KR20100122361A - Bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell and the methods for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A bipolar plate for a polymer electrolyte membrane fuel cell, and a manufacturing method thereof are provided to economically manufacture the bipolar plate by minimizing the usage amount of niobium. CONSTITUTION: A manufacturing method of a bipolar plate for a polymer electrolyte membrane fuel cell comprises the following steps: preparing a bipolar plate including a first metal, for using as a base material; and forming a protective layer including a second metal, on the surface of the bipolar plate using a physical gas phase deposition method. The first metal contains stainless steel, and the second metal contains niobium.

Description

고분자 전해질 연료전지용 전극판 및 그의 제조방법{Bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell and the methods for fabricating the same}Bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell and the methods for fabricating the same}

본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 스테인레스강을 모재로 하는 고분자 전해질 연료전지용 금속 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a metal bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell based on stainless steel and a method of manufacturing the same.

연료 전지는 수소와 같은 연료 가스의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 연료 전지는 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지이며, 종래의 전지와는 달리 외부에서 연료와 공기를 공급받아 연속적으로 전기를 생산한다. 즉 연료 전지는 메탄올이나 천연 가스등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서 고효율의 청정에너지 변환장치이며, 연소과정 없이 연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel gas such as hydrogen into electrical energy. A fuel cell is a battery having a capability of producing a direct current. Produces electricity. In other words, the fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction generated by using hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol or natural gas and oxygen in the air as a fuel. It is characterized in that the electricity generated by the electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas and the by-product heat can be used simultaneously without a combustion process.

상기 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체산화물형 등의 연료 전지로 분류되며, 각 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해서 작동되나, 서로 다른 점은 연료의 종류, 운전 온도, 촉매와 전해질이다.The fuel cell is a phosphoric acid type operating in the vicinity of 150 ~ 200 ℃ largely, a polymer electrolyte type and an alkaline type, and a molten carbonate type operating at a high temperature of 600 ~ 700 ℃ depending on the type of electrolyte used The fuel cells are classified into a fuel cell such as a solid oxide type that operates at a high temperature of 1000 ° C. or higher, and each fuel cell is operated based on the same principle.

여러 종류의 연료 전지 중에서 고분자 전해질 연료 전지는 고체인 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질 관리가 용이하고 전해질에 의한 부식이나 전해질이 증발되는 문제가 없으며, 단위 면적당 높은 전류 밀도를 얻을 수 있는 특징이 있다. 그리고, 고분자 전해질 연료 전지는 타 연료 전지에 비하여 출력특성이 월등히 높은 동시에 작동 온도가 낮을 뿐 아니라, 설비 유지 및 보수가 간편하고, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 연료로서 수소 이외에 메탄올이나 에탄올, 천연가스 등을 개질하여 사용할 수 있기 때문에 연료의 수송과 저장이 용이하여 자동차용 등과 같은 이동용 전원이나 전자기기용 소형 전원으로 이용하기 위하여 개발이 활발히 추진되고 있다.Among the various fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell uses solid polymer as the electrolyte, so it is easy to manage the electrolyte, and there is no problem of corrosion or electrolyte evaporation, and high current density per unit area is obtained. . In addition, the polymer electrolyte fuel cell has much higher output characteristics than other fuel cells and at the same time has a low operating temperature, and is easy to maintain and repair equipment, and has fast start-up and response characteristics. Since the gas and the like can be reformed and used, the fuel is easily transported and stored, and development is being actively promoted for use as a mobile power source such as an automobile or a small power source for an electronic device.

상기 고분자 전해질 연료 전지 스택 본체는, 고분자 이온교환막인 고체의 전해질막을 중심으로 그 양쪽면에 연료극 및 공기극을 열간 가압에 의하여 부착시킨 단위 전지로 이루어지며, 상기의 단위 전지를 여러 층으로 적층하여 수 W 내지 수백 KW 에 이르는 연료 전지 발전 시스템을 구성하게 된다.The polymer electrolyte fuel cell stack body includes a unit cell in which a fuel electrode and an air electrode are attached to each side of the polymer electrolyte exchange membrane as a polymer ion exchange membrane by hot pressing, and the unit cells are stacked in several layers. It will constitute a fuel cell power generation system ranging from W to several hundred KW.

고분자 전해질 연료 전지를 구성하는 단위 전지에서 전기가 생성되는 과정은 다음과 같다. 연료 전지의 연료는 순수 수소를 이용하거나 메탄이나 에탄올 같은 탄화 수소를 이용하여 소정의 과정을 통해 생산된 수소를 이용하며, 산화제 가스로서의 순수한 산소는 연료 전지의 효율을 높일 수 있지만, 산소 저장에 따른 비용과 연료 전지의 무게가 증가하게 되는 문제가 있다. 따라서 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 다소 떨어지지만 공기를 직접 이용하여 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 열 및 물이 생성된다.The process of generating electricity in the unit cell constituting the polymer electrolyte fuel cell is as follows. The fuel of the fuel cell uses pure hydrogen or hydrogen produced through a predetermined process using hydrocarbons such as methane or ethanol. Pure oxygen as an oxidant gas can increase the efficiency of the fuel cell. There is a problem that the cost and the weight of the fuel cell are increased. Therefore, since the air contains a lot of oxygen, the efficiency is slightly reduced, but electricity, heat and water are generated by using the air directly according to the reaction as in Scheme 1 below.

반응식1Scheme 1

양극반응: H2 → 2H+ + 2e- Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e -

음극반응: O2 + 2e- + 2H+ → H2OCathodic reaction: O 2 + 2e - + 2H + → H 2 O

전체반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열Total reaction: H 2 + O 2 → H 2 O + Current + Heat

이때, 양극(애노드)에서 발생된 전자는 외부 회로를 따라 음극(캐소드)으로 이동하여 산소 가스를 환원하여 산소 이온으로 변환시킨다. 이 산소 이온은, 고분자 전해질막을 통과하여 양극에서 음극으로 이동해 온 수소 이온과, 음극 표면에서 반응하여 물을 생성시키게 된다. 즉, 고분자 전해질 연료 전지의 이온 전도성 전해질막은 양극과 전해질 계면의 촉매 표면에서 생성된 수소 양이온을 음극과 전해질 계면의 촉매 표면으로 이동시켜 음극으로 공급되는 산소와 양극으로부터 외부회로 를 따라 이동해 온 전자가 반응하여 물을 생성하도록 해준다.At this time, the electrons generated at the anode (anode) move to the cathode (cathode) along the external circuit to reduce the oxygen gas to convert to oxygen ions. The oxygen ions react with hydrogen ions that have moved from the positive electrode to the negative electrode through the polymer electrolyte membrane and react with each other on the surface of the negative electrode to generate water. That is, the ion-conducting electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell transfers hydrogen cations generated at the catalyst surface at the anode and electrolyte interface to the catalyst surface at the cathode and electrolyte interface, and electrons moved along the external circuit from oxygen supplied to the cathode and the anode. React to produce water.

연료 전지의 최종 생성 물질은 물과 열 그리고 직류 전류이므로 대기환경 오염을 상당 부분 줄일 수 있다. 게다가 연료 전지는 동력원의 시스템 효율이 50% 이상이고(기존 내연 기관의 효율은 25% 이하이다), NOx, SOx 등이 유해 가스의 배출이 1% 이하인 청정 고효율 발전 시스템이다.The final products of fuel cells are water, heat and direct current, which can significantly reduce air pollution. In addition, the fuel cell is a power source of the system efficiency is 50% or more and (the efficiency of an existing internal combustion engine is less than or equal to 25%), NO x, SO x , etc. This is not more than 1% of the harmful exhaust gas clean high efficiency power generation system.

고분자 전해질 연료 전지 시스템은 전기를 생산하는 연료 전지 본체와, 연료인 천연 가스나 석탄 가스 또는 메탄올 등을 수소로 개질하여 수소가 많은 연료 가스로 만드는 개질기와, 발전된 직류 전기를 교류 전기로 변환시키는 직교류 변압기 및 제어장치와, 발전 과정에서 발생된 열을 계외로 방출하고 이용하기 위한 배열 이용 시스템 등으로 구성된다.The polymer electrolyte fuel cell system includes a fuel cell body that generates electricity, a reformer for reforming natural gas, coal gas, or methanol, which is a fuel, into hydrogen-rich fuel gas, and a direct current converter that converts generated direct current electricity into alternating current electricity. AC transformer and control device, and an array using system for discharging and using heat generated in the power generation process out of the system.

연료 전지 본체는 적층된 수십장의 단위 전지로 구성되며, 연료와 공기 등의 반응 가스가 각 단위 전지로 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 단위 전지는 전해질에 의하여 분리된 연료극과 공기극의 두 전극으로 구성되어 있고, 각 단위 전지는 바이폴라 플레이트에 의해 구성된다.The fuel cell body is composed of dozens of unit cells stacked, and is designed to supply reactant gases such as fuel and air to each unit cell. Basically, each unit cell is composed of two electrodes, a fuel electrode and an air electrode separated by an electrolyte, and each unit cell is constituted by a bipolar plate.

고분자 전해질 연료 전지 시스템에서 바이폴라 플레이트는 기본적으로 고분자 전해질 연료전지용 전극판의 역할을 담당하며, 동시에 연료 전지 반응에 필요한 산화 가스와 연료 가스가 양면으로 공급되는 통로의 역할과 각 단위 전지의 양극과 음극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 수행한다.In the polymer electrolyte fuel cell system, the bipolar plate basically plays the role of an electrode plate for the polymer electrolyte fuel cell, and at the same time serves as a passage for supplying oxidizing gas and fuel gas for both sides of the fuel cell reaction, and the anode and cathode of each unit cell. It acts as a conductor that connects in series.

또한, 바이폴라 플레이트는 산화 가스와 연료 가스의 혼합을 방지하며, 반응 열의 발산을 통한 고분자 전해질 연료 전지 시스템의 온도를 유지하는 역할을 수행한다.In addition, the bipolar plate prevents mixing of the oxidizing gas and the fuel gas, and serves to maintain the temperature of the polymer electrolyte fuel cell system through the dissipation of reaction heat.

현재는 탄소 소재가 바이폴라 플레이트의 재료로서 가장 주목을 받고 있으나, 탄소 소재를 사용한 바이폴라 플레이트가 완전히 상용화되기 위해서는, 특히 자동차 시장에서 상용화되기 위해서는, 아직도 높은 제조비용, 낮은 기계 강도, 불충분한 수소 불투과성 등의 많은 문제점들을 극복해야 한다.At present, carbon materials are receiving the most attention as materials for bipolar plates. However, in order for the bipolar plates using carbon materials to be fully commercialized, especially in the automobile market, they still have high manufacturing cost, low mechanical strength, insufficient hydrogen impermeability. Many problems must be overcome.

이러한 고분자 전해질 연료 전지 시스템에 있어서 낮은 제조비용과 높은 신뢰성을 구현하기 위하여 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 구조 및 제조방법이 중요하다.In such a polymer electrolyte fuel cell system, a structure and a manufacturing method of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell are important to realize low manufacturing cost and high reliability.

이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 제조비용을 줄이면서 동시에 연료 전지의 신뢰성을 개선할 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made in an effort to provide a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell and a method of manufacturing the same, which can reduce manufacturing costs and improve reliability of a fuel cell.

하지만, 전술한 기술적 과제들은 예시적으로 제공된 것이고, 본 발명의 실시예들이 이러한 예시적인 목적에 의해서 제한되는 것은 아니다.However, the above technical problems are provided by way of example, and embodiments of the present invention are not limited by this exemplary purpose.

본 발명의 일 태양에 의한 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트가 제공된다. 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트는 제1금속을 포함하는 모재로 형성되는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트로서, 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면을 부식으로부터 방지하기 위하여, 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 형성된 제2금속의 보호막을 더 포함한다.A bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to one aspect of the present invention is provided. The bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell is a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell formed of a base material including a first metal. It further comprises a protective film of the second metal formed on the physical vapor deposition method (PVD).

상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 일 예에 의하면, 상기 제1금속은 스테인레스강(stainless steel)을 포함하고, 상기 제2금속은 니오 븀(Niobium)을 포함할 수 있다.According to one example of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell, the first metal may include stainless steel, and the second metal may include niobium.

상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 다른 예에 의하면, 상기 니오븀은 두께가 10㎛ 이하일 수 있다. 바람직하게는 상기 니오븀은 두께가 2㎛ 이하일 수 있다.According to another example of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell, the niobium may have a thickness of 10 μm or less. Preferably, the niobium may have a thickness of 2 μm or less.

상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 또 다른 예에 의하면, 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트는 그 표면 또는 그 내부에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위하여 통로가 형성될 수 있다. 이 경우 상기 통로의 측벽 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 형성된 상기 제2금속의 보호막을 더 포함할 수 있다.According to another example of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell, a passage may be formed in the polymer electrolyte fuel cell bipolar plate for the inflow and outflow of the oxidizing gas, the fuel gas or the cooling water. In this case, the second metal may further include a protective film formed on the sidewall of the passage by physical vapor deposition (PVD).

본 발명의 다른 태양에 의한 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법이 제공된다. 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법은 (a) 제1금속을 포함하는 모재로 형성되는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 제2금속의 보호막을 형성하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell is provided. Method for producing a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell includes the steps of: (a) preparing a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell formed of a base material containing a first metal; And (b) forming a protective film of the second metal on the surface of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell by physical vapor deposition (PVD).

상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법의 일 예에 의하면, 상기 (a)단계에서 상기 제1금속은 스테인레스강(stainless steel)을 포함하고, 상기 (b)단계에서 상기 제2금속은 니오븀(Niobium)을 포함할 수 있다.According to one example of the method of manufacturing a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, in step (a), the first metal comprises stainless steel, and in step (b), the second metal is niobium ( Niobium).

상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법의 다른 예에 의하면, 상기 (a)단계와 상기 (b) 단계 사이에 상기 고분자 전해질 연료전지용 바 이폴라 플레이트의 표면 또는 내부에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위한 통로를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 (b) 단계는 상기 통로의 측벽 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 상기 제2금속의 보호막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another example of the method of manufacturing a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, an oxidizing gas, fuel gas, or cooling water may be formed on or inside the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell between steps (a) and (b). The method may further include forming a passage for inflow and outflow of the. In this case, step (b) may further include forming a protective film of the second metal on the sidewall of the passage by physical vapor deposition (PVD).

상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법의 또 다른 예에 의하면, 상기 (b)단계의 상기 물리적 기상 증착법에서 소스 전원은 직류(DC) 전원, 라디오 주파수(Radio Frequency) 전원 또는 펄스 직류(Pulsed DC) 전원이며, 파워는 1W/cm2 내지 22W/cm2이며, 공정 압력은 1.33x10-2 Pa 내지 6.67x10-1 Pa이며, 기판 온도는 25℃ 내지 300℃이며, 바이어스 전압은 0V 내지 -400V 이며, 공정 시간은 30분 내지 수시간일 수 있다.According to another example of the manufacturing method of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell, in the physical vapor deposition method of the step (b) the source power source is a direct current (DC) power source, a radio frequency (Radio Frequency) power source or a pulsed DC (Pulsed DC) ) Power, 1W / cm 2 to 22W / cm 2 , process pressure from 1.33x10 -2 Pa to 6.67x10 -1 Pa, substrate temperature from 25 ° C to 300 ° C, bias voltage from 0V to -400V The process time may be 30 minutes to several hours.

바람직하게는, 상기 소스 전원은 직류(DC) 전원이며, 상기 파워는 6.59W/cm2이며, 상기 공정 압력은 1.33x10-1 Pa이며, 상기 기판 온도는 25℃이며, 상기 바이어스 전압은 0V 이며, 상기 공정 시간은 60분일 수 있다.Preferably, the source power source is a direct current (DC) power source, the power is 6.59W / cm 2 , the process pressure is 1.33x10 -1 Pa, the substrate temperature is 25 ℃, the bias voltage is 0V The process time may be 60 minutes.

본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법에 따르면, 스퍼터링법에 의하여 매우 얇은(예를 들어, 1 um 이하의 두께를 가지는) 니오븀막을 형성할 수 있어 니오븀 사용량을 최소화하여 제조비용을 낮출 수 있다.According to a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention, a very thin niobium film (for example, having a thickness of 1 μm or less) can be formed by a sputtering method, thereby minimizing the use of niobium. The manufacturing cost can be lowered.

또한, 스퍼터링법에 의하여 니오븀막을 형성하는 경우 롤 클래딩 공법에 수반되는 가공경화를 방지할 수 있고 따라서 후속의 추가적인 열처리가 불필요하여 제조비용을 낮출 수 있다. 그리고, 상기 후속의 추가적인 열처리가 불필요하기 때문에 계면층이 발생하지 않아 신뢰성이 높은 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트를 구현할 수 있다.In addition, when the niobium film is formed by the sputtering method, it is possible to prevent the work hardening associated with the roll cladding method, and thus, subsequent additional heat treatment is unnecessary, thereby lowering the manufacturing cost. In addition, since the subsequent additional heat treatment is unnecessary, an interfacial layer does not occur, thereby making it possible to implement a highly reliable bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell.

또한, 스퍼터링법에 의하여 니오븀막을 형성하는 경우 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위한 통로의 측벽을 따라서 니오븀막에 보호되지 못하고 노출되는 모재의 면이 최소화되어 내식성이 개선될 수 있다.In addition, when the niobium film is formed by the sputtering method, the surface of the base material that is not protected and exposed to the niobium film may be minimized along the sidewall of the passage for the inflow and outflow of the oxidizing gas, fuel gas, or cooling water, thereby improving corrosion resistance.

또한, 스퍼터링법에 의하여 니오븀막을 형성하는 경우 진공분위기에서 수행하는 스퍼터링 공정을 사용하므로 불순물 유입을 최소화할 수 있다.In addition, when the niobium film is formed by the sputtering method, since the sputtering process performed in a vacuum atmosphere is used, impurities may be minimized.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

명세서 전체에 걸쳐서 막, 영역, 또는 기판등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Throughout the specification, when referring to one component, such as a film, region, or substrate, being located "on" another component, the one component directly "contacts" the other component, or It may be interpreted that there may be other components intervening in between. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Thus, the first member, part, region, layer or portion, which will be discussed below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.

또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 바이폴라 플레이트의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 바이폴라 플레이트가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트가 다른 방향으로 향한다면, 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.Also, relative terms such as "top" or "above" and "bottom" or "bottom" may be used herein to describe the relationship of certain elements to other elements as illustrated in the figures. It may be understood that relative terms are intended to include other directions of the bipolar plate in addition to the direction depicted in the figures. For example, if the bipolar plate in the figures is turned over, the elements depicted as being on the face of the top of the other elements are oriented on the face of the bottom of the other elements. Thus, the exemplary term "top" may include both "bottom" and "top" directions depending on the particular direction of the figure. If the bipolar plate faces in the other direction, the relative descriptions used herein may be interpreted accordingly.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" may include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Also, as used herein, "comprise" and / or "comprising" specifies the presence of the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements and / or groups of these. It is not intended to exclude the presence or the addition of one or more other shapes, numbers, acts, members, elements and / or groups.

본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트를 구성하는 재료로서 기존의 탄소 소재를 대체하는 금속 재료를 개시한다. 특히, 자동차 응용분야에 있어서 금속 재료는 다양한 설계상의 이점들을 제공한다. 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에서 금속 재료를 사용할 경우 우선, 스탬핑(stamping) 등의 공정을 이용한 저가의 대량생산 가능하며, 매우 얇게 가공이 가능함으로 고분자 전해질 연료 전지 시스템의 경량화 및 소형화가 가능하다. 또한, 우수한 수소 불투과성과 우수한 열전도성 및 우수한 기계강도를 구현할 수 있다.The present invention discloses a metal material replacing a conventional carbon material as a material constituting a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell. In particular, metal materials offer various design advantages in automotive applications. In the case of using a metal material in a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, first of all, it is possible to mass-produce inexpensive mass using a process such as stamping, and can be made very thin, thereby making the polymer electrolyte fuel cell system lighter and smaller in size. In addition, excellent hydrogen impermeability and excellent thermal conductivity and excellent mechanical strength can be realized.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자 전해질 연료 전지 시스템에서 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트는 제1금속을 포함하는 모재로 형성된다. 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트가 상기 제1금속을 포함하는 모재로 형성된다는 것은 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 본체가 상기 제1금속을 포함하는 물질로 형성된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 제1금속은 스테인레스강(stainless steel)을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell in a polymer electrolyte fuel cell system is formed of a base material including a first metal. The bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell formed of a base material containing the first metal means that the main body of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell is formed of a material containing the first metal. For example, the first metal may include stainless steel.

한편, 금속 재료를 기반으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레 이트는 표면 부식에 취약하다는 단점을 갖고 있다. 금속 재료를 사용한 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 부식은 전해질 막을 오염시키고 바이폴라 플레이트 자체의 수명과 전기전도도를 감소시켜 고분자 전해질 연료 전지 시스템의 성능을 급격히 저하시킨다.On the other hand, bipolar plates for polymer electrolyte fuel cells based on metal materials have the disadvantage of being susceptible to surface corrosion. Surface corrosion of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell using a metal material contaminates the electrolyte membrane and decreases the lifetime and electrical conductivity of the bipolar plate itself, thereby drastically degrading the performance of the polymer electrolyte fuel cell system.

본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 부식을 방지하기 위하여 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 상에 형성되는 제2금속으로 구성되는 보호막을 개시한다. 상기 제2금속은 우수한 내식성을 가지는 물질인 것이 바람직하며, 예를 들어, 상기 제2금속은 니오븀(Niobium)을 포함할 수 있다. 하지만 니오븀(Niobium)은 고가의 재료로서 금속 재료를 사용하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 생산단가가 크게 증가할 수 있는 요인이 될 수 있다.The present invention discloses a protective film composed of a second metal formed on the surface of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell in order to prevent surface corrosion of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell. The second metal is preferably a material having excellent corrosion resistance. For example, the second metal may include niobium. However, niobium may be a factor that can significantly increase the production cost of bipolar plates for polymer electrolyte fuel cells using metal as an expensive material.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이러한 단점(고가의 니오븀 사용)을 극복하기 위하여, 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 모재인 스테인레스강(stainless steel)의 표면 상에 롤 클래딩(Roll cladding) 공법으로 니오븀(Niobium)막을 코팅하여 생산단가를 낮출 수 있다. 롤 클래딩 공법은 상대적으로 얇은 막을 형성할 수 있어 니오븀 박막을 구현할 수 있다. 그러나, 롤 클래딩 공정에서 발생된 극심한 가공경화로 인해 가공성이 저하될 수 있다. 따라서, 가공경화를 제거하기 위하여 후속 어닐링(annealing) 공정이 요구되는데, 이러한 롤 클래딩 공정에 이어지는 어닐링 공정은 비록 가공경화를 제거하여 니오븀이 클래딩된 스테인레스강의 전체적인 연성을 증가시키지만 니오븀막과 모재인 스테인레스강 사이에 계면층(interfacial layer)이 형성되는 원인이 된다. 이 때 발생된 계면층은 일반적으로 취성을 가지며, 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트를 가공할 때 니오븀 보호막이나 스테인레스강 모재보다 먼저 파괴되어 니오븀 보호막에 응력집중을 일으킴으로써 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 설계에서 추가적인 설계제한요소를 유발시킨다.According to another embodiment of the present invention, in order to overcome this disadvantage (expensive use of niobium), niobium by a roll cladding method on the surface of stainless steel which is a base material of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell The production cost can be reduced by coating (Niobium) film. The roll cladding method can form a relatively thin film to implement a niobium thin film. However, extreme work hardening generated in the roll cladding process may reduce workability. Therefore, a subsequent annealing process is required to remove the work hardening. The annealing process following this roll cladding process increases the overall ductility of the niobium cladding stainless steel although the work hardening is eliminated, but the niobium film and the base stainless steel This causes the formation of an interfacial layer between the steels. The interfacial layer generated at this time is generally brittle, and when the bipolar plate for polymer electrolyte fuel cell is processed, it breaks before the niobium protective film or stainless steel base material, causing stress concentration on the niobium protective film. Induces additional design constraints.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 모재인 스테인레스강(stainless steel)의 표면 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 형성된 제2금속의 보호막을 개시한다. 상기 제2금속은 니오븀(Niobium)을 포함할 수 있다. 물리적 기상 증착법(PVD)에 의해 니오븀막을 형성할 경우, 롤 클래딩 공법보다 더 얇은 니오븀막을 구현할 수 있으므로, 상대적으로 생산단가를 더 낮출 수 있다. 상기 물리적 기상 증착법에 의해 형성되는 니오븀은 두께가 10㎛ 이하일 수 있다. 바람직하게는 상기 니오븀은 두께가 2㎛ 이하일 수 있다.According to still another embodiment of the present invention, a protective film of a second metal formed by physical vapor deposition (PVD) on a surface of stainless steel which is a base material of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell is disclosed. The second metal may include niobium. When the niobium film is formed by physical vapor deposition (PVD), a thinner niobium film can be realized than the roll cladding method, thereby lowering the production cost. Niobium formed by the physical vapor deposition method may have a thickness of 10 μm or less. Preferably, the niobium may have a thickness of 2 μm or less.

물리적 기상 증착법(PVD)은 진공증착법(Evaporation)과 스퍼터링(Sputtering)법 등을 포함한다. 진공증착법은 박막으로 만들고자 하는 물질을 챔버 내에 설치하고 상기 물질에 열을 가하거나 전자를 주사하여 상기 물질의 표면을 분리시켜 이웃하는 목표물의 표면에 증착시키는 방법이다. 스퍼터링법은 챔버 내에 플라즈마를 형성시키고 전압을 인가하고, 플라즈마 내의 이온이 가속되어 박막으로 만들고자 하는 물질의 표면에 충돌되어 튀어져 나온 물질을 목표물의 표면에 증착시키는 방법이다.Physical vapor deposition (PVD) includes a vacuum evaporation (Evaporation), sputtering (Sputtering) method and the like. In the vacuum deposition method, a material to be formed into a thin film is installed in a chamber, heat is applied to the material, or electrons are scanned to separate the surface of the material and deposit it on the surface of a neighboring target. Sputtering is a method of forming a plasma in a chamber, applying a voltage, and depositing a substance on the surface of a target that is splashed and collided with a surface of a material to be accelerated to form a thin film.

이하에서는, 스퍼터링법에 의하여 니오븀 보호막을 형성한 본 발명의 실험방법의 일실시예에 대하여 상술한다.Hereinafter, an embodiment of the experimental method of the present invention in which the niobium protective film is formed by the sputtering method will be described in detail.

우선, 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 모재인 제1금속은 스테인리스강의 일종인 316L(STS316L)을 사용하였다. 시편은 스퍼터링 이전에 폴리싱(polishing)을 통해 경면처리를 하였으며, 경면처리 후 초음파 세척기를 이용하여 아세톤 및/또는 에탄올로 세척을 하였다. 본 실험에 사용한 스퍼터링 장치는 스퍼터 건(sputter gun)이 기판의 중심으로 향하고 있으며 60mm의 간격으로 상하배열 시켰다. 니오븀 소스(Nb source)로는 직경 76.2 mm, 두께 6.25 mm의 니오븀(4N) 디스크를 사용하였다. 불순물에 인한 오염을 최소화 하기 위하여 로드락(loadlok)을 이용하여 시편을 장입하였으며 로타리 펌프와 터보분자 펌프를 사용해 초기 진공도를 6.67x10-5 Pa로 안정하게 유지하였다. 니오븀막을 증착하기 위해 직류(DC) 스퍼터링에 사용된 전력은 약 6.59W/cm2로 고정하였다. 또한 스퍼터링에 사용된 아르곤(Ar) 가스의 총량은 30 SCCM이며 공정압력은 1.33x10-1 Pa로 고정하였으며, 공정시간은 55분 이었다. 이와 같은 공정변수로 스퍼터링을 시행하여 1.5 um 두께의 니오븀막을 증착하였다(도 1 참조).First, 316L (STS316L), which is a kind of stainless steel, was used as a base metal of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell. Specimens were polished prior to sputtering by polishing, followed by washing with acetone and / or ethanol using an ultrasonic cleaner. In the sputtering apparatus used in this experiment, the sputter gun is directed toward the center of the substrate, and is arranged up and down at intervals of 60 mm. As a niobium source, a niobium (4N) disk having a diameter of 76.2 mm and a thickness of 6.25 mm was used. In order to minimize contamination due to impurities, the specimens were loaded using loadlok and the initial vacuum was maintained at 6.67x10 -5 Pa using a rotary pump and a turbomolecular pump. The power used for direct current (DC) sputtering to deposit the niobium film was fixed at about 6.59 W / cm 2 . In addition, the total amount of argon (Ar) gas used for sputtering was 30 SCCM, the process pressure was fixed to 1.33x10 -1 Pa, the process time was 55 minutes. Sputtering was carried out with such process variables to deposit a niobium film having a thickness of 1.5 um (see FIG. 1).

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 물리적 기상 증착법에서 소스 전원은 직류(DC) 전원, 라디오 주파수(Radio Frequency) 전원 또는 펄스 직류(Pulsed DC) 전원이며, 파워는 1W/cm2 내지 22W/cm2이며, 공정 압력은 1.33x10-2 Pa 내지 6.67x10-1 Pa이며, 기판 온도는 25℃ 내지 300℃이며, 바이어스 전압은 0V 내지 -1000V 이며, 공정 시간은 30분 내지 수시간일 수 있으며, 바람직하게는 상기 소스 전원은 직류(DC) 전원이며, 상기 파워는 약 6.59W/cm2이며, 상기 공정 압력은 1.33x10-1 Pa이며, 상기 기판 온도는 25℃이며, 상기 바이어스 전압은 0V 이며, 상기 공정 시간은 60분일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the physical vapor deposition method, the source power source is a direct current (DC) power source, a radio frequency power source (Radio Frequency) power source or a pulsed DC power source (Pulsed DC power source), the power is 1W / cm 2 ~ 22W / cm 2 , the process pressure is 1.33x10 -2 Pa to 6.67x10 -1 Pa, the substrate temperature is 25 ℃ to 300 ℃, the bias voltage is 0V to -1000V, the process time can be 30 minutes to several hours, Preferably the source power source is a direct current (DC) power source, the power is about 6.59 W / cm 2 , the process pressure is 1.33x10 -1 Pa, the substrate temperature is 25 ℃, the bias voltage is 0V The process time may be 60 minutes.

그러나, 이러한 공정 조건들은 예시적인 것이며 상기 범위에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아닌 것은 명백하다.However, it is apparent that such process conditions are exemplary and the scope of the present invention is not limited by the above range.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 전기전도성 실험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 내식성 실험 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the electrical conductivity test results of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figure 3 shows the corrosion resistance test results of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. It is a graph.

우선, 도 2를 참조하면, 스퍼터링법에 의하여 약 2 um 이하의 두께를 가지는 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강과 롤 클래딩법에 의하여 수십 um 두께를 가지는 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강에 대하여 접촉 저항을 측정한 결과를 도시하였다. 이에 의하면, 스퍼터링법에 의하여 약 2 um 이하의 두께를 가지는 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강이 DOE 목표치를 만족함은 물론, 롤 클래딩법에 의하여 수십 um 두께를 가지는 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강보다 더 우수한 전기전도성을 가지는 것을 확인할 수 있다.First, referring to Figure 2, the contact resistance of the stainless steel formed on the surface of the niobium protective film having a thickness of about 2 um or less by the sputtering method and the stainless steel formed on the surface of the niobium protective film having a thickness of tens of um by the roll cladding method The measurement results are shown. According to this method, the stainless steel formed on the surface of the niobium protective film having a thickness of about 2 μm or less by the sputtering method satisfies the DOE target value, and the niobium protective film having the tens of um thickness by the roll cladding method is higher than the stainless steel formed on the surface. It can be seen that it has a better electrical conductivity.

도 3을 참조하면, 스퍼터링법에 의하여 약 2 um 이하의 두께를 가지는 니오 븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강에 대하여 300시간의 부식 실험 전후의 접촉 저항을 측정한 결과를 도시하였다. 이에 의하면, 스퍼터링법에 의하여 약 2 um 이하의 두께를 가지는 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강은 DOE 목표치를 만족하면서 내식성을 여전히 유지하고 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, the result of measuring contact resistance before and after a corrosion test for 300 hours on a stainless steel having a niobium protective film having a thickness of about 2 μm or less formed on the surface by a sputtering method is illustrated. According to this, it can be confirmed that the stainless steel formed on the surface of the niobium protective film having a thickness of about 2 μm or less by the sputtering method still satisfies the DOE target value and still maintains corrosion resistance.

계속하여 스퍼터링법에 의하여 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강을 사용하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 대한 전기화학적 성능을 살펴본다.Subsequently, the electrochemical performance of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell using stainless steel having a niobium protective film formed on its surface by a sputtering method will be described.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 캐소드 환경에서의 전기화학적 성능을 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the electrochemical performance in the cathode environment of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 스퍼터링법에 의하여 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강을 사용하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트가 캐소드(cathode) 환경에서의 전기화학적 성능에 대하여 미국 DOE가 제시하고 있는 목표치를 만족하면서 매우 빠르게 안정화되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell using stainless steel having a niobium protective film formed on a surface thereof by a sputtering method satisfies a target value proposed by the US DOE for electrochemical performance in a cathode environment. You can see that it stabilizes very quickly.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 애노드 환경에서의 전기화학적 성능을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the electrochemical performance in the anode environment of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 스퍼터링법에 의하여 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강을 사용하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트가 애노드(anode) 환경에서의 전기화학적 성능에 대하여 미국 DOE가 제시하고 있는 목표치를 만족하면서 매우 빠르게 안정화되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell using stainless steel having a niobium protective film formed on a surface thereof by a sputtering method satisfies a target value proposed by the US DOE for electrochemical performance in an anode environment. You can see that it stabilizes very quickly.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레 이트의 공기 환경에서의 분극 곡선을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing a polarization curve in an air environment of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 스퍼터링법에 의하여 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강을 사용하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 대한 공기(air) 환경에서의 분극 곡선(polarization curve)이 도시되는데, 고분자 전해질 연료전지 사용시의 캐소드 포텐셜(cathode potential)에서의 전류 밀도가 미국 DOE가 제시하고 있는 목표치를 만족하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, a polarization curve in an air environment for a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell using stainless steel having a niobium protective film formed on its surface by a sputtering method is illustrated. It can be seen that the current density at the cathode potential in use satisfies the target set by the US DOE.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 수소 환경에서의 분극 곡선을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing a polarization curve in a hydrogen environment of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 스퍼터링법에 의하여 니오븀 보호막이 표면에 형성된 스테인레스강을 사용하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 대한 수소(H2) 환경에서의 분극 곡선(polarization curve)이 도시되는데, 고분자 전해질 연료전지 사용시의 애노드 포텐셜(anode potential)에서의 전류 밀도가 미국 DOE가 제시하고 있는 목표치를 만족하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, a polarization curve in a hydrogen (H 2 ) environment for a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell using stainless steel having a niobium protective film formed on its surface by a sputtering method is illustrated. It can be seen that the current density at the anode potential when using the cell satisfies the target set by the US DOE.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트는 그 표면 또는 그 내부에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위하여 통로가 형성될 수 있다. 이 경우 상기 통로의 측벽 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 형성된 상기 제2금속(예를 들어, 니오븀)의 보호막이 더 형성될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell may have a passage formed on the surface or inside thereof for the inflow and outflow of oxidizing gas, fuel gas or cooling water. In this case, a protective film of the second metal (eg, niobium) formed by physical vapor deposition (PVD) may be further formed on the sidewall of the passage.

니오븀 클래딩된 스테인레스강의 경우 클래딩 공법으로 니오븀막이 표면에 형성된 스테인레스강판을 먼저 준비하고 그 이후에 바이폴라 플레이트 형태로 가공되기 때문에, 내부에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위한 통로의 제작 등을 위해서 펀칭(punching) 등의 공정을 거칠 경우 통로(예를 들어, 구멍이나 홀)의 측벽을 따라서 니오븀막에 보호되지 못하는 모재(예를 들어, 스테인레스강) 면이 노출될 수 있다. 이는 표면 부식의 원인이 될 수 있는 취약 부분이 될 수 있다. In the case of niobium clad stainless steel, a stainless steel sheet having a niobium film formed on its surface is first prepared by a cladding method and then processed into a bipolar plate. When a process such as punching is performed, a surface of the base material (eg, stainless steel) that is not protected by the niobium film may be exposed along the sidewall of the passage (eg, a hole or a hole). This can be a fragile part that can cause surface corrosion.

그러나 니오븀막을 물리적 기상 증착법(PVD)에 의해 형성하는 경우 바이폴라 플레이트의 형태로 완성된(그 표면 또는 그 내부에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위하여 통로가 이미 형성된) 스테인레스강에 후속적으로 니오븀막을 입힐 수 있기 때문에 니오븀에 보호되지 못하는 모재(예를 들어, 스테인레스강)면의 노출을 피할 수 있다. 즉, 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 또는 내부에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위한 통로를 형성하는 단계가 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 제2금속의 보호막을 형성하는 단계 이전에 수행되기 때문에 바이폴라 플레이트의 표면의 부식을 방지하는데 있어 효과적이다.However, when the niobium film is formed by physical vapor deposition (PVD), it is subsequently applied to a stainless steel finished in the form of a bipolar plate (with passages already formed thereon for the inflow and outflow of oxidizing gas, fuel gas or cooling water on or on its surface). Since the niobium film can be coated, exposure to the surface of the base material (for example, stainless steel) that is not protected by niobium can be avoided. That is, the step of forming a passage for the inflow and outflow of the oxidizing gas, the fuel gas, or the cooling water on the surface of or inside the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell is performed by physical vapor deposition (PVD) on the surface of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell. It is effective in preventing corrosion of the surface of the bipolar plate because it is performed before forming the protective film of the metal.

한편, 앞에서 설명한 니오븀 보호막은 스퍼터링법을 포함하는 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 형성되는 구조 및 방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 화학적 기상 증착법(CVD)에 의해 니오븀 보호막을 스테인레스강의 표면 상에 형성할 수도 있다. 이 경우 일반적으로 화학적 기상 증착법이 물리적 기상 증착법보다 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 가지므로, 고분자 전 해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 또는 내부에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위한 통로의 측벽 상에 니오븀 보호막을 형성하는 데 있어 유리하다. Meanwhile, the above-described niobium protective film has been described in terms of the structure and method formed by physical vapor deposition (PVD) including sputtering. However, the present invention is not limited thereto, and the niobium protective film may be formed of stainless steel by chemical vapor deposition (CVD). It may be formed on the surface. In this case, chemical vapor deposition generally has better step coverage than physical vapor deposition, and thus, on the sidewalls of the passageway for the inflow and outflow of oxidizing gas, fuel gas or cooling water on the surface or inside of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell. It is advantageous in forming a niobium protective film.

본 발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.The foregoing description of specific embodiments of the present invention has been presented for purposes of illustration and description. Therefore, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes are possible in the technical spirit of the present invention by combining the above embodiments by those skilled in the art. It is obvious.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스퍼터링법에 의하여 형성된 니오븀막에 대한 SEM 촬영 사진이고,1 is a SEM photograph of a niobium film formed by the sputtering method according to an embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 전기전도성 실험 결과를 나타낸 그래프이고,Figure 2 is a graph showing the results of the electrical conductivity test of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 내식성 실험 결과를 나타낸 그래프이고,Figure 3 is a graph showing the results of the corrosion resistance test of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 캐소드 환경에서의 전기화학적 성능을 나타내는 그래프이고,4 is a graph showing the electrochemical performance in the cathode environment of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 애노드 환경에서의 전기화학적 성능을 나타내는 그래프이고,5 is a graph showing the electrochemical performance in the anode environment of the bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 공기 환경에서의 분극 곡선을 나타내는 그래프이고,6 is a graph showing a polarization curve in an air environment of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 수소 환경에서의 분극 곡선을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing a polarization curve in a hydrogen environment of a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

Claims (10)

제1금속을 포함하는 모재로 형성되는 고분자 전해질(Polymer Electrolyte Membrane,PEM) 연료전지용 바이폴라 플레이트로서,A bipolar plate for a polymer electrolyte (PEM) fuel cell formed of a base material including a first metal, 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면을 부식으로부터 방지하기 위하여, 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 형성된 제2금속을 포함하는 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.In order to prevent the surface of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell from corrosion, further comprising a protective film comprising a second metal formed by physical vapor deposition (PVD) on the surface of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell. A bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1금속은 스테인레스강(stainless steel)을 포함하고, 상기 제2금속은 니오븀(Niobium)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.The first metal comprises a stainless steel, the second metal comprises niobium (Niobium) bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 니오븀은 두께가 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.The niobium is a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the thickness is 2㎛ or less. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트는 그 표면 또는 그 내부 에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위하여 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.The bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that a passage is formed on the surface or inside thereof for the inflow and outflow of oxidizing gas, fuel gas or cooling water. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 통로의 측벽 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 형성된 상기 제2금속의 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.And a protective film of the second metal formed on the sidewall of the passage by physical vapor deposition (PVD). (a) 제1금속을 포함하는 모재로 형성되는 고분자 전해질(Polymer Electrolyte Membrane,PEM) 연료전지용 바이폴라 플레이트를 준비하는 단계; 및(A) preparing a polymer electrolyte (Polymer Electrolyte Membrane, PEM) fuel cell bipolar plate formed of a base material containing a first metal; And (b) 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 상에 물리적 기상 증착법(PVD)에 의하여 제2금속을 포함하는 보호막을 형성하는 단계;를 포함하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.(b) forming a protective film containing a second metal on the surface of the bipolar plate for polymer electrolyte fuel cell by physical vapor deposition (PVD). 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 (a)단계에서 상기 제1금속은 스테인레스강(stainless steel)을 포함하고, 상기 (b)단계에서 상기 제2금속은 니오븀(Niobium)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.In step (a), the first metal comprises stainless steel, and in step (b), the second metal comprises niobium (Niobium). Manufacturing method. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 (a)단계와 상기 (b) 단계 사이에 상기 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 표면 또는 내부에 산화 가스, 연료 가스 또는 냉각수의 유출입을 위한 통로를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.And forming a passage for flowing in and out of the oxidizing gas, the fuel gas, or the cooling water on the surface or inside of the bipolar plate for the polymer electrolyte fuel cell between the step (a) and the step (b). Method for producing a bipolar plate for an electrolyte fuel cell. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 (b)단계의 상기 물리적 기상 증착법에서 소스 전원은 직류(DC) 전원, 라디오 주파수(Radio Frequency) 전원 또는 펄스 직류(Pulsed DC) 전원이며, 파워는 1W/cm2 내지 22W/cm2이며, 공정 압력은 1.33x10-2 Pa 내지 6.67x10-1 Pa이며, 기판 온도는 25℃ 내지 300℃이며, 바이어스 전압은 0V 내지 -1000V 인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.In the physical vapor deposition method of the step (b), the source power source is a direct current (DC) power source, a radio frequency power source (Radio Frequency) power source or a pulsed DC power source (Pulsed DC power source), the power is 1W / cm 2 to 22W / cm 2 , Process pressure is 1.33x10 -2 Pa to 6.67x10 -1 Pa, the substrate temperature is 25 ℃ to 300 ℃, the bias voltage is a method for producing a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that 0V to -1000V. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 (b)단계의 상기 물리적 기상 증착법에서 소스 전원은 직류(DC) 전원이며, 파워는 6.59W/cm2이며, 공정 압력은 1.33x10-1 Pa이며, 기판 온도는 25℃이며, 바이어스 전압은 0V인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.In the physical vapor deposition method of step (b), the source power source is a direct current (DC) power source, the power is 6.59 W / cm 2 , the process pressure is 1.33 × 10 −1 Pa, the substrate temperature is 25 ° C., and the bias voltage is A method of manufacturing a bipolar plate for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that 0V.
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