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KR102783564B1 - Metal separator for fuel cell - Google Patents

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KR102783564B1
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(주)에스제이지 이브이
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Abstract

본 발명은 연료전지용 금속 분리판에 관한 것으로써, 구체적으로는 금속 모재, 금속 모재의 위에 형성된 금속층 및 금속층의 위에 형성된 카본층을 포함하며, 카본층이 비정질 카본의 매트릭스 내부에 결정성을 갖는 흑연이 도핑 된다. 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 내부식성 및 전기전도성이 좋고, 장기 사용에도 우수한 연료전지 성능을 유지한다.The present invention relates to a metal separator for a fuel cell, and more specifically, to a metal substrate, a metal layer formed on the metal substrate, and a carbon layer formed on the metal layer, wherein the carbon layer is doped with graphite having crystallinity within a matrix of amorphous carbon. The fuel cell separator according to the present invention has excellent corrosion resistance and electrical conductivity, and maintains excellent fuel cell performance even after long-term use.

Description

연료전지용 금속 분리판{METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL}METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL

본 발명은 연료전지용 금속 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본계 물질을 활용한 내식성 및 전도성이 우수한 연료전지용 금속 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a metal separator for a fuel cell, and more specifically, to a metal separator for a fuel cell with excellent corrosion resistance and conductivity utilizing a carbon-based material.

연료전지는 연료 즉 수소와 산소의 산화/환원 반응으로 인해 생기는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전지로서, 일반적으로 전해질을 사이에 두고 양극, 음극이 배치되며, 이들 양극 및 음극에 각각 가스확산층(GDL), 분리판이 순차적으로 적층되어 단위 셀을 구성한다. 음극에서 수소가 이온화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소이온은 전해질을 통해 양극으로 이동한다. 전자는 회로를 통해 양극으로 이동하고 양극에서 수소 이온 전자 및 산소가 반응하여 물을 생성하는 환원반응이 일어난다.A fuel cell is a cell that converts chemical energy generated by the oxidation/reduction reaction of fuel, i.e. hydrogen and oxygen, into electrical energy. Typically, an anode and a cathode are arranged with an electrolyte in between, and a gas diffusion layer (GDL) and a separator are sequentially laminated on each of the anode and cathode to form a unit cell. Hydrogen is ionized at the cathode and separated into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions move to the anode through the electrolyte. The electrons move to the anode through the circuit, and a reduction reaction occurs at the anode where hydrogen ions, electrons, and oxygen react to produce water.

연료전지의 단위 셀은 전압이 낮아 상용성이 떨어지기 때문에 수백개의 단위셀을 적층하여 사용하는데, 단위 셀의 적층 시 각각의 단위 셀 간에 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜 주는 역할을 하는 것이 분리판이다.Since the unit cell of a fuel cell has low voltage and thus low commerciality, hundreds of unit cells are stacked and used. When stacking unit cells, the separator serves to ensure electrical connection between each unit cell and to separate the reaction gases.

연료전지용 분리판은 재질에 따라 흑연 분리판, 금속 분리판 등으로 구분된다. 초기 흑연 분리판을 많이 사용하였으나 두께가 두껍고 무거워 경량화에 한계가 있어 금속 분리판의 사용이 증가되고 있다.Fuel cell separators are classified into graphite separators and metal separators depending on the material. Initially, graphite separators were widely used, but because they are thick and heavy, weight reduction is limited, so the use of metal separators is increasing.

다만, 금속 분리판은 스테인레스강 또는 티타늄 등을 모재로 사용하는데, 연료전지 발전 환경은 고온 다습하고 금속 분리판의 표면에는 물이 흐를 수 있는 유로가 형성되므로 쉽게 부식될 수 있다. 이러한 부식은 금속 분리판의 접촉저항을 높여 연료전지의 발전 효율이 떨어지고, 표면에 산화피막이 성장하며 전기저항을 높여 주기 때문에 연료전지 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.However, the metal separator uses stainless steel or titanium as its base material, and the fuel cell power generation environment is high in temperature and humidity, and the surface of the metal separator forms a path through which water can flow, so it can easily corrode. This corrosion increases the contact resistance of the metal separator, which reduces the power generation efficiency of the fuel cell, and the problem occurs that the fuel cell efficiency decreases because an oxide film grows on the surface and increases the electrical resistance.

금속 분리판의 내식성 및 전도성을 향상시키기 위해, 대한민국 등록특허 제10-1165542호는 금속 분리판의 표면을 금으로 코팅하는 기술, 대한민국 등록특허 제10-1127197호는 금속 분리판의 표면에 카본계 물질을 코팅하는 기술, 질화물(TiN, CrN)을 코팅하는 기술 및 레진을 코팅하는 기술들이 있다.In order to improve the corrosion resistance and conductivity of a metal separator, Korean Patent No. 10-1165542 discloses a technology for coating the surface of a metal separator with gold, Korean Patent No. 10-1127197 discloses a technology for coating a carbon-based material on the surface of a metal separator, a technology for coating nitride (TiN, CrN), and a technology for coating resin.

금속 분리판에 금을 코팅하는 방법은 생산단가를 높이는 문제가 있고, 레진 코팅은 전기전도성을 떨어뜨리는 한계가 있다. 카본계 물질을 코팅하는 기술로써, 대한민국 등록특허 제10-1127197호는 도 1에 도시된 바와 같이 비정질 카본층(30) 표면에 흑연(40)이 일부 노출(돌출)된 형태의 카본층을 금속 모재(10, 20) 상에 증착한 것으로써, 비정질 카본(30)과 결정질 흑연(40)의 상호 보완적 물성을 활용하여 금속 분리판의 내부식성 및 전기 전도성을 향상시키고 있다.The method of coating a metal separator with gold has the problem of increasing the production cost, and the resin coating has the limitation of reducing the electrical conductivity. As a technology for coating a carbon-based material, Korean Patent No. 10-1127197 deposits a carbon layer in the form of graphite (40) partially exposed (protruding) on the surface of an amorphous carbon layer (30) as shown in Fig. 1, on a metal base material (10, 20), thereby improving the corrosion resistance and electrical conductivity of the metal separator by utilizing the complementary properties of amorphous carbon (30) and crystalline graphite (40).

그러나, 대한민국 등록특허 제10-1127197호는 도 1에 도시된 단위 셀 수백개가 상부에 적층됨에 따라 발생하는 하중과, 이들을 하나의 더미로 체결하기 위한 체결압이 가해지는 과정에서 금속 분리판이 서로 마주하는 면에 응력이 가해지게 된다. 이러한 응력으로 인해 노출된 흑연(40)이 비정질 카본층(30)으로부터 떨어져 나가 핀홀이 발생하거나 카본층의 표면에 크랙이 발생될 수 있다. 이러한 핀홀과 크랙은 금속 분리판의 내부성을 약화하여 연료전지의 성능과 안정성을 현저히 떨어뜨린다.However, in the Korean Patent Registration No. 10-1127197, as hundreds of unit cells as shown in Fig. 1 are stacked on top, stress is applied to the surfaces of the metal separators facing each other in the process of applying a load and a fastening pressure to fasten them into a single pile. Due to this stress, the exposed graphite (40) may fall off from the amorphous carbon layer (30), causing pinholes to occur or cracks to occur on the surface of the carbon layer. These pinholes and cracks weaken the internal properties of the metal separator, significantly reducing the performance and stability of the fuel cell.

대한민국등록특허 제10-1165542호, 표면에 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 분리판 및 그 제조방법Korean Patent No. 10-1165542, Metal separator for fuel cell with coating film formed on the surface and its manufacturing method 대한민국등록특허 제10-1127197호, 연료전지용 세퍼레이터, 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법 및 연료전지Korean Patent No. 10-1127197, Separator for fuel cell, method for manufacturing separator for fuel cell, and fuel cell

본 발명자들은 종래 흑연 분리판의 경량화의 한계를 극복하기 위해 금속 분리판을 활용하되, 금속 분리판 체결시 응력에 의해 결정질 흑연이 카본층으로부터 박리되지 않는 구조를 개발하면 금속 분리판의 내식성 및 전기전도성을 동시에 향상시킬 수 있다는 지견에서 본 발명에 이르렀다.The inventors of the present invention have developed a structure in which crystalline graphite is not peeled off from a carbon layer due to stress when the metal separator is fastened while utilizing a metal separator to overcome the limitation of reducing the weight of a conventional graphite separator, and thus the corrosion resistance and electrical conductivity of the metal separator can be improved simultaneously, leading to the present invention.

그 결과, 본 발명자들은 다년간 연구 끝에 금속 모재, 금속 모재 위에 형성된 금속층, 금속층 상에 형성된 카본층을 포함하는 연료전지용 금속 분리판이되 카본층은 비정질 카본의 매트릭스 내부에 결정성을 갖는 흑연이 도핑된 구조로 설계함에 따라 금속 분리판의 내식성 및 전기전도성을 향상시킬 수 있음을 밝혀냈다.As a result, the inventors of the present invention, after many years of research, have discovered that the corrosion resistance and electrical conductivity of a metal separator for a fuel cell including a metal base material, a metal layer formed on the metal base material, and a carbon layer formed on the metal layer can be improved by designing the carbon layer to have a structure in which graphite having crystallinity is doped inside a matrix of amorphous carbon.

따라서, 본 발명의 목적은 내식성 및 전기전도성이 향상된 연료전지용 금속 분리판을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a metal separator for a fuel cell having improved corrosion resistance and electrical conductivity.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판은 금속 모재, 금속 모재 위에 형성된 금속층, 금속층 위에 형성된 카본층을 포함하되, 상기 카본층은 비정질 카본의 매트릭스 내부에 결정성을 갖는 흑연이 도핑된다. 카본층의 표면은 흑연이 표면에 노출되지 않도록, 비정질 카본이 평활하게 코팅된다.In order to achieve the above object, a metal separator for a fuel cell according to one embodiment of the present invention comprises a metal base material, a metal layer formed on the metal base material, and a carbon layer formed on the metal layer, wherein the carbon layer is doped with graphite having crystallinity within a matrix of amorphous carbon. The surface of the carbon layer is smoothly coated with amorphous carbon so that graphite is not exposed on the surface.

상기 카본층은 증착법에 의해 형성되고, 비정질 카본의 매트릭스 내부에 도핑된 흑연과 상기 비정질 카본의 표면에 적어도 일부가 노출된 흑연을 형성하는 제1 증착 및 흑연이 노출된 표면을 비정질 카본으로 덮는 제2 증착에 의해 제조될 수 있다.The above carbon layer is formed by a deposition method, and can be manufactured by a first deposition that forms graphite doped inside a matrix of amorphous carbon and graphite at least partially exposed on the surface of the amorphous carbon, and a second deposition that covers the surface where the graphite is exposed with amorphous carbon.

증착법은 화학적 증착, 물리적 증착, 원자층 증착을 포함하고, 상기 제1 증착이 완료된 후, 상기 제2 증착이 수행되어 카본층이 형성될 수 있다.The deposition method includes chemical vapor deposition, physical vapor deposition, and atomic layer deposition, and after the first deposition is completed, the second deposition may be performed to form a carbon layer.

상기 제1 증착 및 상기 제2 증착은 물리적 증착법으로 카본층을 형성하되, 제1 증착은 아크이온플레팅으로 수행되고, 제2 증착은 스퍼터링으로 수행될 수 있다. 상기 아크이온플레팅은 타겟에 40~150A의 전류가 인가될 수 있고, 금속 분리판에는 0~200V 범위의 바이어스 전압이 인가될 수 있다. The above first deposition and the above second deposition form a carbon layer by a physical deposition method, wherein the first deposition is performed by arc ion plating, and the second deposition can be performed by sputtering. The arc ion plating can be applied with a current of 40 to 150 A to the target, and a bias voltage of 0 to 200 V can be applied to the metal separator.

카본층의 두께는 0.02~3μm이고, 제2 증착에 의해 형성된 카본층의 평균 두께(T)는 0.01~2μm일 수 있다. 금속층은 티타늄, 알루미늄, 지르코늄, 구리, 금, 은, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 바나듐, 망간, 철, 코발트, 니켈로부터 적어도 1종 이상 선택되는 금속을 금속 모재의 위에 증착하여 형성될 수 있다. 금속 모재는 자연 산화막과 불순물을 제거하기 위해 건식 식각 표면 처리될 수 있다. The thickness of the carbon layer may be 0.02 to 3 μm, and the average thickness (T) of the carbon layer formed by the second deposition may be 0.01 to 2 μm. The metal layer may be formed by depositing at least one metal selected from titanium, aluminum, zirconium, copper, gold, silver, molybdenum, tungsten, chromium, vanadium, manganese, iron, cobalt, and nickel on the metal base material. The metal base material may be subjected to dry etching surface treatment to remove a natural oxide film and impurities.

본 발명에 따른 연료전지용 금속 분리판은 80℃에서 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 수용액에서 실시한 정전위 분극 시험에서 1μA/cm2의 부식전류 값을 갖으며, 1MPa 체결압에서 15mΩ·cm2의 접촉저항을 갖는다.The metal separator for a fuel cell according to the present invention has a corrosion current value of 1 μA/cm 2 in a potentiostatic polarization test performed in a 0.1 NH 2 SO 4 + 2 ppm HF aqueous solution at 80°C, and a contact resistance of 15 mΩ·cm 2 at a clamping pressure of 1 MPa.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 내부식성 및 전기전도성이 우수하고, 장기 사용에도 우수한 연료전지 성능을 유지한다.The fuel cell separator according to the present invention has excellent corrosion resistance and electrical conductivity, and maintains excellent fuel cell performance even after long-term use.

도 1은 종래기술의 연료전지용 금속 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 연료전지용 분리판 2개를 체결 시 서로 일부 접촉하여 마주한 상태를 표현한 모식도이다.
도 4는 실시예 1을 80℃, 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 수용액에서 1시간 동안의 정전위 분극 시험한 결과이다.
도 5는 실시예 1의 체결 압력 변화에 따른 접촉저항 측정 결과이다.
도 6은 실시예 1의 카본층 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 7은 비교예 2의 카본층 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 8은 연료전지용 금속 분리판을 체결 시 적층 하중 및 체결압이 가해지는 모사 환경을 구현한 가압장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 연료전지용 금속 분리판의 접촉저항을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 실시예 2의 장기 내구성 평가 결과이다.
Figure 1 is a drawing for explaining a metal separator for a fuel cell according to the prior art.
FIG. 2 is a configuration diagram of a metal separator for a fuel cell according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing a state in which the two fuel cell separator plates illustrated in Figure 2 are partially in contact with each other and face each other when fastened.
Figure 4 shows the results of a potentiostatic polarization test performed on Example 1 in a 0.1NH2SO4 + 2ppm HF aqueous solution at 80°C for 1 hour.
Figure 5 shows the results of measuring contact resistance according to changes in the fastening pressure of Example 1.
Figure 6 is a SEM image of the carbon layer surface of Example 1.
Figure 7 is a SEM image of the carbon layer surface of Comparative Example 2.
Figure 8 is a drawing for explaining a pressurizing device that implements a simulation environment in which a stacking load and a fastening pressure are applied when fastening a metal separator for a fuel cell.
Figure 9 is a drawing for explaining a method for measuring the contact resistance of a metal separator for a fuel cell.
Figure 10 shows the results of long-term durability evaluation of Example 2.

이하에서는 도면을 통해 본 발명의 특징을 구체화하여 실시예를 들어 설명하고자 한다. 그러나 예시된 실시예, 구조 및 형상은 본 발명의 기술 사상과 그 범위를 벗어나지 않는 한 다른 실시예로도 구현될 수 있는 것이므로, 특허청구범위의 구성요소 및 그와 균등한 범위까지 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.Hereinafter, the features of the present invention will be described by way of examples through drawings. However, the illustrated examples, structures, and shapes may be implemented in other embodiments without departing from the technical spirit and scope of the present invention, and therefore should be accepted as encompassing the elements of the patent claims and their equivalents.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 모식도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 연료전지용 금속 분리판(100)은 금속 모재(110), 금속층(120) 및 카본층(130)을 포함한다.Figure 2 is a schematic diagram of a metal separator for a fuel cell according to one embodiment of the present invention. Referring to Figure 2, the metal separator (100) for a fuel cell of the present invention includes a metal base material (110), a metal layer (120), and a carbon layer (130).

금속 모재(110)는 연료전지용 분리판으로 사용되는 금속을 소재로 하여 수소, 산소 및 물이 흐를 수 있도록 복수의 유로가 성형된 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 금속 모재의 소재는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 스칸디늄(Sc), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로부터 적어도 1종 이상 선택되는 금속을 사용할 수 있고, 바람직한 예로 스테인리스강(SUS 316 등)을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.The metal substrate (110) is not particularly limited as long as it is formed with a plurality of paths so that hydrogen, oxygen, and water can flow using a metal used as a separator for a fuel cell. For example, the material of the metal substrate may be at least one metal selected from aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), titanium (Ti), scandium (Sc), vanadium (V), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and a preferred example may be stainless steel (SUS 316, etc.), but is not limited thereto.

금속 모재(110)의 표면은 자연 산화물 또는 이물질이 존재할 수 있다. 자연 산화물은 금속 모재(110)와 금속층(120)간의 전기 전도성을 저해하고, 이물질은 금속 모재와 금속층의 밀착력을 낮추므로 제거하는 것이 바람직하다.The surface of the metal base material (110) may have natural oxides or foreign substances. Natural oxides inhibit electrical conductivity between the metal base material (110) and the metal layer (120), and foreign substances reduce the adhesion between the metal base material and the metal layer, so it is desirable to remove them.

금속 모재 표면의 유기물이나 무기물을 세정제로 세정할 수 있으며, 자연 산화물을 제거하기 위해 건식 식각을 수행할 수 있다. 여기서, 건식 식각은 기체 플라즈마나 활성된 기체에 의한 반응으로 식각을 수행하는 것이라면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 글로우방전(Glow-Discharge), 고온 필라멘트(Hot-Filament), 아르곤 가스를 사용한 이온건 에칭, 스퍼터 에칭, 반응성 이온 식각(Reaction Ion Etching), HF를 사용한 증기상 식각(Vapor Phase Etching)을 사용할 수 있다. Organic or inorganic substances on the surface of the metal base material can be cleaned with a cleaning agent, and dry etching can be performed to remove natural oxides. Here, dry etching is not particularly limited as long as etching is performed by a reaction using gas plasma or an activated gas, and for example, glow-discharge, hot filament, ion gun etching using argon gas, sputter etching, reactive ion etching, and vapor phase etching using HF can be used.

금속층(120)은 금속 모재(110) 위에 형성된다. 금속층(120)은 금속 모재(110)와 카본층(130)의 사이에 형성되어 복수의 단위 셀이 적층 및 체결될 경우 발생하는 하중 및 체결압을 분산하고 카본층(130)의 밀착력을 향상시키는 역할을 한다.The metal layer (120) is formed on the metal base material (110). The metal layer (120) is formed between the metal base material (110) and the carbon layer (130) and serves to distribute the load and fastening pressure generated when a plurality of unit cells are laminated and fastened and to improve the adhesion of the carbon layer (130).

금속층(120)은 금속 모재(110)와 함께 전기 전도성이 높은 소재를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 스칸디늄(Sc), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로부터 적어도 1종 이상 선택되는 금속 또는 이들의 질화물과 산화물을 소재를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.The metal layer (120) can use a material having high electrical conductivity together with the metal base material (110), and for example, at least one metal selected from aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), scandinium (Sc), vanadium (V), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), or a nitride or oxide thereof, but is not limited thereto.

금속 모재(110) 위에 금속층(120)을 형성하는 방법은 물리적 기상증착법(PVD), 화학적 기상 증착법(CVD), 원자층 증착법(ALD) 등 다양한 증착 방식을 사용할 수 있다. 바람직하게는 금속을 물리적 기상증착법인 스퍼터링을 사용할 경우 금속 모재와의 밀착력이 좋고, 균일한 두께의 금속층을 형성할 수 있다.The method of forming a metal layer (120) on a metal substrate (110) can use various deposition methods such as physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and atomic layer deposition (ALD). Preferably, when sputtering, which is a physical vapor deposition method, is used, the adhesion to the metal substrate is good, and a metal layer of uniform thickness can be formed.

금속층(120)의 두께는 0.02~5μm를 가질 수 있다. 두께가 0.02μm 미만이면 카본층의 밀착성이 떨어지고, 5μm를 초과하면 카본층의 밀착성 상승 효과가 미미한 반면에 제조비용이 커져 생산성이 떨어진다.The thickness of the metal layer (120) may be 0.02 to 5 μm. If the thickness is less than 0.02 μm, the adhesion of the carbon layer is reduced, and if it exceeds 5 μm, the effect of increasing the adhesion of the carbon layer is minimal, but the manufacturing cost increases, which reduces productivity.

카본층(130)은 비정질 카본(131)의 매트릭스 내부에 결정을 갖는 흑연(132)이 도핑된 형태를 가진다. 흑연(132)은 비정질 카본보다 상대적으로 높은 결정성을 가지며, 비정질 카본으로만 이뤄진 카본층의 취약점인 내부식성을 보완할 수 있다. 한편, 본 발명의 카본층(130)은 비정질 카본(131)의 매트릭스 내부에 흑연(132)이 완전히 함침된 구조, 즉 카본층(130)의 상부에서 카본층의 상면을 상부에서 바라보았을 때 흑연(131)의 일부가 관찰되지 않고, 평활하게 코팅된 비정질 카본(131)만이 관찰될 수 있다. 이러한 본 발명의 카본층(130)의 구조는 금속 분리판(100)이 서로 마주하여 일부 접촉한 상태에서 수백개의 단위셀이 적층된 하중 및 체결시 발생하는 응력에도 안정성을 유지할 수 있게 한다.The carbon layer (130) has a form in which graphite (132) having crystals is doped inside the matrix of amorphous carbon (131). Graphite (132) has relatively higher crystallinity than amorphous carbon and can complement the corrosion resistance, which is a weak point of a carbon layer composed only of amorphous carbon. Meanwhile, the carbon layer (130) of the present invention has a structure in which graphite (132) is completely impregnated inside the matrix of amorphous carbon (131), that is, when the upper surface of the carbon layer is viewed from above the upper part of the carbon layer (130), a part of the graphite (131) is not observed, and only the smoothly coated amorphous carbon (131) can be observed. This structure of the carbon layer (130) of the present invention enables stability to be maintained even under a load and stress generated when hundreds of unit cells are stacked in a state in which metal separators (100) face each other and are in partial contact with each other.

구체적으로, 도 3은 도 2에 도시된 연료전지용 금속 분리판 2개를 체결시 서로 접촉하여 마주한 상태를 표현한 도면이다. 도 3을 참조하면, 연료전지용 금속 분리판이 서로 마주하여 전기적으로 연결된다. 즉, 연료전지용 금속 분리판(100)은 최외각 표면층인 카본층(130)이 서로 마주하여 접촉 및 접지된다. 이 때, 연료전지용 금속 분리판(100)이 포함된 수백개의 단위 셀들이 적층될 경우, 이들의 무거운 하중이 중력 방향으로 가중된 상태에서, 체결압을 가하여 수백개의 단위 셀들을 체결하는 과정에서 응력이 발생된다. Specifically, FIG. 3 is a drawing expressing a state in which two metal separators for fuel cells, as shown in FIG. 2, are in contact with each other and face each other when fastened. Referring to FIG. 3, the metal separators for fuel cells face each other and are electrically connected. That is, the metal separators (100) for fuel cells have their carbon layers (130), which are the outermost surface layers, facing each other and making contact and grounding. At this time, when hundreds of unit cells including the metal separators (100) for fuel cells are stacked, stress is generated in the process of fastening hundreds of unit cells by applying a fastening pressure while their heavy load is weighted in the direction of gravity.

본 발명의 카본층(130)은 비정질 카본(131)과 결정성 흑연(132)의 상호 보완적 물성을 활용하되 흑연(132)이 비정질 카본(131)의 매트릭스 내에 완전히 도핑되어 흑연이 카본층 표면에 노출되지 않기 때문에, 앞서 설명했던 상기 하중 및 체결압에 의한 응력이 발생하더라도 카본층(130) 표면에 핀홀과 크랙 발생이 현저히 줄어든다.The carbon layer (130) of the present invention utilizes the complementary properties of amorphous carbon (131) and crystalline graphite (132), but since the graphite (132) is completely doped within the matrix of the amorphous carbon (131) and the graphite is not exposed on the surface of the carbon layer, even if stress occurs due to the load and clamping pressure described above, the occurrence of pinholes and cracks on the surface of the carbon layer (130) is significantly reduced.

본 발명의 연료전지용 분리판의 카본층(130)을 형성하기 위해 물리적 증착법(PVD), 화학적 증착법(CVD) 및 원자층 증착법(ALD) 중 적어도 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 비정질 카본의 매트릭스 내에 결정성 흑연이 도핑된 형태를 유도하기 위해서는 물리적 증착법(PVD)을 사용하되, 시간적으로 분리된 제1 증착과 제2 증착을 순차적으로 수행하는 것이 좋다. 여기서 물리적 증착법은 스퍼터링(Sputtering), 아크이온플레팅(Arc Ion Plating), 열증착(Thermal evaporation), 전자빔증발(E-Beam evaporation) 등을 포함한다.In order to form the carbon layer (130) of the fuel cell separator of the present invention, at least one of a physical vapor deposition (PVD) method, a chemical vapor deposition (CVD) method, and an atomic layer deposition (ALD) method may be used, but is not limited thereto. Preferably, in order to induce a form in which crystalline graphite is doped in the matrix of amorphous carbon, a physical vapor deposition (PVD) method is used, and it is preferable to sequentially perform the first deposition and the second deposition separated in time. Here, the physical deposition method includes sputtering, arc ion plating, thermal evaporation, E-Beam evaporation, etc.

더욱 바람직하게는 제1 증착과 제2 증착이 서로 다른 방식의 물리적 증착법으로 수행될 수 있는데, 예컨대, 제1 증착은 아크이온플레팅으로 수행되고, 제2 증착은 스퍼터링에 의해 수행될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1 증착을 통해, 비정질 카본의 매트릭스 내부에 도핑된 흑연과 비정질 카본의 표면에 적어도 일부가 노출된 흑연을 형성한 후, 제2 증착을 통해 제1 증착에서 일부 노출된 흑연의 상부 표면을 비정질 카본으로 덮는다. 여기서 제1 증착은 아크이온 플레팅으로 수행되고, 제2 증착은 스퍼터링으로 수행될 수 있다.More preferably, the first deposition and the second deposition may be performed by different physical deposition methods, for example, the first deposition may be performed by arc ion plating, and the second deposition may be performed by sputtering, but is not limited thereto. For example, through the first deposition, doped graphite is formed inside the matrix of amorphous carbon and graphite at least partially exposed on the surface of the amorphous carbon, and then the upper surface of the graphite partially exposed in the first deposition is covered with amorphous carbon through the second deposition. Here, the first deposition may be performed by arc ion plating, and the second deposition may be performed by sputtering.

제1 증착을 아크이온플레팅으로 수행할 경우 다른 물리적 증착법과 다르게 비정질 카본의 매트릭스에 흑연이 일부 도핑된 형태를 용이하게 제조할 수 있어 비정질 카본과 결정질 흑연의 상호 보완적 물성을 가진 카본층을 획득할 수 있다. 다만, 제1 증착을 아크이온플레팅으로 수행할 경우, 비정질 카본의 표면에 일부 흑연이 노출된 형태를 갖게 될 수 있다. 그러나 이러한 흑연 표면 노출 형태는 앞서 설명한 바와 같이 단위 셀의 체결과정에서 핀홀과 크랙을 유발하여 금속 분리판의 내식성 및 전기전도성이 낮아진다.When the first deposition is performed by arc ion plating, unlike other physical deposition methods, it is easy to manufacture a form in which graphite is partially doped into the amorphous carbon matrix, so that a carbon layer having complementary properties of amorphous carbon and crystalline graphite can be obtained. However, when the first deposition is performed by arc ion plating, a form in which some graphite is exposed on the surface of the amorphous carbon may be obtained. However, as explained above, this form of graphite surface exposure causes pinholes and cracks during the fastening process of the unit cell, which lowers the corrosion resistance and electrical conductivity of the metal separator.

따라서 제2 증착을 통해, 제1 증착에 의해 형성된 흑연이 노출된 표면을 비정질 카본으로 덮어 최종적으로 평활한 표면을 가진 카본층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 제2 증착은 제1 증착에 의한 표면 노출 흑연을 평활하게 덮기 위한 것으로써, 제1 증착이 완료된 이후에 제2 증착을 수행하는 것이 바람직하다.Therefore, it is desirable to cover the surface exposed by the graphite formed by the first deposition with amorphous carbon through the second deposition to ultimately form a carbon layer having a smooth surface. The second deposition is intended to smoothly cover the graphite exposed on the surface by the first deposition, and it is desirable to perform the second deposition after the first deposition is completed.

제2 증착도 물리적 증착법에 수행될 수 있으나, 제1 증착이 아크이온플레팅으로 수행한 경우 제2 증착은 다른 증착법인 스퍼터링으로 수행되는 것이 좋다. 예컨대 제1 증착과 동일하게 제2 증착을 아크이온플레팅으로 수행한 경우 비정질 카본 표면에 노출된 흑연이 다시 증착되어 목적하는 카본층의 표면 평활성을 달성하기 어렵다.The second deposition can also be performed by a physical vapor deposition method, but if the first deposition is performed by arc ion plating, it is recommended that the second deposition be performed by another deposition method, sputtering. For example, if the second deposition is performed by arc ion plating in the same manner as the first deposition, the graphite exposed to the amorphous carbon surface is re-deposited, making it difficult to achieve the desired surface smoothness of the carbon layer.

구체적인 예로써, 제1 증착에 사용되는 아크이온플레팅은 타겟(캐소드)에 인가되는 전류가 40~150A (10~30V) 일 수 있으며, 금속 모재에 인가되는 바이어스 전압은 0~200V 일 수 있다. 타겟에 인가되는 전류가 40A 미만이면 카본층에 결정질 흑연이 적게 포함되어 접촉저항이 높아지며 증착속도가 낮아 생산성이 떨어진다. 한편 타겟에 인가되는 전류가 150A를 초과하면 카본층에 결정질 흑연이 다량 형성되어 표면 평활성이 나빠지며, 결정질 흑연의 탈락으로 핀홀 또는 크랙 발생을 유발된다.As a specific example, the arc ion plating used for the first deposition may be applied to the target (cathode) at a current of 40 to 150 A (10 to 30 V), and the bias voltage applied to the metal base material may be 0 to 200 V. If the current applied to the target is less than 40 A, the carbon layer contains less crystalline graphite, which increases the contact resistance and lowers the deposition rate, thereby lowering the productivity. On the other hand, if the current applied to the target exceeds 150 A, a large amount of crystalline graphite is formed in the carbon layer, which deteriorates the surface smoothness, and the detachment of the crystalline graphite causes pinholes or cracks to occur.

금속 모재에 인가되는 바이어스 전압은 200V를 초과하면 금속 분리판 엣지 부위에 Re-Sputtering에 따른 코팅 박리가 발생하여 접촉저항 및 내부식성 모두 저하될 수 있다. 금속 분리판에 인가되는 바이어스는 바람직하게는 0~200V로, 더욱 바람직하게는 0~150V 가 될 수 있다.If the bias voltage applied to the metal base material exceeds 200 V, the coating peeling due to Re-Sputtering may occur at the edge of the metal separator, which may deteriorate both the contact resistance and the corrosion resistance. The bias applied to the metal separator may be preferably 0 to 200 V, and more preferably 0 to 150 V.

제1 증착과 제2 증착에 의해 형성되는 카본층의 두께는 0.02~3.0μm를 가질 수 있다. 카본층의 막두께가 0.02μm 미만이면 결정질 흑연의 증착량이 적어 전기전도성 및 내부식성 향상을 기대하기 어렵다. 한편 카본층의 막두께가 3.0μm를 초과하면 과하게 많이 증착된 결정질 흑연의 박리로 인해 다수의 핀홀이 발생하여 내부식성에 악영향을 끼치며, 공정 중 발생한 코팅 내부 응력으로 인해 결정질 흑연 및 비정질 카본 코팅의 박리가 발생할 확률이 높아져 전기전도성 및 내부식성이 저하될 수 있으며, 제조단가가 상승하는 문제가 있다.The thickness of the carbon layer formed by the first deposition and the second deposition may be 0.02 to 3.0 μm. If the film thickness of the carbon layer is less than 0.02 μm, the amount of crystalline graphite deposited is small, making it difficult to expect improvement in electrical conductivity and corrosion resistance. On the other hand, if the film thickness of the carbon layer exceeds 3.0 μm, a large number of pinholes are generated due to exfoliation of excessively deposited crystalline graphite, which adversely affects corrosion resistance, and the probability of exfoliation of the crystalline graphite and amorphous carbon coating due to internal stress in the coating generated during the process increases, which may lower electrical conductivity and corrosion resistance, and there is a problem of increased manufacturing cost.

한편, 제2 증착에 의해 형성되는 비정질 카본의 평균 두께(T)는 0.01~2μm를 가질 수 있다. 제2 증착에 의해 형성되는 비정질 카본의 두께가 0.01μm 미만일 경우 카본층 표면에 흑연이 노출될 수 있고, 2μm를 초과하면 불필요하게 제조단가가 상승한다.Meanwhile, the average thickness (T) of the amorphous carbon formed by the second deposition may be 0.01 to 2 μm. If the thickness of the amorphous carbon formed by the second deposition is less than 0.01 μm, graphite may be exposed on the surface of the carbon layer, and if it exceeds 2 μm, the manufacturing cost increases unnecessarily.

본 발명 연료전지용 금속 분리판은 80℃에서 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 수용액에서 실시한 정전위 분극 시험에서 1μA/cm2 이하의 부식전류 값을 갖으며, 1MPa 체결압에서 15mΩ·cm2 이하의 접촉저항을 갖는다. 따라서, 연료전지용 분리판으로써 충분한 내식성과 접촉저항을 가질 뿐만 아니라, 장기 사용에 안정성도 가진다.The metal separator for a fuel cell of the present invention has a corrosion current value of 1 μA/cm 2 or less in a potentiostatic polarization test performed in a 0.1 NH 2 SO 4 + 2 ppm HF aqueous solution at 80°C, and a contact resistance of 15 mΩ·cm 2 or less at a clamping pressure of 1 MPa. Therefore, it not only has sufficient corrosion resistance and contact resistance as a separator for fuel cells, but is also stable for long-term use.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to help understand the present invention. However, the following examples are only illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and technical idea of the present invention, and it is also natural that such changes and modifications fall within the scope of the appended patent claims.

<실시예><Example>

금속 모재로 스테인리스 스틸(SUS 316L)를 사용하여, 표 1과 같은 실시예와 비교예의 연료전지용 금속 분리판을 제조하였다.Using stainless steel (SUS 316L) as a metal base material, metal separators for fuel cells were manufactured according to examples and comparative examples as shown in Table 1.

구분division 중간층Middle layer 카본층 두께 (um)Carbon layer thickness (um) 카본층 구조Carbon layer structure 밀착력
(N)
Adhesion
(N)
부식전류
(μA/cm2@0.6VSCE)
Corrosion current
(μA/ cm2 @0.6VSCE)
접촉저항
(mΩ·cm2@1MPa)
Contact resistance
(mΩ cm 2 @1MPa)
제1증착First deposition 제2증착Second deposition 실시예1Example 1 TiTi 0.04~0.050.04~0.05 0.02~0.030.02~0.03 카본층 내부에 흑연 도핑Graphite doping inside the carbon layer 25N이상25N or more 0.5~0.70.5~0.7 9.59.5 실시예2Example 2 TiTi 0.19~0.200.19~0.20 0.02~0.030.02~0.03 25N이상25N or more 0.3~0.60.3~0.6 11.211.2 실시예3Example 3 TiTi 0.48~0.500.48~0.50 0.02~0.030.02~0.03 25N이상25N or more 0.1~0.50.1~0.5 12.312.3 실시예4Example 4 TiTi 1.8~2.01.8~2.0 0.13~0.150.13~0.15 20.1N20.1N 0.1~0.50.1~0.5 13.013.0 실시예5Example 5 TiNTiN 0.48~0.500.48~0.50 0.02~0.030.02~0.03 25N이상25N or more 0.1~0.50.1~0.5 13.213.2 실시예6Example 6 CrCr 0.19~0.200.19~0.20 0.02~0.030.02~0.03 25N이상25N or more 0.5~0.80.5~0.8 12.712.7 실시예7Example 7 CrNCrN 0.19~0.200.19~0.20 0.02~0.030.02~0.03 25N이상25N or more 0.4~0.60.4~0.6 13.713.7 비교예1Comparative Example 1 TiTi 3.3~3.53.3~3.5 0.28~0.300.28~0.30 15.6N15.6N 0.1~3.00.1~3.0 17.017.0 비교예2Comparative Example 2 TiTi 0.04~0.050.04~0.05 -- 카본층 표면으로부터
흑연 돌출(노출)
From the carbon layer surface
Graphite extrusion (exposure)
25N이상25N or more 2.5~3.52.5~3.5 9.29.2
비교예3Comparative Example 3 TiTi 0.48~0.500.48~0.50 -- 25N이상25N or more 1.7~2.71.7~2.7 11.911.9

구체적인 실시예와 비교예의 연료전지용 금속 분리판은 아래와 같이 제조하였다.Metal separators for fuel cells of specific examples and comparative examples were manufactured as follows.

<실시예 1><Example 1>

금속 모재의 표면에 자연 산화막과 이물질을 제거하기 위해 건식방법의 에칭법을 사용하였다. 챔버 내에 금속 모재를 배치하고, Ar가스를 챔버 내부에 주입하였다. 주입된 Ar가스는 전자의 충격으로 인해 Ar+, 전자로 이온화된다. 이때 분리판에 바이어스 (-)전압을 인가하여 Ar+이 분리판을 타격하는 에칭방법으로 금속모재의 자연 산화막과 이물질을 제거하였다. 이어서, 금속 모재에 스퍼터링으로 0.06μm의 금속층(Ti)을 형성하였다. 금속층 위에 카본층을 형성하기 위해, 아크이온플레팅으로 카본재 타겟에 60A의 전류를 인가하였고, 금속 모재에 바이어스 전압 20V를 인가하였다. 그 결과 비정질 카본 내부에 도핑된 흑연과 비정질 카본 표면에 일부 흑연이 도출된 형태의 카본층을 획득하였다(제1 증착). 그 후, 스퍼터링으로 카본재 타겟을 사용하여 제1 증착이 완료된 카본층의 표면에 비정질 카본을 증착하였다(제2 증착). 제2 증착까지 완료된 카본층의 표면을 SEM 이미지 분석 결과, 카본층의 표면으로부터 돌출된 흑연이 관찰되지 않았다.A dry etching method was used to remove the natural oxide film and foreign substances on the surface of the metal base material. The metal base material was placed in the chamber, and Ar gas was injected into the chamber. The injected Ar gas was ionized into Ar + and electrons due to the impact of electrons. At this time, a bias (-) voltage was applied to the separator, and the natural oxide film and foreign substances of the metal base material were removed by an etching method in which Ar + strikes the separator. Subsequently, a 0.06 μm metal layer (Ti) was formed on the metal base material by sputtering. In order to form a carbon layer on the metal layer, a current of 60 A was applied to the carbon material target by arc ion plating, and a bias voltage of 20 V was applied to the metal base material. As a result, a carbon layer in the form of doped graphite inside the amorphous carbon and some graphite derived from the surface of the amorphous carbon was obtained (first deposition). Thereafter, amorphous carbon was deposited on the surface of the carbon layer on which the first deposition was completed using a carbon material target by sputtering (second deposition). As a result of SEM image analysis of the surface of the carbon layer on which the second deposition was completed, no graphite protruding from the surface of the carbon layer was observed.

도 4는 실시예 1을 80℃, 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 수용액에서 1시간 동안의 정전위 분극 시험(부식 전류) 결과이고, 도 5는 실시예 1의 압력변화에 따른 접촉저항 변화 결과이다. 본 발명의 실시예와 비교예의 구체적인 부식 전류와 접촉저항의 측정방법은 후술하기로 한다.Figure 4 shows the results of a potentiostatic polarization test (corrosion current) for 1 hour in a 0.1NH2SO4 + 2ppm HF aqueous solution at 80℃ in Example 1, and Figure 5 shows the results of changes in contact resistance according to pressure changes in Example 1. Specific methods for measuring corrosion current and contact resistance of the examples and comparative examples of the present invention will be described later.

도 6은 제1 및 제2 증착까지 완료된 실시예 1의 카본층 표면 SEM 이미지이다.Figure 6 is a SEM image of the carbon layer surface of Example 1 after the first and second depositions were completed.

<실시예 2><Example 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재 위에 금속층 및 제1 증착을 수행하여 하층에는 비정질 카본 내부에 도핑된 흑연과 상층에는 비정질 카본 표면에 일부 흑연이 노출된 형태의 카본층을 증착하였다. 그 후, 스퍼터링으로 카본재 타겟을 사용하여 제1 증착이 완료된 카본층의 표면에 비정질 카본을 증착하였다. (제2 증착) 제1 증착과 제2증착의 카본층의 두께는 각 0.19~0.20um/0.02~0.03um(제1 증착 두께/제2 증착 두께)이다.In the same manner as in Example 1, a metal layer and a first deposition were performed on a metal base material, and a carbon layer having graphite doped inside the amorphous carbon in the lower layer and some graphite exposed on the surface of the amorphous carbon in the upper layer was deposited. Thereafter, amorphous carbon was deposited on the surface of the carbon layer on which the first deposition was completed using a carbon material target by sputtering. (Second deposition) The thicknesses of the carbon layers of the first deposition and the second deposition are 0.19 to 0.20 um/0.02 to 0.03 um (first deposition thickness/second deposition thickness), respectively.

<실시예 3><Example 3>

실시예 1과 동일한 방법으로 카본층(제1 및 제2 증착 수행)을 형성하되카본층의 두께는 0.48~0.50μm/0.02~0.03um이다. 카본층의 두께 증가 시 부식전류는 실시예 1과 비교하여 더욱 우수하며, 15mΩ·cm2이내의 접촉저항 값을 갖는다.A carbon layer (performing the first and second depositions) is formed in the same manner as in Example 1, but the thickness of the carbon layer is 0.48 to 0.50 μm/0.02 to 0.03 μm. As the thickness of the carbon layer increases, the corrosion current is more excellent than in Example 1, and has a contact resistance value of less than 15 mΩ·cm 2 .

<실시예 4><Example 4>

실시예 1과 동일한 방법으로 카본층(제1 및 제2 증착 수행)을 형성하되카본층의 두께는 1.8~2.0μm/0.13~0.15μm이다.A carbon layer (performing the first and second depositions) is formed in the same manner as in Example 1, but the thickness of the carbon layer is 1.8 to 2.0 μm/0.13 to 0.15 μm.

<실시예 5><Example 5>

실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재의 표면에 자연 산화막과 이물질을 제거하기 위해 건식방법의 에칭법을 사용하였다. 이어서, 금속 모재에 스퍼터링으로 0.06μm의 금속층(TiN)을 형성하였다. 그 후 카본층 (제1 및 제2 증착 수행)을 형성하되, 카본층의 두께는 0.48~0.50μm/0.02~0.03um이다. 금속층을 TiN으로 증착시 부식전류는 실시예 3과 비교하여 동등 수준이며, 15mΩ·cm2이내의 접촉저항 값을 갖는다. In order to remove the natural oxide film and foreign substances on the surface of the metal base material in the same manner as Example 1, a dry etching method was used. Then, a 0.06 μm metal layer (TiN) was formed on the metal base material by sputtering. Thereafter, a carbon layer (first and second depositions) was formed, and the thickness of the carbon layer was 0.48 to 0.50 μm/0.02 to 0.03 μm. When the metal layer was deposited with TiN, the corrosion current was at the same level as in Example 3, and had a contact resistance value of less than 15 mΩ·cm 2 .

<실시예 6><Example 6>

실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재의 표면에 자연 산화막과 이물질을 제거하기 위해 건식방법의 에칭법을 사용하였다. 이어서, 금속 모재에 스퍼터링으로 0.06μm의 금속층(Cr)을 형성하였다. 그 후 카본층 (제1 및 제2 증착 수행)을 형성하되, 카본층의 두께는 0.19~0.20μm/0.02~0.03um이다. 금속층을 Cr로 증착시 부식전류는 실시예 2와 비교하여 동등 수준이며, 15mΩ·cm2이내의 접촉저항 값을 갖는다. In order to remove the natural oxide film and foreign substances on the surface of the metal base material in the same manner as Example 1, a dry etching method was used. Then, a 0.06 μm metal layer (Cr) was formed on the metal base material by sputtering. Thereafter, a carbon layer (first and second depositions) was formed, and the thickness of the carbon layer was 0.19 to 0.20 μm/0.02 to 0.03 μm. When the metal layer was deposited with Cr, the corrosion current was at the same level as in Example 2, and had a contact resistance value of less than 15 mΩ·cm 2 .

<실시예 7><Example 7>

실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재의 표면에 자연 산화막과 이물질을 제거하기 위해 건식방법의 에칭법을 사용하였다. 이어서, 금속 모재에 스퍼터링으로 0.06μm의 금속층(CrN)을 형성하였다. 그 후 카본층 (제1 및 제2 증착 수행)을 형성하되, 카본층의 두께는 0.19~0.20μm/0.02~0.03um이다. 이때 정전위 분극 시험에서 1μA/cm2 이내의 부식전류 값을 갖으며, 15mΩ·cm2 이내의 접촉저항을 갖는다.In order to remove the natural oxide film and foreign substances on the surface of the metal base material, a dry etching method was used in the same manner as Example 1. Then, a 0.06 μm metal layer (CrN) was formed on the metal base material by sputtering. Thereafter, a carbon layer (first and second depositions) was formed, and the thickness of the carbon layer was 0.19 to 0.20 μm/0.02 to 0.03 μm. At this time, in a static potential polarization test, it had a corrosion current value of less than 1 μA/cm 2 and a contact resistance of less than 15 mΩ·cm 2 .

<비교예 1><Comparative Example 1>

실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재의 표면에 자연 산화막과 이물질을 제거하기 위해 건식방법의 에칭법을 사용하였다. 이어서, 금속 모재에 스퍼터링으로 0.06μm의 금속층(Ti)을 형성하였다. 그 후 카본층 (제1 및 제2 증착 수행)을 형성하되, 카본층의 두께는 3.3~3.5μm/0.28~0.30μm이다. 비교예 1은 접촉저항이 15mΩ·cm2를 초과하는 것으로 나타났다.In order to remove the natural oxide film and foreign substances on the surface of the metal base material, a dry etching method was used in the same manner as in Example 1. Then, a 0.06 μm metal layer (Ti) was formed on the metal base material by sputtering. Thereafter, a carbon layer (first and second depositions were performed) was formed, and the thickness of the carbon layer was 3.3 to 3.5 μm/0.28 to 0.30 μm. Comparative Example 1 showed that the contact resistance exceeded 15 mΩ·cm 2 .

<비교예 2><Comparative Example 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재 위에 금속층 및 제1 증착을 수행하여 하층에는 비정질 카본 내부에 도핑된 흑연과 상층에는 비정질 카본 표면에 일부 흑연이 노출된 형태의 카본층을 0.04~0.05μm 증착하였다. 즉, 비교예 2는 실시예 1과 다르게 제2 증착을 수행하지 않았다. 비교예 2의 연료전지용 분리판의 표면을 SEM 이미지 분석 결과, 카본층의 표면으로부터 일부 노출된 흑연이 다수 관찰되었다. 도 7는 비교예 2의 카본층 표면을 촬영한 SEM 이미지이다. 비교예 2는 부식전류가 1μA/cm2를 초과하는 것으로 나타났다.In the same manner as in Example 1, a metal layer and a first deposition were performed on a metal base material, and a carbon layer with doped graphite inside the amorphous carbon in the lower layer and some graphite exposed on the surface of the amorphous carbon in the upper layer was deposited to a thickness of 0.04 to 0.05 μm. That is, Comparative Example 2 did not perform the second deposition, unlike Example 1. As a result of analyzing the SEM image of the surface of the fuel cell separator of Comparative Example 2, many graphite parts exposed from the surface of the carbon layer were observed. Fig. 7 is an SEM image of the surface of the carbon layer of Comparative Example 2. Comparative Example 2 was found to have a corrosion current exceeding 1 μA/cm 2 .

<비교예 3><Comparative Example 3>

실시예 1과 동일한 방법으로 금속 모재 위에 금속층 및 제1 증착을 수행하여 하층에는 비정질 카본 내부에 도핑 된 흑연과 상층에는 비정질 카본 표면에 일부 흑연이 노출된 형태의 카본층을 0.48~0.50μm 증착하고, 별도로 제2 증착은 수행하지 않았다. 비교예 3은 부식전류가 1μA/cm2를 초과하는 것으로 나타났다.In the same manner as Example 1, a metal layer and a first deposition were performed on a metal base material, and a carbon layer having a thickness of 0.48 to 0.50 μm was deposited, with graphite doped inside the amorphous carbon in the lower layer and some graphite exposed on the surface of the amorphous carbon in the upper layer, and the second deposition was not performed separately. Comparative Example 3 showed that the corrosion current exceeded 1 μA/cm 2 .

실시예와 비교예의 연료전지용 금속 분리판을 적층 및 체결시 환경을 모의 시험하기 위해 아래와 같은 실험을 수행하였다. 물성 평가 시험에 앞서, 연료전지용 분리판의 적층 및 체결시 환경과 동일한 조건을 부여하기 위해, 도 8의 가압장치를 이용하여 실시예와 비교예의 연료전지용 분리판(2개)에 하중과 체결압과 같은 압력을 가하였다.In order to simulate the environment during lamination and fastening of the metal separators for fuel cells of the examples and comparative examples, the following experiment was conducted. Prior to the property evaluation test, in order to provide the same conditions as the environment during lamination and fastening of the separators for fuel cells, a pressure equal to the load and fastening pressure was applied to the separators (two pieces) for fuel cells of the examples and comparative examples using the pressurizing device of Fig. 8.

구체적으로 도 8을 참조하면, 2개의 분리판(100)을 마주한 상태에서 상부와 하부에 각 분리판과 대향하는 면에 가압플레이트(200)를 각각 배치한 후, 가압플레이트(200)를 연료전지용 분리판(100)의 방향으로 동시에 서서히 이동시키면서 최대 1MPa의 압력에 이르기까지 가압하였다. 그 후 가압플레이트(200)를 서서히 각 분리판(100)과 멀어지도록 동시에 이동시켜 압력을 풀어주었다. 이를 10회 반복하였다. Specifically, referring to Fig. 8, while two separator plates (100) are facing each other, a pressure plate (200) is placed on the upper and lower surfaces facing each separator plate, and then the pressure plates (200) are simultaneously and slowly moved in the direction of the fuel cell separator plates (100) while pressurizing up to a maximum pressure of 1 MPa. Thereafter, the pressure is released by simultaneously and slowly moving the pressure plates (200) away from each separator plate (100). This is repeated 10 times.

연료전지용 금속 분리판을 적층 및 체결시, 연료전지용 분리판의 최외곽 표면, 즉 카본층이 서로 접촉한 상태에서 하중과 체결압을 모사한 것이며, 가압과 풀어줌을 반복함으로써 체결시 발생되는 카본층간의 응력을 부여하게 된다.When stacking and fastening metal separators for fuel cells, the load and fastening pressure are simulated in a state where the outermost surfaces of the fuel cell separators, i.e. the carbon layers, are in contact with each other, and stress is applied between the carbon layers that occurs during fastening by repeating the pressing and releasing.

가압플레이트(200)로부터 실시예와 비교예의 연료전지용 금속 분리판을 분리하고, 접촉저항, 부식전류 및 장기 내구성 평가를 아래와 같이 측정하였다.The metal separator plates for fuel cells of the examples and comparative examples were separated from the pressurized plate (200), and the contact resistance, corrosion current, and long-term durability were measured as follows.

실험예 1: 접촉저항 측정Experimental Example 1: Contact Resistance Measurement

도 9는 연료전지용 금속 분리판의 접촉저항을 측정하는 방법을 설명하기위한 도면이다.Figure 9 is a drawing for explaining a method for measuring the contact resistance of a metal separator for a fuel cell.

도 9의 좌측 도면을 참조하면, SGL사의 가스 확산층(GDL) 3장 적층 후, 양단부에 위치한 각 가스 확산층을 1MPa로 가압하고, 가스 확산층에 전류를 공급할 수 있는 전류공급장치에 DC 5A 및 AC 0.5A의 전류를 인가하여 접촉저항 값(R1)을 측정하였다.Referring to the left drawing of Fig. 9, after laminating three gas diffusion layers (GDL) of SGL, each gas diffusion layer located at both ends was pressurized to 1 MPa, and a current of DC 5 A and AC 0.5 A was applied to a current supply device capable of supplying current to the gas diffusion layers, and the contact resistance value (R 1 ) was measured.

도 9의 우측 도면과 같이, SGL사의 가스 확산층(GDL) 4장 사이에 측정대상 금속 분리판(100) 2장(Anode/Cathode)을 적층하고, 양단부에 위치한 각 가스 확산층을 1MPa로 가압한 후, 금속 분리판(100)에 전류를 공급할 수 있는 전류공급장치에 DC 5A 및 AC 0.5A의 전류를 인가하여 접촉저항 값(R2)을 측정하였다. As shown in the right drawing of Fig. 9, two metal separators (100) to be measured (Anode/Cathode) were laminated between four gas diffusion layers (GDL) of SGL, and each gas diffusion layer located at both ends was pressurized to 1 MPa. Then, a current of DC 5 A and AC 0.5 A was applied to a current supply device capable of supplying current to the metal separator (100) to measure the contact resistance value (R 2 ).

상기 R1 및 R2를 값을 기초로 하기 수학식 1에 의해 금속 분리판의 접촉저항(R)을 산출한 결과 표 1과 같다.The results of calculating the contact resistance (R) of the metal separator using the following mathematical formula 1 based on the values of R 1 and R 2 are as shown in Table 1.

[수학식 1]: (R2 - R1) X 반응면적 = R (단위: mΩ·㎠)[Mathematical Formula 1]: (R 2 - R 1 ) X Reaction Area = R (Unit: mΩ·㎠)

상기 수학식 1에서 반응면적은 금속 분리판의 전체 면적 중, 막전극접합체(MEA)와 마주하여 막전극접합체에 연료 가스의 유동이 발생하는 금속 분리판의 면적을 가리키며, 실시예 1~7 및 비교예 1~3은 모두 반응면적이 276cm2로 동일하다.In the above mathematical expression 1, the reaction area refers to the area of the metal separator facing the membrane electrode assembly (MEA) among the total area of the metal separator and through which the flow of fuel gas occurs in the membrane electrode assembly. Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 all have the same reaction area of 276 cm 2 .

실험예 2: 부식전류 측정 Experimental Example 2: Corrosion Current Measurement

실시예 1~7 및 비교예 1~3에 따른 연료전지용 금속 분리판의 부식전류를 측정하기 위해, 측정장비로 GAMRY INTERFACE 1010E를 사용하였다. 부식 내구성 실험은 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)의 구동 환경과 유사한 환경하에 이루어졌다.In order to measure the corrosion current of the metal separator for fuel cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3, GAMRY INTERFACE 1010E was used as the measuring device. The corrosion durability test was conducted in an environment similar to the operating environment of a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell).

금속 분리판 부식용 실험용액으로는 80℃의 0.1N H2SO4 + 2ppm HF 용액을 사용하였고, 30분 동안 Air bubbling 후 0.6V(SCE) 정전위를 인가하여 1시간 동안 전류밀도를 측정하였다. A 0.1 N H2SO4 + 2 ppm HF solution at 80°C was used as the experimental solution for corrosion of the metal separator. After air bubbling for 30 minutes, a constant potential of 0.6 V (SCE) was applied and the current density was measured for 1 hour.

실시예와 비교예의 부식전류를 측정한 결과는 표 1과 같이 나타났다.The results of measuring the corrosion current of the examples and comparative examples are shown in Table 1.

실험예 3: 장기 내구성 평가Experimental Example 3: Long-term durability evaluation

금속 분리판 사이에 막전극 접합체와 가스 확산층을 둔 후 체결하여 20 cell의 연료전지 스택을 제작하였다. A 20-cell fuel cell stack was fabricated by placing a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer between metal separators and then fastening them together.

반응 가스로는 수소와 공기를 사용하였고, 유량은 전류에 따라 수소 1.5, 공기 2.0의 화학양론비를 일정하게 유지하며 상대습도 50% 가습 후 공급하였다. 스택의 온도는 65℃로 유지시켜주며 대기압 조건하에 성능을 평가하였다. Hydrogen and air were used as reaction gases, and the flow rate was supplied after humidifying at 50% relative humidity while maintaining the stoichiometric ratio of hydrogen 1.5 and air 2.0 constant depending on the current. The temperature of the stack was maintained at 65℃, and the performance was evaluated under atmospheric pressure conditions.

평가 시 열화율 계산식은 아래 수학식 2와 같다.The deterioration rate calculation formula for evaluation is as shown in Mathematical Formula 2 below.

[수학식 2] 열화율 = (평가시작전압-평가종료전압) χ (평가시간) [Mathematical expression 2] Deterioration rate = (evaluation start voltage - evaluation end voltage) χ (evaluation time)

도 10은 본 발명의 실시예 2의 장기 내구성 평가 결과이다. 평가 결과 시작전압은 0.7751V, 종료전압은 0.7733V이고, 수학식 2에 따라 열화율은 1.8μV/h로 계산되었다.Figure 10 shows the results of a long-term durability evaluation of Example 2 of the present invention. As a result of the evaluation, the starting voltage was 0.7751 V, the ending voltage was 0.7733 V, and the deterioration rate was calculated as 1.8 μV/h according to mathematical expression 2.

본 발명의 실시예 1~7은 부식전류가 1μA/cm2 이내이고, 접촉저항이 15mΩ·cm2 이내이므로, 내식성과 전기전도성이 동시에 만족함을 확인할 수 있었다. 그러나, 비교예 1~3은 부식전류가 1μA/cm2를 초과하거나 접촉저항이 15mΩ·cm2를 초과하였다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예에 따른 금속 분리판은 체결시 발생하는 응력에도 내구성을 유지할 수 있다.Examples 1 to 7 of the present invention were confirmed to simultaneously satisfy corrosion resistance and electrical conductivity since the corrosion current was within 1 μA/cm 2 and the contact resistance was within 15 mΩ·cm 2 . However, Comparative Examples 1 to 3 were confirmed to have corrosion currents exceeding 1 μA/cm 2 or The contact resistance exceeded 15 mΩ·cm 2. Therefore, the metal separator according to the embodiment of the present invention can maintain durability even under stress generated during fastening.

100: 금속 분리판
110: 금속 모재 120: 금속층
130: 카본층 131: 비정질 카본
132: 흑연
200: 가압 플레이트
100: Metal separator
110: metal base material 120: metal layer
130: Carbon layer 131: Amorphous carbon
132: Graphite
200: Pressurized plate

Claims (9)

금속 모재;
상기 금속 모재 위에 형성되는 금속층; 및
상기 금속층 위에 형성되는 카본층을 포함하는 연료전지용 금속 분리판이되, 상기 카본층은 비정질 카본의 매트릭스 내부에 결정성을 갖는 흑연이 도핑되어 카본층의 상부에서 카본층의 상면을 바라보았을 때, 노출된 흑연이 관찰되지 않고 평활한 비정질 카본만이 관찰되는 연료전지용 금속 분리판.
metal substrate;
A metal layer formed on the above metal base material; and
A metal separator for a fuel cell including a carbon layer formed on the metal layer, wherein the carbon layer is doped with graphite having crystallinity within a matrix of amorphous carbon, such that when the upper surface of the carbon layer is viewed from above the carbon layer, exposed graphite is not observed and only smooth amorphous carbon is observed.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 카본층은 증착법에 의해 형성되고,
비정질 카본의 매트릭스 내부에 도핑된 흑연과 상기 비정질 카본의 표면에 적어도 일부가 노출된 흑연을 형성하는 제1 증착; 및
흑연이 노출된 표면을 비정질 카본으로 덮는 제2 증착에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
In the first paragraph,
The above carbon layer is formed by a deposition method,
A first deposition forming graphite doped within a matrix of amorphous carbon and graphite at least partially exposed on the surface of the amorphous carbon; and
A metal separator for a fuel cell, characterized in that it is manufactured by a second deposition that covers the exposed surface of graphite with amorphous carbon.
제3항에 있어서,
상기 증착법은 화학적 증착(CVD), 물리적 증착(PVD), 원자층 증착(ALD)을 포함하고,
상기 제1 증착이 완료된 후, 상기 제2 증착이 수행되어 상기 카본층이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
In the third paragraph,
The above deposition methods include chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), and atomic layer deposition (ALD).
A metal separator for a fuel cell, characterized in that after the first deposition is completed, the second deposition is performed to form the carbon layer.
제3항에 있어서,
상기 제1 증착 및 상기 제2 증착은 물리적 증착법으로 카본층을 형성하되,
상기 제1 증착은 아크이온플레팅으로 수행되고, 상기 제2 증착은 스퍼터링으로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
In the third paragraph,
The above first deposition and the above second deposition form a carbon layer by a physical deposition method.
A metal separator for a fuel cell, characterized in that the first deposition is performed by arc ion plating and the second deposition is performed by sputtering.
제3항에 있어서,
상기 카본층의 두께는 0.02~3.0μm이고,
상기 제2 증착에 의해 형성된 카본층의 평균 두께(T)는 0.01~2μm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
In the third paragraph,
The thickness of the above carbon layer is 0.02 to 3.0 μm,
A metal separator for a fuel cell, characterized in that the average thickness (T) of the carbon layer formed by the second deposition is 0.01 to 2 μm.
제1항에 있어서,
상기 금속층은
티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 스칸디늄(Sc), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로부터 적어도 1종 이상 선택되는 금속을 금속 모재 상에 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
In the first paragraph,
The above metal layer
A metal separator for a fuel cell, characterized in that it is formed by depositing at least one metal selected from titanium (Ti), aluminum (Al), zirconium (Zr), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), titanium (Ti), scandinium (Sc), vanadium (V), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) on a metal base material.
제1항에 있어서,
상기 금속 모재는 자연 산화막과 불순물을 제거하기 위해 건식 식각 표면처리된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
In the first paragraph,
A metal separator for a fuel cell, characterized in that the above metal base material is surface-treated by dry etching to remove a natural oxide film and impurities.
제1항에 있어서,
상기 연료전지용 금속 분리판은
부식전류가 1 μA/cm2 이하이고, 접촉저항이 15 mΩ·cm2 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판.
In the first paragraph,
The above metal separator for fuel cell
A metal separator for a fuel cell, characterized in that the corrosion current is 1 μA/cm 2 or less and the contact resistance is 15 mΩ·cm 2 or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008204876A (en) * 2007-02-22 2008-09-04 Toyota Motor Corp Fuel cell separator, fuel cell separator manufacturing method, and fuel cell

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