재 주로 이용하고 있는 금속 분리판 소재인 철강 및 스테인리스 강(Stainless Steels)의 경우에는 수소 환원 반응 시 생성되는 과산화수소(H2O2) 등의 변환 과정에서 라디칼 작용기와 철(Fe) 이온이 만나 팬톤 반응을 발생시켜 고분자 전해질 막의 열화를 발생시킬 수 있다. 이는 화학적 및 물리적 분해를 일으켜 연료전지의 내구성 및 수명 저하의 문제를 발생시킨다. 이후 막은 핀홀(Pinhole) 형성하거나 혹은 퇴화되어 술폰산기(SO3H)를 발생시킬 수 있으며, 이는 극한 부식성 환경을 조성하게 되며, 불소(F+)이온을 용출시킴으로써 할로겐족에 의한 내부성의 특성을 갖는 산화막을 국부적으로 파괴하고 피팅부식을 발생시켜 내구성을 약화시킬 수 있다. 이러한 부분에서 종래의 금속 분리판은 부식 발생 시 MEA의 오염으로 연료전지의 효율 및 수명저하 뿐만 아니라, 결함 발생에 의해 운전 중 정지 및 사고를 유발할 수 있으므로 이에 대한 개선이 요구된다.
또한, 연료전지 시스템에서 물 관리 능력은 셀 성능에 영향을 미치는 중요한 문제로 작용한다. 일반적으로 고분자 전해질 막 연료전지 시스템은 연료극과 공기극의 전기화학 반응의 부산물로 물을 생성하며, 연료전지 스택 내의 가습 공기 또한 추가적인 물을 발생시킬 수 있다. 이때 물의 제거가 원활하게 이루어지지 않을 경우 물 범람 현상(Water Flooding)이 일어날 수 있고, 이는 반응 가스들의 전극(Electrode), 기체 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 촉매(Catalyst) 층 등으로 원활하게 공급되는 것을 방해하여 셀 전압 손실 문제를 발현시킬 수 있다. 이때 분리판 유로는 물 배출의 통로로 이용되며, 분리판의 물 배출 능력 향상을 통한 적절한 물 관리는 연료전지 효율과 출력을 높이고 스택 수명을 유지할 수 있는 방안이다.
본 발명은 표면 거칠기 특성 및 표면 자유 에너지를 제어하여 표면 발수성 및 내식성 향상시켜 산성 환경에서의 부식 문제를 해결하고, 적절한 내구성 및 표면 특성을 갖춘 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판은 금속으로 이루어진 베이스판; 및 상기 베이스판 상에 제공되고, 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조를 갖는 표면 개질층;을 포함할 수 있다.
상기 금속은, 철을 함유한 철강, 스테인리스 강 합금, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 및 마그네슘 합금 중에서 선택되는 금속일 수 있다.
상기 표면 개질층의 평균 거칠기 계수(Ra)는 80nm 내지 100㎛일 수 있다.
상기 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조의 폭은 0.1nm 내지 100㎛일 수 있다.
상기 표면 개질층의 물 접촉각은 90o 이상일 수 있다.
상기 표면 개질층은 상기 베이스판을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법은 금속으로 이루어진 베이스판을 마련하는 과정; 및 상기 베이스판의 표면을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 표면 개질층을 형성하는 과정;을 포함할 수 있다.
표면 개질층을 형성하는 과정은, 표면 연마 공정, 산성 용액 식각 공정, 가스 식각 공정, 또는 플라즈마 식각 공정 중에서 어느 하나의 공정으로 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 의하면 표면 거칠기를 증가 또는 향상시켜 표면 자유 에너지가 제어하기 위하여 베이스판의 금속 모재의 표면을 개질함으로써, 추가적인 고가의 코팅 공정 없이 표면 특성을 향상시키고 더 나아가 내부식성을 증진시킬 수 있다.
구체적으로, 높은 표면 거칠기는 낮은 표면 자유 에너지를 도출하고, 표면의 발수성을 증가시켜 산성 전해질 환경에서의 연료전지 금속 분리판의 내구성을 증가시켜 최종적으로 연료전지 시스템의 고성능화에 도달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 단면 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 표면의 주사 전자 현미경 이미지.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 원자 현미경 (AFM) 분석 결과 이미지.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 물 접촉각 측정 결과 이미지.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 3 액적을 이용한 접촉각 측정 결과 이미지.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 동전위 분극시험 결과 그래프.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 표면의 주사 전자 현미경 이미지.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 원자 현미경 (AFM) 분석 결과 이미지.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 물 접촉각 측정 결과 이미지.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 3 액적을 이용한 접촉각 측정 결과 이미지.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 동전위 분극시험 결과 그래프.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법을 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 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 단면 모식도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 표면의 주사 전자 현미경 이미지이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 원자 현미경 (AFM) 분석 결과 이미지이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판은 금속으로 이루어진 베이스판; 및 상기 베이스판 상에 제공되고, 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조를 갖는 표면 개질층;을 포함할 수 있다. 이때, 베이스판을 이루는 상기 금속은, 철을 함유한 철강, 스테인리스 강 합금, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 및 마그네슘 합금 중에서 선택되는 금속일 수 있다.
베이스판은 연료 금속 분리판의 구조를 구성하는 기본적인 요소로서 금속으로 이루어질 수 있다.
베이스판을 이루는 금속의 한 예로서 철강 기반의 스테인리스 강 (Stainless steel) 소재로써 일반적으로 철 (Fe)에 내식성 확보를 위한 크로뮴 (Cr)을 포함하며 필요에 따라 탄소 (C), 니켈 (Ni), 규소 (Si), 망간 (Mn), 몰리브덴 (Mo) 등을 함유한다. 이하, 철강 기반의 합금 소재는 기존의 연료전지용 그라파이트 분리판에 비하여 얇은 가공이 가능하여 부피 당 출력밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 지니며, 이외에도 기체에 대한 투과도가 낮고 셀을 지지할 수 있는 우수한 기계적 강도를 가지는 등 이점을 지녀 금속 분리판의 베이스판으로 사용될 수 있다. 베이스판을 이루는 상기 금속은, 철을 함유한 철강, 스테인리스 강 합금, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 및 마그네슘 합금 중에서 선택되는 금속일 수 있으나, 이들 금속에 한정되는 것은 아니다.
표면 개질층은 상기 베이스판 상에 제공되고, 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조를 가질 수 있다. 표면 개질층에 의해서 표면 거칠기 및 표면 자유에너지를 제어함으로써 금속 분리판의 표면의 발수성 및 내식성을 향상시킬 수 있다. 이하 표면 특성은 연료전지 작동 시 요구되는 소수성 및 전기전도성을 의미한다.
특히, 베이스판으로 주로 사용되는 오스테나이트 스테인리스 강 (Stainless steels)은 크로뮴 산화막 (Cr2O3)을 통해 내부식성을 형성하는 것으로 알려져있으나, 연료전지 강산 환경에서 장시간 유지 시 산화막이 용해되어 모재에서 금속 이온의 용출이 일어나는 문제가 존재한다. 이때 표면 거칠기의 향상을 통한 표면 특성 개질은 발수성을 향상시키고, 고체-액적 간의 자유에너지를 변화시켜 내부식성 향상에 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 실시예에서 표면 개질층은 베이스판을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스판을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 베이스판의 표면 거칠기를 증가시킴으로써 표면이 개질되어 표면 개질층을 형성할 수 있다. 표면 개질층에 의해서 연료전지용 금속 분리판은 표면 소수성 및 낮은 표면 자유 에너지를 얻을 수 있다.
표면 개질층은 별도의 코팅층을 증착을하여 형성되는 것이 아니라, 베이스판을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 형성하므로, 표면 개질층은 베이스판을 이루는 재료(또는 성분)와 동일한 재료(또는 성분)로 이루어질 수 있다.
상기 표면 개질층의 평균 거칠기 계수(Ra)는 80nm 내지 100㎛일 수 있고, 표면 개질층에 형성되는 상기 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조의 폭은 0.1nm 내지 100㎛일 수 있다.
표면 개질층에는 마이크로-나노 패턴이 형성될 수 있으며 이 때 금속 분리판의 표면 거칠기 및 소수성 특성은 향상될 수 있다. 구체적으로, 표면의 모양은 마이크로 단위 또는 나노 단위로 무질서한 외형을 형성할 수 있다.
금속 분리판의 표면 개질에 의한 미세 구조의 폭은 예시로 0.1 ㎚ ~ 100 ㎛ 범위에 해당할 수 있다. 표면 개질을 통한 모재의 미세 구조는 실질적으로 측정하기에 어려움이 있으며, 에칭 공정을 통하여 생성된 표면은 마이크로 구조와 동시에 더욱 미세한 나노 단위의 결함이 존재할 수 있으며, 이를 통하여 높은 거칠기 계수를 달성할 수 있다. 금속 분리판의 전체 두께와 규격은 용도와 목적에 따라 변경 가능하며, 응용 및 적용 가능한 모든 범위를 포함한다.
본 발명의 실시예에서는 베이스판의 물리적, 화학적, 물리화학적 표면 처리 공정을 통해 베이스판의 표면에서부터 수직 방향으로 마이크로-나노 단위의 구조물을 형성시키는 것을 목적으로 한다. 궁극적으로 해당 과정은 높은 표면 거칠기 계수를 달성시킬 수 있으며, 이는 Wenzel(1936) 방정식 및 Cassie-Baxter(1994) 방정식에 의거하면 미세구조를 가지는 표면과 액체의 접촉 면적이 줄어들면 발수성이 증가하는 효과와 동시에 부식 저항성을 증대시킬 수 있다.
베이스판을 식각하는 것을 통하여 마이크로 단위 및 나노 단위의 미세한 표면 구조를 형성할 수 있다. 이를 통해 표면 거칠기 계수가 향상될 수 있고, 이는 연료전지 시스템 내부의 산성 전해질과의 접촉 면적을 줄임으로써 표면의 발수성 효과를 기대할 수 있다. 특히, 전해질 조건에서 금속 기판의 젖음성은 소재의 부식 문제와 직접적으로 연결되며, 이때 표면 자유 에너지 (Surface Free Energy)의 감소는 표면 접촉각을 증가시키고 금속 표면에서의 침투 영향을 줄임으로써 부식 방지 효과를 향상시킬 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시 예에서는 대표적인 금속 분리판인 스테인리스 강 (Stainless Steels)을 기반으로 실험을 진행하였다. 주사 전자 현미경의 이미지에서는 기판의 표면이 에칭에 의해 변화하였음을 확인하였으며, 구체적인 거칠기의 변화를 알기 위하여 원자현미경을 통해 표면 조도 이미지 및 거칠기 계수 값을 계산하였다. 평균 거칠기 계수(Roughness Center Line Average, Ra)는 여기에서, 중심선 평균 거칠기 계수 (Roughness Center Line Average, Ra)는 다음 식으로 표현된다.
l : sampling length, Z : height
도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 식각 전의 베이스판(Bare)의 표면 거칠기(Ra)는 64nm이지만, 표면 개질층의 표면 거칠기(Ra)는 147nm으로 변화한 것을 보아 식각 공정에 의해서 표면 거칠기가 증가될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 물 접촉각 측정 결과 이미지이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 3 액적을 이용한 접촉각 측정 결과 이미지이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 표면 개질층의 물 접촉각은 90o 이상일 수 있다.
물 접촉각 평가는 금속 분리판의 거칠기에 따라 친수성 혹은 소수성 특성을 검사하기 위함이며, 일반적으로 90° 이하의 각도인 경우에는 상대적으로 친수성이고, 90° 이상의 접촉각은 상대적으로 소수성으로 평가한다. 도 4를 참조하면 베이스판 또는 금속 분리판의 모재의 물 접촉각이 67.30°(좌측 이미지 참조)인 반면에 표면 개질층의 물 접촉각은 97.35°(우측 이미지 참조)로서 표면 개질층에 의해서 금속 분리판의 표면이 친수성에서 소수성으로 표면 특성이 변화하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 거칠기 계수는 고체와 액적 간의 표면 자유 에너지의 변화에 종속되며, 본 발명에서는 3액적 접촉각 시험을 통하여 구체적인 표면 자유 에너지 값을 계산하였다. 일반적으로 고체의 표면 에너지를 계산하는 것은 Young의 방정식으로 표현되나, 이는 이상적인 표면을 가정으로 하기에 실제 표면에서의 적용에는 다양한 가정이 포함된다. Van Oss [C.J. Van Oss, M.K. Chaudhury, R.J. Good, "Interfacial Lifshitz-van der Waals and polar interactions in macroscopic systems", Chemistry Reviews, 88 (1988) 927-940]는 성질이 다른 3가지 용액을 통한 접촉각 시험을 통하여 분산력(Dispersive component) 및 극성(Polar component) 성분의 산-염기 상호작용 인자(Acid-Base component)를 추가한 항을 포함하는 표면 자유 에너지 식을 도출하였고, 이는 고체의 젖음성 (Wettability)에 대한 관계 해석 이론에서 비롯되어 현재까지 널리 응용되고 있다.
본 발명에서는 거친 표면에서의 물 (Water), 디오오도메탄 (Diiodomethane), 에틸렌글라이콜 (Ethylene Glycol)의 3액적을 통하여 접촉각을 평가하였고, 이를 바탕으로 고체의 표면 자유 에너지를 계산하였다. 이에 대한 식은 다음과 같이 나타난다.
도 5는 표면 자유 에너지 계산을 위한 추가 액적에 대한 접촉각 측정 결과를 나타내는데, 본 발명에 의한 거칠기가 조절된 금속 분리판의 3액적에 대한 접촉각 평가(Contact Angle) 결과를 표 1에 나타내었다. 3액적을 통한 접촉각 평가는 고체의 표면 자유 에너지를 구체화하기 위하여 시행되며, 이는 고체의 젖음성 (Wettability)에 대한 관계 해석 이론에서 비롯되어 Van Oss 모델로 계산되었다. 결과는 3액적에 따라 표면 에너지가 모두 증가하였고, 표면 자유 에너지 값은 구체적으로 46.2mN/m에서 40.4mN/m으로 감소하였다.
본 발명에 의해서 금속 분리판의 표면 자유 에너지 값은 46.2mN/m에서 에칭 후 40.4mN/m로 변화하였다. 이러한 표면 자유 에너지의 감소는 상대적으로 안정적인 낮은 에너지의 표면을 유지함으로써 내부식성의 측면에서 향상 효과에 기여할 수 있다. 또한, 일반적으로 금속 분리판에 사용되는 스테인리스 강의 모재의 경우 어떠한 표면 처리 혹은 개질 공정이 없을 때 물과 이루는 접촉각은 약 60 ~ 70° 이하이며, 이는 친수성의 특성을 보인다. 본 실시 예에서 시행한 표면 거칠기 및 표면 자유 에너지의 제어 방법은 금속 분리판 표면의 물 접촉각의 값을 90° 이상으로 변경시킬 수 있으며, 이는 곧 발수성 및 내부식성 표면을 구현할 수 있는 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 동전위 분극시험 결과 그래프이다.
에칭 공정으로 표면 개질된 금속 분리판의 동전위 분극 곡선 시험의 결과를 나타낸 것이며, 공정 처리 시간을 조절하였을 때 고분자 전해질 막 연료전지 (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 환경을 모사한 황산 용액 내에서의 부식 거동을 관찰한 것이다. 부식 시험을 위해 3전극 시스템은 0.5M 황산 (H2SO4) 전해질 및 질소 가스 (N2) 버블링 (Bubbling) 모사 조건으로 선택되었으며, 연료전지 작동 전압 범위 내에서 선형 훑음 전압 전류법 (Linear Sweep Voltammetry, LSV)을 시행하였다. 선형 훑음 전압 전류법 이하, LSV 기법은 작동 전극과 기준 전극 사이의 전위의 전류를 측정함으로써 전기화학적 반응 구역에서의 산화 또는 환원되는 신호를 파악할 수 있으며 이는 곧 해당 영역에서의 부식 반응을 파악할 수 있다. 이때 기준 전극과 상대 전극은 각각 포화 칼로멜 전극 (Saturated Calomel Electrode, SCE) 및 백금 와이어 (Pt wire)를 선택하였으며, 작동 전극은 면적이 1cm2인 분리판 모재 금속의 표면이다.
표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 표면 개질층이 없는 비교예(Bare)에 비해서 본 발명의 실시예인 표면 개질층에 의해서 거칠기가 증가된 금속 분리판(Etched)의 경우, 더 높은 부식 전위와 낮은 부식 전류 밀도 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에서 제시하는 표면 거칠기 조절을 통한 표면 자유 에너지 제어와, 이를 통한 내부식성 향상 효과가 존재함을 알 수 있다. 특히, 공정 처리 시간에 따라 부식 전위 및 부식 전류 밀도가 변화하는 것은 표면 거칠기와 표면 자유 에너지 제어를 통하여 부식 저항성을 증가시킬 수 있음을 의미한다.
| Ecorr (V vs. SCE) |
Icorr (μA/cm2) |
|
| 실시예(Etched) | -0.25 | 5.212 |
| 비교예(Bare) | -0.38 | 13.18 |
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법를 설명함에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판과 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법은 금속으로 이루어진 베이스판을 마련하는 과정(S100); 및 상기 베이스판의 표면을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 표면 개질층을 형성하는 과정(S200);을 포함할 수 있다.
우선, 금속으로 이루어진 베이스판을 마련한다(S100). 이때, 금속은 철을 함유한 철강, 스테인리스 강 합금, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 및 마그네슘 합금 중에서 선택되는 금속일 수 있다.
다음으로, 베이스판의 표면을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 표면 개질층을 형성한다(S200). 표면 개질층에 의해서 연료전지용 금속 분리판의 표면은 마이크로 및 나노 단위의 향상된 표면 거칠기와 동시에 표면의 발수성을 갖출 수 있으며, 이는 낮은 표면 자유 에너지를 도출하여 높은 내식성을 발현시킬 수 있다.
표면 개질층을 형성하는 과정(S200)은, 표면 연마 공정, 산성 용액 식각 공정, 가스 식각 공정, 또는 플라즈마 식각 공정 중에서 어느 하나의 공정으로 수행될 수 있다.
한편, 연료전지용 금속 분리판 제조 방법에 있어서 금속 분리판의 표면을 발수성으로 변환하기 위해서 베이스판 상에 발수성층을 형성하는 추가적인 코팅 공정을 도입하여 내부식성과 소수성에 대한 표면 특성을 부여하기 위한 것이 가능하지만, 아직까지 코팅 공정비용 및 장기적인 안정성에 대한 문제점이 존재하고 있다. 특히, 가장 많이 응용되고 있는 코팅 방법인 물리적 기상 증착법 (Physical Vapor Deposition, PVD) 기법은 공정비용이 높고, 유로 홈을 가지는 분리판의 미세한 코팅의 어려움이 존재해 대량 양산에 문제가 존재하고 있다. 추가적으로, 분리판 생산에 있어 공정비용의 증가에 따른 연료전지 스택 셀의 제조비용이 증가하는 등 경제성에 대한 고려도 필요하다. 따라서 추가적인 코팅 공정 없이 표면 개질을 통한 분리판 모재 자체의 성능을 향상시키는 것은 금속 분리판의 현재 문제점을 위한 해법이 될 수 있다.
베이스판 표면의 물리적, 화학적 또는 물리화학적 에칭법으로 형성한 표면 개질층으로 인해 연료전지용 금속 분리판의 표면 거칠기의 향상은 부식 문제를 발현시키는 산성 전해질 용액과의 접촉 면적을 낮춤으로써, 금속 분리판 표면의 발수성을 증가시킬 수 있다. 또한 높은 거칠기는 표면 자유 에너지를 낮추고, 이에 따라 표면의 내부식성 효과를 증가시킬 수 있다. 구체적으로 베이스판 표면(즉, 표면 개질층)에 마이크로 혹은 나노 스케일의 구조를 형성시킴으로써 전해질과의 접촉각이 증가될 수 있으며 부식으로 인한 금속 이온의 용출을 방지하고, 연료전지 단위 셀의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 표면 거칠기 및 표면 자유에너지의 제어를 통한 금속 분리판은 물에 대한 소수성 특성을 표면에 부여함으로써 연료전지 물 관리 능력을 증가시켜, 물 범람 (Water Flooding) 문제를 해결할 수 있다. 본 발명에서는 부가적인 코팅 공정 없이 모재 자체의 표면 처리를 통하여 특성을 개질하기 때문에 성능 향상과 동시에 분리판 제조 단가를 낮출 수 있는 경제적 방안에 달성할 수 있다.
다시말해, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조 방법에 의하면 표면 거칠기를 증가 또는 향상시켜 표면 자유 에너지가 제어하기 위하여 베이스판의 금속 모재의 표면을 개질함으로써, 추가적인 고가의 코팅 공정 없이 표면 특성을 향상시키고 더 나아가 내부식성을 증진시킬 수 있다.
또한, 높은 표면 거칠기는 낮은 표면 자유 에너지를 도출하고, 표면의 발수성을 증가시켜 산성 전해질 환경에서의 연료전지 금속 분리판의 내구성을 증가시켜 최종적으로 연료전지 시스템의 고성능화에 도달할 수 있다.
상기 설명에서 사용한 ‘~ 상에’라는 의미는 직접 접촉하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 상부 또는 하부에 대향하여 위치하는 경우를 포함하고, 상부면 또는 하부면 전체에 대향하여 위치하는 것뿐만 아니라 부분적으로 대향하여 위치하는 것도 가능하며, 위치상 떨어져 대향하거나 상부면 또는 하부면에 직접 접촉한다는 의미로 사용하였다. 또한, 상기 살명에서 사용한 본 개시에서 사용한 ‘위’, ‘아래’, '선단', '후단', '상부', '하부', '상단', '하단' 등의 용어는 편의를 위하여 도면을 기준으로 정의한 것이며, 이 용어에 의해 각 구성요소의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.
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.
Claims (8)
- 금속으로 이루어진 베이스판; 및
상기 베이스판 상에 제공되고, 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조를 갖는 표면 개질층;을 포함하는 연료전지용 금속 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속은, 철을 함유한 철강, 스테인리스 강 합금, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 및 마그네슘 합금 중에서 선택되는 금속인 연료전지용 금속 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 표면 개질층의 평균 거칠기 계수(Ra)는 80nm 내지 100㎛인 연료전지용 금속 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 마이크로 및 나노 단위의 표면 구조의 폭은 0.1nm 내지 100㎛인 연료전지용 금속 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 표면 개질층의 물 접촉각은 90o 이상인 연료전지용 금속 분리판. - 청구항 1에 있어서,
상기 표면 개질층은 상기 베이스판을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 형성되는 연료전지용 금속 분리판. - 금속으로 이루어진 베이스판을 마련하는 과정; 및
상기 베이스판의 표면을 물리적, 화학적, 또는 물리화학적으로 식각하여 표면 개질층을 형성하는 과정;을 포함하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법. - 청구항 7에 있어서,
표면 개질층을 형성하는 과정은,
표면 연마 공정, 산성 용액 식각 공정, 가스 식각 공정, 또는 플라즈마 식각 공정 중에서 어느 하나의 공정으로 수행되는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20220729 |
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| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20221014 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20220729 Comment text: Patent Application |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20250108 Patent event code: PE09021S01D |