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KR101165542B1 - 표면에 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법 - Google Patents

표면에 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101165542B1
KR101165542B1 KR20090077832A KR20090077832A KR101165542B1 KR 101165542 B1 KR101165542 B1 KR 101165542B1 KR 20090077832 A KR20090077832 A KR 20090077832A KR 20090077832 A KR20090077832 A KR 20090077832A KR 101165542 B1 KR101165542 B1 KR 101165542B1
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stainless steel
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전유택
김기정
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현대하이스코 주식회사
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Abstract

본 발명에서는 초기뿐만 아니라 연료전지 작동환경에서 장시간 사용하더라도 내식성 및 전기전도성이 우수한 연료전지용 금속 분리판의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제조방법은 스테인리스 강판 모재를 마련하는 단계와, 상기 스테인리스 강판 모재의 표면에 금(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 중 하나 이상으로 이루어진 불연속적인 코팅막을 형성하는 단계 및 상기 불연속적인 코팅막이 형성된 스테인리스 강판을 열처리하여, 상기 코팅막이 형성되지 않은 부분에 산화막을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법에 의해 제조되는 표면에 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 분리판도 제공된다.
연료전지, 분리판, 금속 도금층, 스테인리스

Description

표면에 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법{METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL HAVING COATING FILM AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 분리판에 사용되며 내식성과 전도성 및 이들에 대한 내구성(durability)이 우수한 표면에 코팅막이 형성된 고분자 전해질 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지의 단위셀은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개에서 수백개의 단위셀을 적층하여 사용한다. 단위셀의 적층 시 단위셀 간 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판이다.
분리판(bipolar plate)은 막전극 집합체(MEA)와 더불어 연료전지의 핵심부품으로 막전극 집합체와 기체확산층(GDL)의 구조적 지지, 발생된 전류의 수집 및 전달, 반응가스의 수송 및 제거, 반응열제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당한다.
이에 따라, 분리판이 가져야 할 소재 특성으로는 우수한 전기전도성, 열전도성, 가스밀폐성, 및 화학적 안정성 등이 있다.
이와 같은 분리판의 소재로서 흑연계 소재 및 수지와 흑연을 혼합한 복합 흑연재료를 이용해서 제조되어 왔다.
그러나, 흑연계 분리판은 강도 및 밀폐성이 금속계 소재와 대비하여 낮은 특성을 나타내며 특히 이를 이용한 분리판 제조시 높은 공정비용 및 낮은 양산성으로 인하여 최근에는 금속계 분리판에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
분리판의 소재로서 금속계를 적용할 경우 분리판 두께 감소를 통한 연료전지 스택의 부피감소 및 경량화가 가능하고 스탬핑 등을 이용한 제조가 가능하여 대량생산성을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 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.
연료전지 분리판용 금속 소재로서 스테인리스강, 티타늄 합금, 알루미늄 합금 및 니켈 합금 등이 후보재료로 검토되고 있다. 이중 스테인리스강은 비교적 저렴한 소재 원가 및 우수한 내식성 등으로 인하여 분리판 소재로 많은 주목을 받고 있으나, 여전히 내식성 및 전기 전도성 측면에서 만족할 만한 수준을 보이지 못하고 있다.
본원발명이 해결하고자 하는 과제는 초기뿐만 아니라 고온-다습한 연료전지의 작동환경에 장시간 노출되더라도 내식성 및 접촉저항이 DOE(미국에너지성) 기준에 만족시킬 수 있는 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 연료전지용 금속 분리판의 제조방법은 스테인리스 강판 모재를 마련하는 단계와, 상기 스테인리스 강판 모재의 표면에 금(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 중 하나 이상으로 이루어진 불연속적인 코팅막을 형성하는 단계 및 상기 불연속적인 코팅막이 형성된 스테인리스 강판을 열처리하여, 상기 코팅막이 형성되지 않은 부분에 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 불연속적인 코팅막은 5 ~ 500㎍/㎠의 코팅밀도를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 열처리는 80 ~ 300℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하고, 상기 불연속적인 코팅막은 나노파티클(nanoparticle)로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 상기 스테인리스 강판 모재는 탄소(C) 0.08 wt%이하, 크롬(Cr) 16~28 wt%, 니켈(Ni) 0.1~20 wt%, 몰리브덴(Mo) 0.1~6 wt%, 텅스텐(W) 0.1~5 wt%, 주석(Sn) 0.1~2 wt%, 구리(Cu) 0.1 ~ 2wt% 및 기타 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 열처리는 10분 내지 3시간의 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하고, 상기 열처리는 진공상태, 대기중 및 산소분위기 중 어느 하나의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판은 스테인리스 강판 모재와 상기 스테인리스 강판 모재의 표면에 금(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 중 하나 이상으로 이루어지는 불연속적인 코팅막 및 상기 코팅막이 형성되지 않는 부분에 형성되는 산화막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 연료전지용 금속 분리판의 부식전류는 1㎂/㎠ 이하, 접촉저항은 단면기준 10mΩ?㎠이하의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 제조되는 연료전지용 금속 분리판에 의하면 초기뿐만 아니라 연료전지 작동환경에서 장시간 사용하더라도 내식성 및 전기전도성이 매우 우수하 다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제조방법은 가격이 저렴한 통상의 스테인리스 강판 모재를 사용하더라도 우수한 내구성을 얻을 수 있는 표면 처리가 가능해져 금속 분리판의 제조단가를 낮출 수 있게 된다.
본 발명에 의해 제조되는 연료전지용 금속 분리판은 1㎂/㎠ 이하의 부식전류, 단면기준 10mΩ?㎠ 이하의 접촉저항 값을 가질 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
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 것이며, 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 층과 막 또는 영역들의 크기 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 막 또는 층이 다른 막 또는 층의 "상에" 형성된다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막 또는 층이 상기 다른 막 또는 층의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막 또는 층이 개재될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 1을 참조하면, 스테인리스 강판으로 이루어진 모재를 마련하는 단계(S110)와, 스테인리스 강판 모재의 표면에 불연속적인 코팅막을 형성하는 단계(S120)를 수행한다. 이때, 불연속적인 코팅막은 나노파티클로 이루어지며 금속 분리판의 전도성 및 내식성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나, 불연속적인 형태로 인하여 스테인리스 강판이 직접 노출되는 부분이 형성될 수 있으며, 이러한 부분에서는 내식성이 떨어질 수 있으므로, 스테인리스 강판을 열처리하는 단계(S130)를 수행하여 불연속적인 코팅막이 형성되지 않는 영역, 즉 불연속적인 코팅막 사이의 영역에 산화막이 더 형성되도록 한다.
여기서, 상기 나노파티클은 10nm ~ 1㎛의 크기를 갖는 입자를 말하는 것으로, 전도성 향상을 위한 경제적인 측면을 고려하여 5 ~ 500㎍/㎠의 밀도를 가지도록 코팅되다 보니 불가피하게 불연속적인 형태를 가지게 되는 것이다. 즉, 스테인리스 강판 모재의 표면에 밀도가 높은 코팅막을 더 형성하려면 그 비용이 증가하게 되는데, 이러한 비용을 최소화 시키는 것을 목적으로 하다 보니, 불연속적인 코팅막 형태가 되는 것이고, 이로 인하여 스테인리스 강판 모재의 표면이 직접적으로 노출되는 부분이 발생하게 되는 것이다.
아울러, 스테인리스 강판 모재의 표면이 직접적으로 노출되는 부분에 형성되 는 산화막은, 스테인리스 강판 내에 포함되는 금속 성분들 중 선택된 하나 이상의 성분들에 대한 산화막 형태가 된다.
다음으로, 상기와 같은 공정 흐름에 따른 구체적 실시예를 설명하는 것으로 한다.
먼저, 도 2 내지 도 4는 상기 도 1의 각 공정단계에 있어서의 공정 사시도이다. 아울러, 도 5는 상기 도 3의 단면을 도시한 단면도이고, 도 6은 상기 도 4의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판을 제조하기 위한 첫 번째 단계로, 스테인리스 강판 모재(200)를 마련한다.
본 공정단계에서 사용되는 스테인리스 강판 모재(200)로는 16 ~ 28wt%의 크롬성분을 포함하는 스테인리스 강판을 사용하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 18wt% 내외의 크롬성분을 포함하는 스테인리스 강판을 사용하는 것이 좋다.
스테인리스 강판 모재(200)를 구성하는 구체적 성분으로는 0.08 wt%이하의 탄소(C), 16~28 wt%의 크롬(Cr), 0.1~20 wt%의 니켈(Ni), 0.1~6 wt%의 몰리브덴(Mo), 0.1~5 wt%의 텅스텐(W), 0.1~2 wt%의 주석(Sn), 0.1 ~ 2wt%의 구리 및 기타 잔량으로 포함되는 철(Fe)을 들을 수 있다. 그리고, 보다 구체적인 실시예로서 오스테나이트(Austenite)계 스테인리스인 SUS 316L, 0.2t를 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로 도 3은 스테인리스 강판 모재(200)의 표면에 불연속적인 코팅막(220)을 형성하는 단계를 수행한 것을 도시한 것이다. 여기서, 불연속적인 코팅막(220)을 형성하는 이유는 다음과 같다.
스테인리스 강판 모재(200)의 표면이 고온-다습한 연료전지의 작동환경에서 장시간 노출될 경우 스테인리스 강판 모재(200)의 표면에 금속산화물(metal oxide) 성분이 형성되는데, 금속산화물은 내식성을 유지시킬 수 있으나, 전도성에는 점점 악영향을 미치게 된다. 따라서, 본 발명에서는 내식성 및 전도도가 동시에 우수한 물질을 이용하여 불연속적인 코팅막(220)을 형성하는 것이다. 그 결과, 초기뿐만 아니라 장기간 사용 시에도 우수한 내식성과 전도성을 가지는 연료전지 분리판을 제조할 수 있게 되었다.
본 발명에 적용된 내식성 및 전도도가 우수한 물질은 금(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 불연속적인 코팅막(220)의 제조 방법에 대한 실시예로서 전해도금, 무전해도금 및 PVD 공정 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다. 이때, 불연속적인 코팅막(220)의 코팅밀도는 5 ~ 500㎍/㎠가 되도록 하는 것이 바람직하다.
코팅밀도가 5㎍/㎠미만일 경우 목표로하는 전도성을 확보하지 못할 수 있고, 500㎍/㎠를 초과하는 경우 코팅량 증가분에 비례하는 만큼의 전도성 향상 효과가 나타나지 않아 실효성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 코 팅밀도를 결정하는 공정이 중요한 부분을 차지하고 있으며, 그 측정 방법은 아래 와 같이 수행하였다.
본 발명에 따른 금(Au) 코팅밀도는 금 나노파티클 코팅 강판모재(금속분리판)를 왕수 3리터에 용해시킨 후 AAS(Atomic Absorption Spectroscopy) 장비를 이용하여 금 이온 농도를 측정한 후 이를 아래와 같은 수학식1을 이용하여 계산하였다.
[수학식 1]
금(Au) 코팅 밀도 (ug/cm2)
= {3*금(Au) 이온 농도(ppM)}/금속분리판 총면적(cm2)
이때, 코팅막(220)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 불연속적인 형태로 형성된다. 일반적인의 경우 도시된 형태만으로도 분리판이 요구하는 목표 특성을 확보가 가능하다. 그러나 본 발명에서 요구하는 1㎂/㎠ 이하의 부식전류, 단면기준 10mΩ?㎠ 이하의 접촉저항 값을 안정적으로 확보하기 위해서는, 열처리 공정에 의한 산화막 형성 공정이 수행되어야 한다.
하기 도 4는 산화막 형성을 위해 열처리하는 공정을 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 4의 단면도이다. 도 4 및 도 6을 참조하면, 불연속적인 코팅막(220)이 형성되지 않은 부분의 스테인리스 강판 모재(200) 표면에 열처리 공정에 의한 산화 막(230)이 더 형성된 것을 볼 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판은 불연속적인 코팅막(220) 및 산화막(230)에 의해 완벽하게 차단된 형태를 가지게 되므로, 우수한 내식성을 확보할 수 있게 된다.
여기서, 열처리 공정은 80 ~ 300℃의 온도 범위에서, 10분 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 분위기가스는 진공상태, 대기상태 및 산소가스 분위기 중에서 적어도 하나의 조건 범위 이내에서 수행되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판 제조 방법은 이상과 같으며, 상술한 연료전지용 금속 분리판 제조 방법에 의하면 초기뿐만 아니라 연료전지 작동환경에서 장시간 사용하더라도 내식성 및 전기전도성이 매우 우수한 분리판을 제조할 수 있다.
그에 대한 결과로서, 스테인리스 강판 모재(200)와, 스테인리스 강판 모재(200)의 표면에 금(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 중 하나 이상으로 이루어지는 불연속적인 코팅막(220)과, 불연속적인 코팅막(220)이 형성되지 않는 부분에 형성되는 산화막(230)을 포함하는 연료전지용 금속 분리판 구조가 완성된다.
이하에서는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 연료전지용 금속 분리판 및 그의 제조 방법에 관하여 설명하고, 내식성 측정을 위해 부식전류를 측정하는 방법 및 전도성 측정을 위해 접촉저항을 측정하여 방법에 대해 설명하는 것으로 한다.
본 발명에 따른 스테인리스 강판 모재로서 316L을 사용하며, 스테인리스 강판 모재의 표면에 불연속적인 코팅막을 형성하여 전도성을 확보하고, 열처리 공정에 의한 산화막을 형성하여 내식성을 확보할 수 있도록 한다. 이때, 경제적이면서도 최적의 효율을 얻을 수 있는 코팅막 형성 및 산화막 형성 조건을 얻기 위하여 다음과 같은 실험을 하였다.
1. 접촉저항의 측정
먼저, 전도성 측정을 위해 접촉저항을 측정하였으며, 다음과 같은 접촉저항측정장치를 이용하였다.
도 7은 본 발명에 따른 스테인리스 강판의 접촉저항을 측정하는 접촉저항측정장치를 도시한 개략도이다.
도 7을 참조하면, 스테인리스 강판(500)의 접촉저항 측정을 위해 셀 체결을 위한 최적화된 상수를 얻기 위해 수정된 데이비드 방법(Davies method)을 스테인리스 스틸(Stainless Steel: SS)과 카본 페이퍼 사이의 접촉저항을 측정하기 위해 사용하였다.
접촉저항은 4점법(four-wire current-voltage) 측정 원리를 이용하여 Zahner사의 IM6장비로 측정하였다.
측정방법은 정전류 모드에서 측정 영역 0.5A의 진폭 및 25㎠의 전극면적을 가지는 DC 전류를 5A로 하여 10kHz로 부터 10mHz까지의 범위에서 접촉저항을 측정하였다.
카본페이퍼는 SGL사의 10BB를 사용하였다.
상기 접촉저항측정장치(50)는 카본 페이퍼(520), 금이 도금된 구리플레이트(510)가 시편(500)을 사이에 두고 각각 상하로 마련되고, 상기 구리플레이트(510)는 전류공급장치(530)와 전압측정장치(540)에 연결되어 있다.
상기 시편(500)에 전류를 공급할 수 있는 전류공급장치(530, Zahner사의 IM6)로 0.5A의 진폭 및 25㎠의 전극면적을 가지는 DC 전류를 5A의 전류를 인가하여 전압을 측정하였다.
그리고, 상기 접촉저항측정장치(50)의 구리플레이트(510) 상하에서 상기 시편(500)과 카본페이퍼(520), 구리 플레이트(510)가 적층구조를 갖도록 압력을 제공할 수 있는 압력기(Instron사 모델 5566, 압축유지시험)를 마련한다. 상기 압력기는 상기 접촉저항 측정 장치(50)에 50 ~ 150N/cm2의 압력을 제공한다.
이와 같이 마련된 접촉저항측정장치(50)로 측정한 결과는 하기 도 8에 나타내었다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대한 접촉저항 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
도 8에서는 본 발명에 따른 코팅막에 의한 순수한 전도 특성을 조사하기 위 하여 열처리 공정은 수행하지 않았다. 금속의 종류는 금(Au)을 사용하였으며, 코팅밀도(Mass of Au deposit(㎍/㎠))는 3 ~ 1000㎍/㎠의 범위에서 수행하였고, 접촉저항(IRC)의 목표 값은 100N/cm2의 압력에서 단면을 기준으로 10mΩ?㎠를 기준으로 하였다.
도 8을 참조하면, 금(Au) 코팅밀도가 5 ~ 500㎍/㎠ 사이의 범위에서 목표값 범위 내의 접촉저항 특성을 보이고 있으며, 500㎍/㎠와 1000㎍/㎠을 비교할 때, 저항 감소치는 극히 미미하므로 500㎍/㎠를 초과하는 경우 코팅량 증가를 위한 비용대비 그 효율이 떨어짐을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 불연속적인 코팅막은 5 ~ 500㎍/㎠ 의 코팅밀도를 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판에 열처리 공정이 미치는 영향을 측정하기 위하여 다음과 같은 부식전류 밀도를 측정하였다.
2. 부식전류 밀도의 측정
본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 부식전류 밀도(이하 '부식전류')를 측정하기 측정장비로는 EG&G 273A을 사용하였다. 부식 내구성 실험은 PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 모사 환경 하에서 이루어 졌다.
본 발명에 따른 스테인리스 강판의 부식시키는 실험용액으로는 80℃의 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 용액을 사용하고, 1시간 동안 O2 버블링(bubbling) 후 OCP(Open Circuit Potential) - 0.25V ~ 1V vs SCE 범위에서 측정하였다.
그리고, PEFC 애노드(anode) 환경에 대해 -0.24V vs SCE, 캐소드(cathode) 환경(SCE: Saturated Calomel Electrode)에 대해 0.6V vs SCE에서 물성측정을 하였다.
여기서 상기 물성측정 비교는 연료전지 환경과 유사한 캐소드(cathode) 환경의 0.6V vs SCE의 부식전류 데이터를 통해 비교 평가하였다.
상기 애노드(anode) 환경은 수소가 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)에서 수소이온과 전자로 분리되는 반응이 일어나는 환경이며, 상기 캐소드(cathode) 환경은 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 물을 생성하는 반응이 일어나는 환경이다.
여기서 상기의 조건과 같이 캐소드(cathode)환경의 전위가 높으며, 더욱 가혹한 부식 조건이기 때문에 캐소드(cathode) 환경을 기준으로 내식성을 시험하는 것이 바람직하다.
그리고, 고분자 전해질 연료전지 적용을 위해서는 스테인리스 강판의 부식전류밀도가 1㎂/cm2 이하의 값으로 나오는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대한 부식전류 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
도 9에서는 순수한 내식성 특성을 측정하기 위하여 불연속적인 코팅막은 형성하지 않고, 50℃ 내지 400℃의 범위 내에서 30분간 열처리 공정을 수행하였다. 이때, 부식전류밀도의 목표값은 1㎂/cm2 이하의 값으로 설정하여 측정한 결과, 50℃ 일 때 기준 값을 초과하게 되고, 80℃ 이상의 온도에서 목표한 내식성을 얻을 수 있었다.
아울러, 300℃와 400℃의 온도를 비교하여 보았을 때 부식전류밀도 감소치가 매우 미미하였다. 열처리 공정에서 온도가 증가하면 할 수록 가열을 위한 에너지 소비가 증가하게 되는데, 300℃를 초과하는 열처리 공정의 경우 부식전류밀도 감소치 변화가 거의 없으므로 그 실효성이 떨어지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 열처리 온도 범위는 80 ~ 300℃로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기와 같은 실험을 수행하여, 본 발명 실시를 위한 최적의 조건을 확정하였으며, 이하에서는 상기 조건을 적용한 구체적인 실시예 및 비교예를 들어 그 적절성을 평가하는 것으로 한다.
<실시예 및 비교예>
실시예1
스테인리스 소재(316L)의 금속 분리판에 불연속적인 형태의 금(Au) 코팅막 코팅밀도를 5㎍/㎠가 되도록 하였다. 그리고, 열처리 온도는 80℃, 150℃, 200℃, 300℃, 400℃로 각각 수행하되, 코팅밀도를 주요특성으로 하는 의미에서 이들을 하나의 실시예로 묶어서 표시하였다. 마지막으로 열처리 분위기 및 시간은 산소분위기에서 30분간 수행하였다.
실시예2
금(Au) 코팅막의 코팅밀도를 50㎍/㎠으로 하였고, 나머지 조건은 모두 상기 실시예1과 동일하게 수행하였다.
실시예3
금(Au) 코팅막의 코팅밀도를 100㎍/㎠으로 하였고, 나머지 조건은 모두 상기 실시예1과 동일하게 수행하였다.
실시예4 ~ 6
백금(Pt)(실시예4), 이리듐(Ir)(실시예5) 및 루테늄(Ru)(실시예6) 코팅막의 코팅밀도를 50㎍/㎠으로 하였고, 각각 진공분위기의 80℃에서 10분간 수행하였다.
실시예7 및 8
산화이리듐(Ir)(실시예7) 및 산화루테늄(Ru)(실시예8) 코팅막의 코팅밀도를 50㎍/㎠으로 하였고, 각각 산소분위기에서 100℃에서 3시간 수행하였다.
비교예1
금(Au) 코팅막의 코팅밀도를 1000㎍/㎠으로 하였고, 나머지 조건은 모두 상기 실시예1과 동일하게 수행하였다.
비교예2
금(Au) 코팅막의 코팅밀도를 3㎍/㎠으로 하였고, 나머지 조건은 모두 상기 실시예1과 동일하게 수행하였다.
비교예3
불연속적인 형태의 금(Au) 코팅막 코팅밀도를 50㎍/㎠가 되도록 하고, 열처리 대기분위기에서 온도는 50℃에서 30분간 수행하였다.
A. 연료전지 모사환경 부식 전류 밀도 및 접촉저항 평가
(A-1) 모사환경 부식전류 밀도 평가
상술한 실시예1, 실시예2, 실시예3, 비교예1 및 비교예2에 따른 연료전지 금속 분리판의 부식전류 밀도 평가를 위한 환경 모사는 EG&G 273A을 사용하였다. 상기 도 9에서 설명한 바와 같이, 열처리 온도는 80 ~ 400℃에서 수행하였으며, 80℃ 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 용액에 시편을 장입하고, 1시간 동안 O2 버블링(bubbling) 후 시편에 0.6V vs SCE의 정전압을 인가하였다. 일정 시간 동안 정전압 인가 후 시편의 부식전류 밀도를 측정하였다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대한 연료전지 모사환경 부식전 류 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
도 10에서 모든 실시예 및 비교예들을 비교하여 보면 금 코팅막을 형성한 후 열처리 공정을 수행할 경우, 연료전지용 금속 분리판 특성이 비교적 안정적으로 나타나고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예3의 경우 도시되지는 않았으나 부식전류밀도가 1.7uA/cm2의 값을 나타내는데 이는 실시예들의 경우보다 현저하게 높은 부식전류밀도를 가지는 것이다. 따라서, 내식성이 현저하게 떨어짐을 알 수 있는데, 그 주요 원인은 실시예들에 비해서 낮은 온도인 50℃에서 열처리하였기 때문이다.
그리고, 금 코팅을 두껍게 수행한 비교예1의 경우 실시예3과 거의 동일한 수치 범위를 나타내고 있으므로, 비용 증가분 대비 그 효율이 미미하여 실효성이 떨어짐을 알 수 있다.
(A-2) 모사환경 접촉저항 평가
상술한 실시예1, 실시예2, 실시예3, 비교예1 및 비교예2에 따른 연료전지 금속 분리판의 접촉저항 평가를 위한 환경 모사는 상기 도 8의 경우와 동일하게 수행하였고, 그 결과를 하기 도 11에 도시하였다.
도 11은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대한 연료전지 모사환경 접촉저항 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 불연속적인 코팅막 형성시, 코팅밀도 기 준치를 충족하지 못한 비교예2의 경우 접촉저항이 매우 높게 나타나는 것으로 보아 전도성이 매우 떨어짐을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 코팅밀도 기준치를 초과한 비교예1의 경우 실시예3의 경우와 거의 동일한 접촉저항을 나타내고 있으므로 비용 증가분 대비 그 효율이 미미하여 실효성이 떨어지는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상술한 평가 결과들을 조합하여, 연료전지용 금속 분리판 제조에 최적인 조건을 찾았으며, 최종적으로 그 결과들을 적용하여 제조한 연료전지용 금속 분리판의 장기 내구성을 평가하였다.
B. 연료전지용 금속 분리판의 장기 내구성 평가
(B-1) 장기 내구성 평가 방법
반응 가스의 공급을 위해 서펜타인 유로를 가지는 분리판을 사용하였으며 분리판 사이에 막-전극 접합체(Gore사의 모델명 5710)와 가스확산층(SGL사의 모델 10BA)을 둔 후 일정압력으로 체결하여 연료전지 셀을 제작하였다.
연료전지 성능평가는 단위셀을 이용해 평가하였는데, 연료전지 운전 장치는 NSE Test Station 700W class를 사용하였고 연료전지 성능평가를 위한 전자 부하장치로 KIKUSUI E-Load를 사용하여, 1A/cm2로 전류 15초 사이클을 2000시간 까지 지속적으로 인가하였다.
반응가스로는 수소와 공기를 사용하였고, 유량은 전류에 따라 수소 1.5, 공 기 2.0의 화학양론비를 일정하게 유지하며 상대습도 100% 가습 후 공급하였다. 가습기와 셀의 온도는 65℃로 일정하게 유지시켜주며 대기압 조건하에서 성능을 평가하였다. 이때, 작동면적(active area)은 25㎠, 작동압력은 1atm 이었다.
(B-2) 장기 내구성 평가 결과
도 12는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예들에 대한 연료전지 모사환경 장기 내구성 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
여기서, 실시예2(코팅밀도를 50㎍/㎠) 중에서 150℃의 산소분위기에서 30분간 열처리한 분리판을 사용하였으며, 비교예2(코팅밀도를 3㎍/㎠) 중에서 150℃의 산소분위기에서 30분간 열처리한 분리판을 사용하였다. 그리고, 비교예3에 대한 연료전지 모사환경 장기 내구성 평가를 수행하여 그 결과를 비교하여 하기 도 12에 나타내었다.
아울러, 상기 실시예4 내지 실시예8에 대한 장기 내구성 평가를 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
구 분 연료전지 성능 (V@1A/ cm2)
0시간 2,000시간
실시예 4 0.68 0.67
실시예 5 0.68 0.67
실시예 6 0.69 0.68
실시예 7 0.68 0.67
실시예 8 0.69 0.67
먼저 도 12를 참조하면, 비교예2의 경우 전류밀도 1A/cm2 인가 시 발생전압 이 0.59V 정도로 실시예2의 0.69V에 비해 매우 낮으며, 2,000시간이 경과 후에도 비슷한 발생전압차이를 나타낸다. 이는 비교예2의 전도성이 실시예2의 전도성 보다 낮기 때문에 나타나는 결과이다. 즉, 비교예2의 경우 접촉저항이 현저히 높으므로 초기 성능부터 현저히 낮은 연료전지 성능을 보이고 있다.
그리고, 비교예3의 경우에는 초기에는 실시예2에 준하는 발생전압을 나타내나, 시간의 흐름에 따라 발생전압의 저하가 상당하게 일어난다. 이와 같은 결과는 전도성은 비슷한 반면 내식성이 낮기 때문에 나타나는 결과이다.
다음으로, 상기 표 1에 나타난 결과에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 모든 실시예들은 비슷한 내구성을 가지고 있다. 이는 상기 도 12에서도 동일하게 나타나고 있으며, 비교예들과 대비시켜 볼 때, 현저하게 우수한 연료전지 성능을 나타냄을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제조방법은 가격이 저렴한 통상의 스테인리스 강판 모재를 사용하더라도 우수한 내구성을 얻을 수 있는 표면 처리가 가능해져, 금속 분리판의 제조단가를 낮추면서도 고효율의 연료전지를 제조할 수 있도록 한다.
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 있다 는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도.
도 2 내지 도 4는 상기 도 1의 각 공정단계에 있어서의 공정사시도.
도 5는 상기 도 3의 단면을 도시한 단면도.
도 6은 상기 도 4의 단면을 도시한 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 스테인리스 강판의 접촉저항을 측정하는 접촉저항측정장치를 도시한 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대한 접촉저항 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대한 부식전류 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대한 연료전지 모사환경 부식전류 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대한 연료전지 모사환경 접촉저항 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 실시예1과 비교예2에 대한 연료전지 모사환경 장기 내구성 평가를 수행하여 나타난 결과를 나타내고 있는 그래프.

Claims (11)

  1. 스테인리스 강판 모재를 마련하는 단계;
    상기 스테인리스 강판 모재의 표면에 금(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 중 하나 이상의 나노파티클(nanoparticle)로 이루어지며, 5 ~ 500㎍/㎠의 코팅밀도를 갖는 불연속적인 코팅막을 형성하는 단계; 및
    상기 불연속적인 코팅막이 형성된 스테인리스 강판을 열처리하여, 상기 코팅막이 형성되지 않은 부분에 열처리 산화막을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 열처리는 80 ~ 300℃의 온도 범위에서 10분 내지 3시간동안 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테인리스 강판 모재는 탄소(C) 0.08 wt%이하, 크롬(Cr) 16~28 wt%, 니켈(Ni) 0.1~20 wt%, 몰리브덴(Mo) 0.1~6 wt%, 텅스텐(W) 0.1~5 wt%, 주석(Sn) 0.1~2 wt%, 구리(Cu) 0.1 ~ 2wt% 및 기타 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 진공상태, 대기중 및 산소분위기 중 어느 하나의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판의 제조 방법.
  8. 스테인리스 강판 모재;
    상기 스테인리스 강판 모재의 표면에 금(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 중 하나 이상의 나노파티클로 이루어지며, 5 ~ 500㎍/㎠의 코팅밀도를 갖는 불연속적인 코팅막; 및
    80 ~ 300℃의 온도 범위에서 10분 내지 3시간동안의 열처리를 통하여 상기 코팅막이 형성되지 않는 부분에 형성되는 열처리 산화막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 스테인리스 강판 모재는 탄소(C) 0.08 wt%이하, 크롬(Cr) 16~28 wt%, 니켈(Ni) 0.1~20 wt%, 몰리브덴(Mo) 0.1~6 wt%, 텅스텐(W) 0.1~5 wt%, 주석(Sn) 0.1~2 wt%, 구리(Cu) 0.1 ~ 2wt% 및 기타 잔량으로 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
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