KR100689757B1 - 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해제조되는 연료전지 - Google Patents

연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해제조되는 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR100689757B1
KR100689757B1 KR1020060032230A KR20060032230A KR100689757B1 KR 100689757 B1 KR100689757 B1 KR 100689757B1 KR 1020060032230 A KR1020060032230 A KR 1020060032230A KR 20060032230 A KR20060032230 A KR 20060032230A KR 100689757 B1 KR100689757 B1 KR 100689757B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
stainless steel
alloy
treatment
cooling
Prior art date
Application number
KR1020060032230A
Other languages
English (en)
Inventor
김정헌
이석현
김민철
천동현
위당문
Original Assignee
한국타이어 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국타이어 주식회사 filed Critical 한국타이어 주식회사
Priority to KR1020060032230A priority Critical patent/KR100689757B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100689757B1 publication Critical patent/KR100689757B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—Alloys
    • H01M8/021—Alloys based on iron
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 연료전지에 관한 것으로, 특히 타입 316 오스테나이트 스테인리스강의 Fe를 제외한 합금원소 성분은 동일하고 Fe의 일부를 대신하여 Nb을 0.8 내지 5.0 중량% 포함하도록 합금원소를 혼합하여 합금을 제조하는 단계, 상기 제조된 합금을 1300 ± 50 ℃에서 1 내지 2시간 용체화 처리하는 단계, 상기 용체화 처리 이후에 이를 1000 내지 1100 ℃로 냉각하는 단계, 상기 냉각 이후에 1000 내지 1100 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물인 석출물 형 성을위한 시효처리를 하는 단계, 상기 시효처리 이후에 상온으로 냉각하는 단계 및, 상기 과정을 거친 합금의 표면에 1)샷 블라스팅 또는 2)산세처리 또는 3)샷 블라스팅 이후에 산세처리를 진행하는 표면처리를 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 대하여 제조되는 연료전지에 관한 것이다. 이를 통하여 저가로 용이하게 제조가 가능하면서도, 높은 내식성 및 낮은 접촉저항을 가져, 연료전지 분리판에 적용이 가능한 스테인리스 강재를 제공할 수 있다.
스테인리스, NbC, (Fe,Cr)2Nb, 연료전지

Description

연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 연료전지 {METHOD OF PREPARING STAINLESS STEEL FOR FUEL CELL AND FUEL CELL PREPARED BY THE SAME}
도 1은 본 발명의 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법에 대한 일 실시예의 흐름도를 도시한 블록선도이다.
도 2는 본 발명의 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법에서 Nb을 1.0 중량% 포함하고, 이를 시효처리 한 이후의 강재 표면을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법에서 Nb을 1.0 중량% 포함하는 경우와 316 스테인리스 강재의 표면처리 전과 후의 접촉저항 측정결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법에서 Nb을 1.0 중량% 포함하는 경우와 316 스테인리스 강재를 시효처리하고, 표면처리 하여 각각의 강재 표면을 촬영한 사진이다.((a) 316 스테인리스 강재, (b) 본 발명-1.0 중량% Nb)
도 5는 본 발명의 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법에서 Nb의 함량을 변화시킨 경우(시효 및 표면처리 완료)의 스테인리스 강재의 접촉저항 측정결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법에서 Nb의 함량을 변화시킨 경우(시효 및 표면처리 완료)의 스테인리스 강재 표면을 촬영한 사진이다.((a) 0.4 중량% Nb, (b) 3.0 중량% Nb)
본 발명은 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저가로 용이하게 제조가 가능하면서도, 높은 내식성 및 낮은 접촉저항을 가져, 연료전지 분리판에 적용이 가능한 스테인리스 강재를 제공할 수 있는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 발전효율이 50% 정도로 내연기관에 비해 효율이 높고 유해가스(NOx, SOx 등)배출은 1% 이하로 낮아 미래의 환경 및 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 대안으로 평가되고 있다. 이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라 PEMFC(고분자 전해질 연료전지), PAFC(인산형 연료전지), MCFC(용융탄산염 연료전지), SOFC(고체산화물 연료전지), DMFC(직접메탄올 연료전지) 등으로 나뉜다. 이 가운데 분산형 전원 또는 대형 발전시스템용으로는 MCFC와 SOFC, 현지 설치형 열병합 발전에는 PAFC와 PEMFC 또는 SOFC, 자동차 동력원으로는 PEMFC, 휴대용 전원으로는 DMFC가 적용되고 있다.
현재 국내 기업이나 연구기관에서 개발, 제작되고 있는 대부분의 연료전지 (특히 고분자형 연료전지) stack 에는 수입된 graphite plate를 적절한 크기로 절단한 후, 연료가스(수소, 개질가스 등)와 반응기체(산소 혹은 공기)의 통로인 유로(flow field)를 기계 가공하여 분리판으로 채택하고 있다. 현재 이용되고 있는 자동차용 graphite plate의 단가는 160 $/장으로, 이는 매우 높은 가공비로 인해 기인한 것이며, 이러한 높은 분리판의 단가는 전체 stack 가격에서 분리판이 차지하는 비율이 70~80 % 정도나 되는 실정이다.
이러한 분리판의 고 가공비는 결국 연료전지 상용화의 가장 큰 걸림돌이 되므로, 이에 대한 개발이 요구되고 있으며, 이러한 복합소재 성형판 및 금속재 분리판이 연료전지 분리판으로서의 기능을 갖기 위해서는 높은 전도도와 함께 우수한 기계적 특성을 동시에 지녀야 한다. 즉, 연료전지 분리판은 반응기체의 제공 경로 뿐 아니라 집전체로서의 기능을 가져야 하므로 고전도도를 갖춤과 동시에 얇고 가볍게 만들어 질 수 있도록 높은 강도와 유연성을 지녀야 한다. 금속재 분리판은 복합소재 성형 분리판과 비교할 때 높은 강도 및 유연성 등으로 인하여 복합소재 성형 분리판과 유사한 정도의 제조비용을 가지면서도 전기전도성이 훨씬 우수한 장점을 가진다. 그러나 금속재 분리판은 고분자 전해질 연료전지에 이용되는 양이온 교환막이 고분자 구조 내에 양이온이 교환능력이 있는 작용기인 술폰산(sulfonic acid)기가 존재하여 연료전지 운전 중 약 1 mole의 황산으로 작용하게 됨으로써 금속의 부식이 촉진되는 것으로 알려져 있다. 이때 표면에 생성된 금속산화물이 전기절연체로 작용하여 전기전도성을 낮추며, 또한 이때 해리 되어 나오는 금속 양이온이 촉매층 및 고분자 전해질을 오염시킴으로써 연료전지의 성능을 감소시키는 것 으로 알려져 있다. 따라서 이러한 금속재 분리판의 단점을 보완하기 위한 새로운 연료전지용 금속재 분리판 재료개발이 필요한 실정이다.
지금까지 연구된 대부분의 연구는 접촉저항을 감소시키고, 금속 양이온의 해리를 막기 위하여 코팅기술을 사용하는 방법에 관한 연구가 주를 이루었다. 이에는 유럽의 항공기 개발 연합체인 European Aeronautic Defence and Space Company가 Stainless 316L합금에 gold을 코팅하여 새로운 금속재 분리판을 개발한 바가 있으며, 대한민국 특허출원 제2002-0035363호에서는 카본 분말에 페놀수지 코팅한 소성재료를 양면에 도금된 금속판 위에 가열 소성한 분리판으로 고강도, 가스 차폐성 및 표면에 산화물이 없어 고유저항치가 적은 분리판을 제시한 바 있다. 또한 대한민국 특허출원 제2002-0001999호에서는 SUS 또는 Al에 전도성 고분자 층을 형성한 수 그 위에 전도성 고분자소재로 가스유로를 형성하거나 분리판과 가스유로를 일체로 성형한 후 그 위에 전도성 고분자층을 형성시키는 코팅용 금속재 분리판을 개발하기도 하였다. 그러나 코팅 공정을 새로이 도입함에 따라 발생하는 비용의 증가는 금속재 분리판의 장점을 감소시키는 역효과를 나타내며, 또한 내식성이 우수한 금 등의 귀금속을 금속재 분리판에 코팅하는 경우는 이의 높은 가격 때문에 전체 stack의 가격 중에서 분리판이 차지하는 비율을 더욱 증가시키는 단점이 있고, 기타 코팅 방법의 경우도 코팅막의 안정성 및 제조의 어려움 등이 문제가 되고 있다.
따라서 금속재 분리판의 높은 전도성 및 가공성을 가지며, 코팅을 통한 내식성 확보가 아닌 금속 재료 자체가 우수한 내식성을 나타내는 고분자 연료전지용의 새로운 무코팅용 내부식성 신합금의 개발이 요구되고 있다.
이러한 무코팅용 금속재 분리판 기술로는 대한민국 특허출원 제2000-0017853호에서 금속재 분리판으로 내식성이 우수한 스테인리스강을 사용하고, 강중에 다수의 전도성 금속 석출물을 분산 석출하여 내식성이 우수한 스테인리스의 부동태 피막을 손상시키지 않고 도전성을 확보하는 방법이 제시되어 있으나, 낮은 접촉저항을 얻기 위해서는 높은 압력을 요구하고,(여기서 낮은 접촉저항을 위하여 높은 압력이 요구되는 경우에는 단자와 분리판의 결합시에는 높은 압력으로 서로를 연결하여 요구되는 높은 압력을 제공하여 낮은 접촉저항을 얻을 수 있으나, 전해질과 분리판 사이의 경우에는 접촉시에 별도의 압력이 가해지지 않으므로 분리판은 낮은 접촉압력에서도 낮은 접촉저항을 가지는 것이 요구되는데 이러한 조건을 만족하지 못하는 경우에는 실질적으로는 높은 성능의 분리판으로 적용이 어려운 문제점이 있다.) 그 석출물의 생성에 있어서 Cr의 감소에 따른 내식성의 감소를 가져오고, 입계 석출이 주를 이루며, 전기전도도가 높지 않은 크롬탄화물을 석출물로 하므로 전기전도도의 개선이 적으므로 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 내식성에 영향을 주는 크롬탄화물을 이용하지 않으면서도 무코팅을 통하여 저가로 용이하게 제조가 가능하고, 높은 내식성 및 낮은 접촉저항을 가져, 연료전지 분리판에 적용이 가능한 스테인리스 강재를 제공하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
타입 316 오스테나이트 스테인리스강의 Fe를 제외한 합금원소 성분은 동일하고 Fe의 일부를 대신하여 Nb을 0.8 내지 5.0 중량% 포함하도록 합금원소를 혼합하여 합금을 제조하는 단계;
상기 제조된 합금을 1300 ± 50 ℃에서 1 내지 2시간 용체화 처리하는 단계;
상기 용체화 처리 이후에 이를 1000 내지 1100 ℃로 냉각하는 단계;
상기 냉각 이후에 1000 내지 1100 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물인 석출물 형성을 위한 시효처리를 하는 단계;
상기 시효처리 이후에 상온으로 냉각하는 단계; 및,
상기 과정을 거친 합금의 표면에 1)샷 블라스팅 또는 2)산세처리 또는 3)샷 블라스팅 이후에 산세처리를 진행하는 표면처리를 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은
모재는 타입 316 오스테나이트 스테인리스강의 Fe를 제외한 합금원소 성분은 동일하고 Fe의 일부를 대신하여 Nb을 0.8 내지 5.0 중량% 포함하도록 합금원소를 혼합하여 이를 시효처리 하여 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물이 석출 분산된 기지로 이루어진 합금이고,
이의 표면은 크롬 산화물을 포함하는 부동태 피막으로 이루어지고,
상기 부동태 피막은 상기 부동태 피막을 관통하여 외부표면과 부동태 피막 하부의 합금기지를 연결하는 다수의 상기 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재를 제공한다.
이외에 본 발명은 상기 기재된 연료전지용 스테인리스 강재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 및 이를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법에 관한 것으로 타입 316 오스테나이트 스테인리스강의 Fe를 제외한 합금원소 성분은 동일하고 Fe의 일부를 대신하여 Nb을 0.8 내지 5.0 중량% 포함하도록 합금원소를 혼합하여 합금을 제조하는 단계, 상기 제조된 합금을 1300 ± 50 ℃에서 1 내지 2시간 용체화 처리하는 단계, 상기 용체화 처리 이후에 이를 1000 내지 1100 ℃로 냉각하는 단계, 상기 냉각 이후에 1000 내지 1100 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물인 석출물 형성을 위한 시효처리를 하는 단계, 상기 시효처리 이후에 상온으로 냉각하는 단계 및, 상기 과정을 거친 합금의 표면에 1)샷 블라스팅 또는 2)산세처리 또는 3)샷 블라스팅 이후에 산세처리를 진행하는 표면처리를 진행하는 단계를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명은 우수한 내식성을 갖는 type 316 오스테나이트 스테인리스강을 이용하고, 모합금에 Nb 합금원소를 첨가하여 전도성이 우수하고 안정한 상인 NbC(탄화물) 또는 (Fe,Cr)2Nb(금속간화합물) 또는 이들의 혼합물인 석출물을 석출시 키고 표면처리를 수행함으로써 부동태막에 의한 전도성 감소의 문제점을 해결하려고 한다. 즉, 열처리 공정과 표면처리 공정 등의 간단한 공정을 통해 우수한 내식성 및 전도성을 갖는 연료전지의 금속분리판에 적용할 수 있는 강재를 제공하는 것이다.
상기 타입 316 오스테나이트 스테인리스강은 공지의 강재로서 AISI 316으로도 알려져 있고, 이에 대한 합금 원소의 성분은 기 공지된 바와 같다. 본 발명에 사용되는 합금은 이러한 타입 316에서 기존의 합금원소 함량은 그대로 유지하고 Fe만 0.8 내지 5.0 중량%를 제외하고 이를 대신하여 Nb을 넣은 합금성분을 가진다. 즉, 일반적으로 철계 합금의 조성을 정의할 때, 다양한 합금원소와 이의 잔부로 Fe가 포함되는 형태로 정의하는데, 본 발명의 합금은 타입 316의 Fe를 제외란 모든 합금원소는 동일한 중량 %로 포함하고, 여기에 0.8 내지 5.0 중량%의 Nb이 합금원소로 더 들어가고 잔부로 Fe가 포함되는 것이다. 이를 통하여 상기 기술한 시효처리 단계에서 기지내의 탄소와 니오브가 반응하여 전기전도도가 우수한 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물인 석출물이 기지내에 고르게 석출되도록 한다.
상기 합금의 조성은 타입 316의 합금원소에 Nb을 포함하는 범위 중에서 바람직하게는 Cr: 17 중량%, Ni: 12 중량%, C: 0.08 중량%, Mo: 2.5 중량%, Si: 0.8 중량%, Mn: 1.5 중량%, Cu: 0.2 중량%, Nb: 0.8 ~ 5.0 중량% 및 나머지 잔부로 Fe 및 불순물인 형태가 좋다. (여기서 Cu는 제외가능하다.)
상기 Nb의 함량은 상기 범위보다 작은 경우에는 NbC 석출량이 적어 전기전도 도 개선효과가 적고, Nb의 고용한계인 1.0 중량%까지는 탄화물이 형성되고 이보다 많은 경우에는 Nb의 고용한계를 넘어가므로 금속간 화합물인 (Fe,Cr)2Nb이 형성되는데 이것도 전기전도도가 높아 강재의 전기전도도를 개선하므로 강재의 성형성을 해치지 않는 범위에서 Nb의 첨가량을 증대할 수 있다.
이와 같은 합금원소를 혼합한 것은 적절한 용융방법으로 용융하여 합금을 형성한다. 이에 대한 구체적인 예는 도 1에 도시한 바와 같다. 즉, 상기 성분의 합금원소를 용융하여 잉곳을 형성한 후 도 1에 도시한 조건으로 용체화 처리하고, 이를 가공하여 도 1에 도시한 바와 같은 치수의 판상을 제조하고 이를 냉간 압연하여 판상재를 얻는다. 이에 따라 얻어진 판상은 가공경화를 통하여 잔류응력이 남아 있고, 석출물 등의 편석이 존재하는 상태이므로 이를 1300 ± 50 ℃에서 1 내지 2시간 동안 용체화 처리하여 균질하고, Cr탄화물(Cr23C6 등) 등의 입계 편석이 존재하지 않는 상태로 만든다.
이와 같은 용체화 처리 이후에 합금은 이를 1000 내지 1100 ℃로 냉각하는 단계를 거친다. 상기 냉각은 석출물의 조절 및 잔류응력의 최소화를 위하여 바람직하게는 노냉으로 진행하는 것이 좋다.
상기 온도는 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물의 석출을 위한 시효처리 온도로서 상기 냉각 이후에 바로 시효처리가 이어진다. 상기 온도에서는 Cr탄화물(Cr23C6)의 입계 석출이 없고 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물의 석출만이 이루어지므로 강재의 내식성을 해치지 않으면서, 전도성을 가지는 탄화물 및 금속 간화합물의 고른 석출이 가능하다. 또한 상기 냉각온도는 바람직하게는 1050 ± 20 ℃인 것이 석출물의 입내 고른 석출을 이룰 수 있으므로 좋다. 상기 시효처리는 일반적으로는 1000 내지 1100 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간 진행하여 기지의 입내 및 입계에 고른 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물의 석출이 이루어지도록 한다.
상기 시효처리 이후에 상기 합금은 상온으로 냉각되어지며, 바람직하게는 석출물의 안정 및 안정한 오스테나이트 구조의 유지를 위하여 상기 냉각은 노냉으로 이루어지는 것이 좋다.
이와 같이 제조된 합금은 스테인리스강이므로 상온에서 크롬산화물로 이루어진 부동태 피막이 덮여 있고, 이러한 부동태 피막은 강재의 접촉저항을 높이는 역할을 하는데 상기 열처리과정에서 형성된 부동태 피막은 그 두께가 두꺼워 미세입자인 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물보다 더 두꺼울 수 있으므로 부동태 피막을 관통하는 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물을 통한 전기전도도 개선효과를 얻을 수 없으므로 이러한 부동태 피막의 1차적인 제거가 필요하다.
이를 위하여 상기 상온까지 냉각된 합금은 합금의 표면에 공지의 다양한 부동태 피막 제거용 표면처리를 수행할 수 있고, 바람직하게는 1)샷 블라스팅(shot blasting) 또는 2)산세처리 또는 3)샷 블라스팅 이후에 산세처리를 진행하는 표면처리를 진행하는 단계를 거친다. 이를 통하여 후막으로 형성된 부동태 피막을 제거하고, 상온에서 형성되는 얇은 부동태 피막이 다시 생성되도록 한다.
상기 샷 블라스팅은 공지의 다양한 방법이 이에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 100㎛ 크기의 알루미나 입자를 통하여 이루어지는 것이 고른 표면형성 및 적절한 조도를 얻는데 좋고 더욱 바람직하게는 50㎛ 크기 내외의 입자를 사용하는 것이 좋다.
또한 상기 산세처리는 공지의 다양한 산세처리를 이에 적용할 수 있으며, 바람직하게는 60 ℃의 질산 8 ± 2 부피%, 염산 3 ㅁ 1 부피% 및 잔부로 물을 포함하는 수용액에 상기 합금을 3 내지 5분간 피클링(pickling) 하는 것이 시간의 단축 및 316 스테인리스강의 피클링에 좋다.
또한 상기 표면처리는 상기 각각의 방법을 단독으로 진행할 수도 있고, 이를 조합하여 진행할 수도 있다. 조합하는 경우에는 블라스팅으로 조도 확보 및 부동태 피막을 1차 제거하는 효과를 얻을 수 있고, 이후의 산세처리를 통하여 고른 부동태 피막의 제거를 얻을 수 있어서 가장 바람직하다.
또한 이와 같은 상기 산세처리 단계는 적어도 상기 시효처리 단계를 통하여 석출된 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물 직경의 절반에 해당하는 모재(부동태 피막을 제외한)를 식각하는 것이 바람직하다. 이를 통하여 산세처리를 통하여 표면에 노출된 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물이 부동태 피막을 관통하여 외부와 모재를 연결할 수 있도록 하여 전기전도도를 갖도록 할 수 있다.
또한 본 발명은 모재는 타입 316 오스테나이트 스테인리스강의 Fe를 제외한 합금원소 성분은 동일하고 Fe의 일부를 대신하여 Nb을 0.8 내지 5.0 중량% 포함하 도록 합금원소를 혼합하여 이를 시효처리 하여 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물이 석출 분산된 기지로 이루어진 합금이고, 이의 표면은 크롬 산화물을 포함하는 부동태 피막으로 이루어지고, 상기 부동태 피막은 상기 부동태 피막을 관통하여 외부표면과 부동태 피막 하부의 합금기지를 연결하는 다수의 상기 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재를 제공한다.
즉, 탄화물의 경우에 있어서 침입형 탄화물(interstitial carbide)의 하나인 NbC는 전기전도도가 타입 316 강재와 동일한 정도로 우수하고, 높은 융점과 높은 경도를 가지며, 안정한 상을 이루며, 금속간 화합물의 경우도 우수한 전기전도도 특성 및 안정상을 이루므로 이와 같은 탄화물 및 금속간 화합물이 상기 기술한 방법 등을 통하여 내식강인 스테인리스강에 석출 분산되는 경우에는 상기 기지의 표면은 항상 일정한 부분은 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물이 표면에 노출되게 되고, 나머지 부분은 기지가 공기중에 노출됨에 따라 크롬 산화물을 포함하는 부동태 피막이 형성된다. 그러나 상기 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물이 존재하는 부분은 기지가 공기중에 노출되지 않으므로 부동태 피막의 형성이 이루어지지 않고 외부에 노출되므로 상기 부동태 피막은 상기 부동태 피막을 관통하여 외부표면과 부동태 피막 하부의 합금기지를 연결하는 다수의 상기 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물을 포함하는 형태로 구성된다.
이를 통하여 표면에 화학적으로 안정하며, 전기전도도가 우수한 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물과 이를 제외한 부분에는 부동태 피막이 형성된 복합피막이 형성되고 이는 우수한 내식성 및 전기전도도를 가지게 된다.
바람직하게는 상기 연료전지용 스테인리스 강재는 상기 기술한 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법에 의하여 제조되는 것이 가장 우수한 내식성 및 전기전도도를 가지므로 좋다.
또한 본 발명은 상기 기재된 연료전지용 스테인리스 강재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다. 이와 같은 연료전지용 스테인리스 강재는 내식성 및 전기전도도를 갖춘 강재이므로 이를 연료전지용 분리판에 적용할 수 있다.
또한 이와 같은 연료전지용 분리판은 이를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지에 적용될 수 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
아래 표 1에 도시한 바와 같이 합금조성을 준비하였다.
합금 종류 Cr Ni C Mo Si Mn Cu Nb Fe+불순물
타입316 17 12 0.08 2.5 0.8 1.5 0.2 - balance
316+0.4Nb 17 12 0.08 2.5 0.8 1.5 0.2 0.4 balance
316+1.0Nb 17 12 0.08 2.5 0.8 1.5 0.2 1.0 balance
316+3.0Nb 17 12 0.08 2.5 0.8 1.5 0.2 3.0 balance
타입 316 합금은 1100 ℃에서 1.5시간 용체화 처리후에 840 ℃로 노냉하고, 이후에 840 ℃에서 2시간 시효처리 후 상온으로 노냉하는 열처리를 하여 Cr23C6 탄화물이 형성되도록 하였다.
316+0.4Nb, 316+1.0Nb, 316+3.0Nb 합금은 1300 ℃에서 1.5시간 용체화 처리후에 1050 ℃로 노냉하고, 이후에 1050 ℃에서 2시간 시효처리 후 상온으로 노냉하는 열처리하여 NbC 또는 이와 (Fe,Cr)2Nb의 혼합물이 함께 형성되도록 하였다.
도 2는 시효처리 후 상온으로 냉각한 상기 316+1.0Nb 합금의 미세구조를 나타낸 사진이다. 이에 나타난 바와 같이 시효처리에 따라 NbC 석출이 입계 및 입내에 고르게 석출된 것을 확인할 수 있으며, 높은 시효처리 온도에 따라 Cr탄화물은 형성되지 않음을 확인할 수 있었다.
이후에 표면처리전과 표면처리(46㎛ 크기의 알루미나 입자를 통하여 이루어지는 샷 블라스팅 + 60 ℃의 질산 8 부피%, 염산 3 부피% 및 잔부로 물을 포함하는 수용액에 4분간 피클링하는 산세처리)후의 접촉저항을 측정한 결과는 도 3에 도시한 바와 같다. 즉, 본 발명의 합금의 경우에는 표면처리 전에는 타입 316보다 더 높은 접촉저항을 나타내나 상기 표면처리 후에는 훨씬 낮은 접촉저항을 나타내고, 100N/㎠의 하중이상에서는 5×10-3 Ω㎠의 안정적이고 낮은 접촉저항을 나타내었다. 또한 표면처리후의 타입316 합금(도4의 (a))과 316+1.0Nb 합금(도 4의 (b))의 미세구조를 도 4에 도시하였다. 도4에 나타낸 바와 같이 Cr탄화물에 비하여 NbC 탄화물이 보다 크고 고르게 분포함을 알 수 있고, 도 2보다 더 많은 탄화물을 관찰할 수 있음을 알 수 있다. 즉, Cr탄화물의 경우는 Nb탄화물에 비하여 전기전도도가 낮고, 그 입자 또한 작아 부동태 피막을 관통하는 탄화물이 적으므로 전기전도도가 상대적으로 낮아짐을 알 수 있다. 또한 표면처리를 통하여 탄화물의 전기전도도 기여도를 높일 수 있음도 알 수 있다.
도 5는 Nb의 함량에 따른 접촉저항 측정결과를 도시한 것으로 316+0.4Nb의 경우는 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이 탄화물의 양이 상대적으로 적어 전기전도도 향상효과가 크지 않으며, 고용한계 이상의 3.0 중량%의 Nb를 포함하는 316+3.0Nb의 경우는 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이 Nb의 함량이 과다하면 (Fe,Cr)2Nb의 금속간 화합물이 생성되는데 이 금속간 화합물도 우수한 전기전도도를 가짐에 따라 도 5에 도시한 바와 같이 316+3.0Nb 합금이 가장 낮은 접촉저항을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 이 경우에 NbC가 최대로 형성되고 그 크기도 크며, 이에 추가하여 전도성을 가지는 금속간화합물의 형성이 전기전도도 특성을 향상함을 알 수 있었다.
본 발명의 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 연료전지에 따르면, 낮은 접촉압력(하중)에서도 낮은 접촉저항을 얻을 수 있어 연료전지의 단자와 연결되는 부분뿐만 아니라 전해질과 접촉하는 부분에서도 높은 전기전도도를 가지며, 별도의 코팅을 하지 않고 단순히 새로운 합금조성만을 적용함으로써 저가로 용이하게 제조가 가능하고, 높은 내식성 및 낮은 접촉저항을 가져, 연료전지 분리판에 적용이 가능한 스테인리스강재를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조되는 강재를 제공할 수 있는 장점이 있다.
특히 전기전도도 확보를 위한 석출물의 생성에 있어서 기지의 내식성에 영향을 주는 Cr의 감소를 가져오지 않고, 입계 및 입내에 고른 석출이 이루어지며, 간단한 열처리로 적절한 크기의 탄화물을 형성할 수 있어 내식성 및 전기전도도를 모두 개선하는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

Claims (10)

  1. 타입 316 오스테나이트 스테인리스강의 Fe를 제외한 합금원소 성분은 동일하고 Fe의 일부를 대신하여 Nb을 0.8 내지 5.0 중량% 포함하도록 합금원소를 혼합하여 합금을 제조하는 단계;
    상기 제조된 합금을 1300 ± 50 ℃에서 1 내지 2시간 용체화 처리하는 단계;
    상기 용체화 처리 이후에 이를 1000 내지 1100 ℃로 냉각하는 단계;
    상기 냉각 이후에 1000 내지 1100 ℃에서 1.5 내지 2.5 시간 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물인 석출물 형성을 위한 시효처리를 하는 단계;
    상기 시효처리 이후에 상온으로 냉각하는 단계; 및,
    상기 과정을 거친 합금의 표면에 1)샷 블라스팅 또는 2)산세처리 또는 3)샷 블라스팅 이후에 산세처리를 진행하는 표면처리를 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 합금의 조성은 Cr: 17 중량%, Ni: 12 중량%, C: 0.08 중량%, Mo: 2.5 중량%, Si: 0.8 중량%, Mn: 1.5 중량%, Cu: 0.2 중량%, Nb: 0.8 ~ 5.0 중량% 및 나머지 잔부로 Fe 및 불순물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    용체화 처리 이후의 냉각온도는 1050 ± 20 ℃이고, 상기 용체화 처리 이후의 냉각 및 시효처리 이후의 냉각은 모두 노냉인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샷 블라스팅은 10 내지 100 ㎛ 크기의 알루미나 입자를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산세처리는 60 ℃의 질산 8 ± 2 부피%, 염산 3 ± 1 부피% 및 잔부로 물을 포함하는 수용액에 상기 합금을 3 내지 5분간 피클링 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시효처리에 따라 기지내에 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물이 석출하고,
    상기 산세처리 단계는 적어도 상기 석출된 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물 직경의 절반에 해당하는 모재를 식각하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법.
  7. 모재는 타입 316 오스테나이트 스테인리스강의 Fe를 제외한 합금원소 성분은 동일하고 Fe의 일부를 대신하여 Nb을 0.8 내지 5.0 중량% 포함하도록 합금원소를 혼합하여 이를 시효처리 하여 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물이 석출 분산된 기지로 이루어진 합금이고,
    이의 표면은 크롬 산화물을 포함하는 부동태 피막으로 이루어지고,
    상기 부동태 피막은 상기 부동태 피막을 관통하여 외부표면과 부동태 피막 하부의 합금기지를 연결하는 다수의 상기 NbC 또는 (Fe,Cr)2Nb 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료전지용 스테인리스 강재는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스테인리스 강재.
  9. 제7항에 기재된 연료전지용 스테인리스 강재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  10. 제9항에 기재된 연료전지용 분리판을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
KR1020060032230A 2006-04-10 2006-04-10 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해제조되는 연료전지 KR100689757B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060032230A KR100689757B1 (ko) 2006-04-10 2006-04-10 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해제조되는 연료전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060032230A KR100689757B1 (ko) 2006-04-10 2006-04-10 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해제조되는 연료전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100689757B1 true KR100689757B1 (ko) 2007-03-08

Family

ID=40377545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060032230A KR100689757B1 (ko) 2006-04-10 2006-04-10 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해제조되는 연료전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100689757B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100777123B1 (ko) 2007-04-18 2007-11-19 현대하이스코 주식회사 연료전지용 스테인리스강 분리판 및 그 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55100930A (en) 1979-01-24 1980-08-01 Hitachi Ltd Thermal treatment for stabilizing austenitic stainless steel
JP2000164228A (ja) 1998-11-25 2000-06-16 Toshiba Corp 固体高分子電解質型燃料電池のセパレータおよびその製造方法
JP2004043903A (ja) 2002-07-12 2004-02-12 Nisshin Steel Co Ltd 耐赤スケール性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼材
JP2004339569A (ja) 2003-05-15 2004-12-02 Nippon Steel Corp 固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼板並びにその製造方法及び成形方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55100930A (en) 1979-01-24 1980-08-01 Hitachi Ltd Thermal treatment for stabilizing austenitic stainless steel
JP2000164228A (ja) 1998-11-25 2000-06-16 Toshiba Corp 固体高分子電解質型燃料電池のセパレータおよびその製造方法
JP2004043903A (ja) 2002-07-12 2004-02-12 Nisshin Steel Co Ltd 耐赤スケール性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼材
JP2004339569A (ja) 2003-05-15 2004-12-02 Nippon Steel Corp 固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼板並びにその製造方法及び成形方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100777123B1 (ko) 2007-04-18 2007-11-19 현대하이스코 주식회사 연료전지용 스테인리스강 분리판 및 그 제조방법
WO2008130078A1 (en) * 2007-04-18 2008-10-30 Hyundai Hysco Stainless steel separator for fuel cell and the manufacturing method thereof
CN102061509A (zh) * 2007-04-18 2011-05-18 现代Hysco株式会社 用于燃料电池的不锈钢分离器的制造方法
US8828258B2 (en) 2007-04-18 2014-09-09 Hyundai Hysco Stainless steel separator for fuel cell and the manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7829194B2 (en) Iron-based alloy and nitridation treatment for PEM fuel cell bipolar plates
KR100488922B1 (ko) 연료 전지용 세퍼레이터와 그 제조방법 및 고체 고분자형연료 전지
KR101597721B1 (ko) 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 티탄재 및 그 제조 방법 및 이를 이용한 고체 고분자형 연료 전지
US20170298488A1 (en) Ferritic stainless steel material, and, separator for solid polymer fuel cell and solid polymer fuel cell which uses the same
US20170301929A1 (en) Ferritic stainless steel material, and, separator for solid polymer fuel cell and solid polymer fuel cell which uses the same
JP2000328200A (ja) 通電電気部品用オーステナイト系ステンレス鋼および燃料電池
JP5152193B2 (ja) 固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼材および固体高分子型燃料電池
JP3097690B1 (ja) 固体高分子型燃料電池
JP3888051B2 (ja) 固体高分子型燃料電池
KR20050044624A (ko) 고온 내크리프성을 갖는 페라이트계 스테인리스강
KR102385477B1 (ko) 연료 전지의 세퍼레이터용 강판의 기재 스테인리스 강판 및 그 제조 방법
EP0767248A1 (en) Oxidation-resistant metallic material
JP4340448B2 (ja) 燃料電池セパレータ用フェライト系ステンレス鋼及びその製造方法
CN101519740A (zh) 一种抗阴极Cr毒化的中温固体氧化物燃料电池金属连接体用Ni-Mo-Cr合金
JP2000294255A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP3269479B2 (ja) 固体高分子型燃料電池セパレータ用フェライト系ステンレス鋼
JP3397169B2 (ja) 固体高分子型燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼および固体高分子型燃料電池
US10622643B2 (en) Carbon separator for solid polymer fuel cell, solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell stack
EP1735865B1 (en) Fuel cell separator, fuel cell stack, fuel cell vehicle, and method of manufacturing the fuel cell separator
KR100689757B1 (ko) 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해제조되는 연료전지
KR100689758B1 (ko) 연료전지용 스테인리스 강재의 제조방법 및 이에 의해제조되는 연료전지
JP2004269969A (ja) 固体高分子型燃料電池用セパレータおよびその製造方法
JP2000328205A (ja) 通電電気部品用フェライト系ステンレス鋼および燃料電池
JP2000303151A (ja) 通電電気部品用フェライト系ステンレス鋼、固体高分子型燃料電池セパレータおよび固体高分子型燃料電池
JP7257794B2 (ja) ステンレス鋼板及びその製造方法、燃料電池用セパレータ、燃料電池セル、並びに燃料電池スタック

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20100201

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130205

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160202

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181206

Year of fee payment: 15