燃料電池隔板的涂覆方法以及燃料電池隔板與流程

本申請要求于2015年7月27日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請號10-2015-0106104的優先權，通過引證將其全部內容結合與此。
技術領域：
本公開涉及燃料電池隔板(隔膜，separator)的涂覆方法和燃料電池隔板。
背景技術：
：燃料電池堆棧(fuelcellstack)可以包括組裝裝置，該組裝裝置組裝重復堆疊部件如電極膜、隔板(separator)、氣體擴散層，和具有堆疊模塊的墊圈，連同保護堆棧的外殼、非重復部件如與車輛、高電壓接插件(high-voltageconnector)等等的接口(interface)所需要的部件。燃料電池堆棧是一種裝置，其中氫氣和在空氣中的氧氣彼此反應從而釋放電、水，和熱，但是因為高壓電(highvoltageelectricity)、水，和氫氣共存于相同的地方，所以在燃料電池堆棧中存在許多危險因素。特別地，關于燃料電池隔板，因為在驅動燃料電池的時候產生的氫陽離子直接接觸燃料電池隔板，所以進一步要求抗腐蝕性，并且在采用金屬隔板而無表面處理的情況下，金屬會被腐蝕，并且在金屬表面上可以形成充當電絕緣體的氧化物，從而降低導電性。在這種情況下，被解離從而被洗脫的金屬陽離子污染膜電極組件(MEA)，從而惡化燃料電池的性能。在碳基隔板普遍用作為燃料電池隔板的情況下，存在在工藝中產生的裂縫將留在燃料電池中的高風險，考慮到強度和透氣性而很難使隔板變薄，并且存在加工性的問題，等等。同時，鑒于由于優異的撓性的可成形性和生產率，金屬隔板是有利的。此外，它可以是薄的，使得堆棧可以是小型化的。然而，由于因腐蝕所引起的MEA的污染和由表面氧化層的形成所引起的接觸電阻的增加，堆棧的性能會惡化。因此，需要一種能夠抑制表面腐蝕和氧化層生長的表面處理方法。在此背景部分中公開的以上信息只是為了增強對本發明構思的背景的理解，因此它可能含有并不形成這個國家對于本領域的普通技術人員已知的現有技術的信息。技術實現要素：本公開已經進行了努力從而提供燃料電池隔板的涂覆方法。此外，本公開已經進行了努力從而提供燃料電池隔板。本公開已經進行了努力從而提供用于燃料電池隔板的前驅體(precursor)。本發明構思的示例性的實施方式提供燃料電池隔板的涂覆方法，包括以下步驟：汽化前驅體以制備前驅體氣體；將前驅體氣體和反應氣體(reactivegas)引入至反應室；通過將電壓施加至反應室以把前驅體氣體和反應氣體轉變成等離子態從而在基材上形成涂覆層。前驅體可以含有由化學式1所表示的化合物：[化學式1]其中，R1至R8各自獨立地是取代的或未取代的C1至C10烴基基團，N是氮，并且Me是Ti、Cr、Mo、W、Cu，或Nb。此外，前驅體可以進一步含有由化學式2所表示的化合物，其中，由化學式1所表示的化合物和由化學式2所表示的化合物是彼此不同的：[化學式2]其中，R9至R16各自獨立地是取代的或未取代的C1至C10烴基基團，N是氮，Me是Ti、Cr、Mo、W、Cu，或Nb。所有R9至R16可以都是甲基(CH3)基團。在基材上形成涂覆層可以在200℃或更低的溫度范圍內進行。汽化前驅體以制備前驅體氣體可以在50至80℃的溫度范圍內進行。反應氣體可以包括烴氣體；惰性氣體；和氮化合物氣體或氮氣。烴氣體可以是選自C2H2、CH4，和它們的組合的物質，惰性氣體可以是Ar，并且氮化合物可以是NH3。此外，涂覆方法可以進一步包括，在通過將前驅體氣體和反應氣體轉變成等離子態從而在基材上形成涂覆層之后，賦予疏水或親水基團。賦予疏水或親水基團可以將選自由CF4、O2、CO2、聚二甲硅氧烷(PDMS)，三甲基甲硅烷(TMS)，和它們的組合組成的組的氣體轉變成等離子態從而使F、O、Si，或它們的組合與涂覆層的表面進行反應。本發明構思的另一種實施方案提供了燃料電池隔板，包括：基材；和位于基材的一個表面或兩個表面上的涂覆層，其中涂覆層含有具有SP2結構的碳；和選自Ti、Cr、Mo、W、Cu、Nb，和它們的組合的物質的氮化物。在涂覆層中，具有SP2結構的碳的含量范圍可以是40％至70％，并且剩余部分可以是選自Ti、Cr、Mo、W、Cu、Nb，和它們的組合的物質的氮化物。涂覆層可以具有20nm至1000nm的厚度。涂覆層可以進一步含有選自F、O、Si，和它們的組合的物質。本發明構思的又另一種實施方式提供了含有由化學式1所表示的化合物的用于燃料電池隔板的前驅體。前驅體可以進一步含有由化學式2所表示的化合物，并且由化學式1所表示的化合物和由化學式2所表示的化合物彼此可以是不同的。根據本發明構思的實施方式，涂覆層可以在低溫形成，使得基材的變形最小化。根據本發明構思的實施方式，涂覆層可以在低溫形成，使得可以降低制造成本。根據本發明構思的實施方式，涂覆層可以通過等離子增強化學汽相沉積(PECVD)工藝形成，使得甚至在大面積涂覆層或涂覆層大規模生產的情況下，也可以形成涂覆層。附圖說明圖1是示出了在根據本發明構思的示例性的實施方式的燃料電池隔板上形成涂覆層的等離子增強化學汽相沉積(PECVD)裝置的模擬視圖。圖2是示出了隨在實施例中的反應室溫度的接觸電阻和腐蝕電流的圖表。圖3A-3D是示出了各沉積溫度的涂覆的隔板的表面的照片(A：室溫；B：200℃；C：300℃；D：400℃)。圖4(a)和4(b)是示出了隔板-隔板的接觸電阻的測量方法的示意圖。圖5(a)和5(b)是示出了氣體擴散層(GDL)-隔板的接觸電阻的測量方法的示意圖。附圖標號：20：隔板30：集電體40：氣體擴散層(GDL)。具體實施方式參照附圖，從下面詳細描述的示例性的實施方式，將闡述本發明構思的優點和特征以及實現它們的方法。然而，本發明構思不限于在本文中所公開的示例性的實施方式而是將以各種形式實施。示例性的實施方式使本發明構思充分公開并且被提供使得本領域的技術人員可以容易地理解本發明構思的范圍。因此，本發明構思將由所附的權利要求的范圍限定。整個說明書的相似的附圖標記表示相似的元件。因此，為了避免模糊的本發明構思的解釋，本領域熟知的技術的詳細說明將在示例性的實施方式中省略。除非另有限定，在本申請的說明書中使用的所有術語(包括技術名詞和科學術語)可以被用作為本發明構思所涉及的領域中的技術人員所通常理解的一般含義。整個本申請的說明書，除非相反地明確描述，詞語“包括”和變形如“包含”或“含有”將被理解為意指包括所述元素但示不排除任何其它元素。除非相反地明確描述，在本申請的說明書中，單數形式包括復數形式。除非另有限定，正如在本文中所使用的，術語“取代的”是指用C1至C30烴基基團；C1至C10烴基甲硅烷基基團；C3至C30環烷基基團；C6至C30芳基基團；C2至C30雜芳基基團；C1至C10烴氧基基團；氟基團或C1至C10三氟烴基基團如三氟甲基基團等；或氰基基團取代的化合物。除非另有限定，正如在本文中所使用的，術語“它們的組合”是指兩個或更多個取代基通過連接基彼此結合或兩個或更多個取代基彼此縮合并結合。除非另有限定，正如在本文中所使用的，術語“烴基基團”包括不含任何的烯基基團或炔基基團的“飽和烴基基團”和含有至少一個烯基或炔基的“不飽和烴基基團”。“烯基”是指至少兩個碳原子的至少一個碳碳雙 鍵的取代基，并且“炔基”是指至少兩個碳原子的至少一個碳碳三鍵的取代基。烴基基團可以是支鏈的、直鏈的、或環狀的烴基基團。烴基基團可以是C1至C20烴基基團，更具體地，C1至C6低級烴基基團，C7至C10中級烴基基團，或C11至C20高級烴基基團。例如，C1至C4烴基基團是指1至4個碳原子存在于烴基鏈中，并且C1至C4烴基基團可以選自由甲基、乙基、丙基、異丙基、正丁基、異丁基、仲丁基，和叔丁基組成的組。烴基基團的典型實例包括甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基、異丁基、叔丁基、戊基、己基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、環丙基、環丁基、環戊基、環己基，等。圖1是示出了在根據本發明構思的示例性的實施方式的燃料電池隔板上形成涂覆層的等離子增強化學汽相沉積(PECVD)裝置的模擬視圖。參照圖1，在本發明構思的示例性的實施方式中使用的PECVD裝置包括反應室10(在反應室10中維持真空狀態并可以形成等離子體)，和向反應室供應反應氣體、前驅體氣體等的氣體供應裝置。此外，用于在室中形成真空的真空泵連接至反應室10，并且基材(隔板)位于安裝在反應室10中的電極11之間。當由電源供應裝置12供應電能時，在反應室中的氣體被轉變成等離子態。聚合在等離子態中的氣體從而涂覆在基材20的表面上。首先，前驅體氣體通過汽化前驅體制備。前驅體可以含有通過以下化學式1所表示的化合物：[化學式1]其中，R1至R8各自獨立地是取代的或未取代的C1至C10烴基基團，N是氮，并且Me是Ti、Cr、Mo、W、Cu，或Nb。此外，前驅體可以進一步含有通過以下化學式2所表示的化合物，并且由化學式1所表示的化合物和由化學式2所表示的化合物彼此可以是不同的：[化學式2]其中，R9至R16各自獨立地是取代的或未取代的C1至C10烴基基團，N是氮，并且Me是Ti、Cr、Mo、W、Cu，或Nb。所有R1至R8可以都是甲基(CH3)基團。可以在50℃至80℃汽化前驅體。當前驅體的溫度高于80℃時，前驅體的特性可以因熱而改變。將前驅體氣體和反應氣體引入至反應室。反應氣體可以包括烴氣體；惰性氣體；氮化合物氣體或氮氣。烴氣體可以是選自C2H2，CH4，和它們的組合的物質，惰性氣體可以是Ar，并且氮化合物可以是NH3。當將前驅體氣體和反應氣體引入至反應室時，通過將電壓施加至反應室將前驅體氣體和反應氣體轉變成等離子態。轉變成等離子態的氣體沉積在基材的表面上從而被聚合并在其上涂覆。在這種情況下，在基材上形成涂覆層可以在200℃或更低的溫度范圍內進行。在高于200℃的溫度下進行沉積的情況下，接觸電阻和腐蝕電流會增加。在基材上形成涂覆層，溫度范圍的下限并沒有特別限定。然而，在低于100℃的溫度下進行沉積的情況下，汽化的前驅體會凝聚，或前驅體會不完全分解，使得接觸電阻增加。此外，在基材上形成涂覆層時，反應室的壓力可以是0.01至10托(Torr)。當反應室的壓力小于0.01托時，分解的離子的量是小的，使得沉積速度降低，當壓力大于10托時，粘附性可能惡化。此外，根據在本發明構思中的示例性的實施方式的燃料電池隔板的涂覆方法可以進一步包括，通過將前驅體氣體和反應氣體轉變成等離子態從而在基材上形成涂覆層之后，賦予疏水或親水基團。賦予疏水或親水基團可以將選自由CF4、O2、CO2、聚二甲硅氧烷(PDMS)，三甲基甲硅烷(trimethylsilyl)(TMS)，和它們的組合組成的組的氣體轉變成等離子態從而使F、O、Si、或它們的組合與涂覆層的表面進行反應。根據本發明構思的示例性的實施方式的燃料電池隔板可以包括：基材；位于基材的一個表面或兩個表面上的涂覆層，其中涂覆層含有具有SP2結構的碳；和選自Ti、Cr、Mo、W、Cu、Nb，和它們的組合的物質的氮化物。SP2結構是其中一個碳與存在于相同平面中的三個相鄰的原子鍵合的一種結構。這里，以100at％的整個涂覆層為基準，具有SP2結構的碳的含量可以是40至70at％。更具體地，具有SP2結構的碳的含量可以是50至70at％。此外，在涂覆層中含有氮化Ti的情況下，存在于涂覆層中的Ti含量可以是30at％或更高。此外，涂覆層可以具有20nm至1mm的厚度。更具體地，涂覆層可以具有1μm或更薄的厚度。當涂覆層的厚度小于20nm時，抗腐蝕性可能惡化。此外，當厚度超過1mm，更特別是，1μm時，傳導性可能惡化。此外，涂覆層可以進一步含有選自F、O、Si，和它們的組合的物質。在下文中，參考示例性的實施例將詳細描述本發明構思。然而，以下實施例僅僅是例舉本發明構思，并且本發明構思的內容不受以下實施例的限制。<實施例>在50℃下，通過加熱并汽化含有以下化學式3所表示的化合物的前驅體來制備前驅體氣體：[化學式3]此后，將前驅體氣體、C2H2、NH3，和Ar引入至反應室。隨后，通過電壓施加至反應室將氣體轉變成等離子態，并在基材上沉積。使用由JIS標準限定的SUS316L作為基材。當在形成涂覆層的時候改變反應室的溫度條件時，通過進行測試來測量在0.6V下的接觸電阻和腐蝕電流。反應室的壓力是0.8托，并施加1500W的PF電能。測試結果示于圖2和表1中。(表1)沉積溫度接觸電阻腐蝕電流(℃)(mΩ·cm2)(μA/cm2)0308.49.250132.37.410079.93.415034.82.120041.72.6300280.114.2400981.372.4接觸電阻的測量方法如下所述。圖4(a)和4(b)是示出了隔板-隔板的接觸電阻的測量方法的示意圖。首先，如圖4(a)所示，將一個隔板設置在鍍有Au的集電體之間，施加10kgf/cm2的壓力，從而測量電阻(R1，mΩ)。此后，如圖4(b)所示，將二個隔板設置在集電體之間，并且在相同條件下測量電阻(R2，mΩ)。將隔板-隔板的接觸電阻(mΩ·cm2)計算為(R2-R1)*隔板的面積。圖5(a)和5(b)是示出了氣體擴散層(GDL)-隔板的接觸電阻的測量方法的示意圖。首先，如圖5(a)所示，將三層氣體擴散層(GDL)設置于鍍有Au的集電體之間，并施加10kgf/cm2的壓力，從而測量電阻(R3，mΩ)。使用由多孔碳材料形成的10BB(SGLInc.)作為氣體擴散層(GDL)。此后，如圖5(b)所示，將四層氣體擴散層(GDL)設置于集電體之間，將一個隔板設置于氣體擴散層(GDL)的中間，并且在相同條件下測量電阻(R4，mΩ)。將GDL-隔板的接觸電阻(mΩ·cm2)計算為(R4-R3)*隔板的面積。然后，將隔板-隔板的接觸電阻與GDL-隔板的接觸電阻的和計算為接觸電阻。參照表1和圖2，在高于200℃的溫度下進行沉積的情況下，接觸電阻和腐蝕電流增加，并且通過碳基涂覆物質的內部殘余應力將涂覆層分層 是可能的。此外，在低于100℃的溫度下進行沉積的情況下，與在100℃或更高的溫度下進行沉積的情況相比較，接觸電阻和腐蝕電流增加。圖3A-3D是示出了各沉積溫度的涂覆的隔板的表面的照片。參照圖3A-3D，可以理解的是，當在200℃或更低下進行沉積時，形成均勻的涂覆層。雖然參考附圖已經描述了本發明構思的示例性的實施方式，本發明構思所屬領域的技術人員將理解，在不脫離本發明構思的精神或基本特征的情況下，可以進行各種修改和變更。因此，應當理解的是，上面提及的實施方式并不是限制性的，但是在各方面中是示例性的。應當解釋的是，本發明構思的范圍由所附權利要求限定而不是上述具體描述，并且從權利要求的含義、范圍、和等同物推導的所有修改或變更將包括在本發明構思的范圍中。當前第1頁1 2 3