KR100987881B1 - 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재, 후판 및 고체고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 강판의 제조 방법 및고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터 - Google Patents

3층 스테인리스 클래드 강판용 소재, 후판 및 고체고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 강판의 제조 방법 및고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터 Download PDF

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Abstract

B : 0~0.3％의 스테인리스강을 내층재로 하고, 그 양면에 외층재로서 B : 0.3~2.5％의 스테인리스강을 조합한 클래드 강판용 소재를 하기의 공정 등에 의해 제조하는 방법.
공정 1：외층재의 측면에 그 측면 길이보다 긴 프로텍트재를 배치하고, 프로텍트재의 단부에 탭재를 배치하여, 탭재와 프로텍트재 및 외층재와 프로텍트재를 접합한다.
공정 2：탭재와 프로텍트재의 접합 부분을 제거한 외층재와 내층재를 겹쳐 조합재로 한다.
공정 3：조합재의 주위 4측면의 경계부를 접합한다.
또한, 상기한 방법에 의해 제조한 소재를 가열 후, 조압연하여 열간 압연을 행하고, 냉간 압연하여 연료 전지 세퍼레이터용 3층 스테인리스 클래드 강판 또는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터로 한다.

Description

3층 스테인리스 클래드 강판용 소재, 후판 및 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 강판의 제조 방법 및 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터{MATERIAL FOR TRILAMINAR STAINLESS STEEL CLAD STEEL SHEET, PROCESS FOR PRODUCING THICK SHEET OR STEEL SHEET FOR SOLID POLYMER TYPE FUEL CELL SEPARATOR, AND SOLID POLYMER TYPE FUEL CELL SEPARATOR}
본 발명은 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법, 상기 강판용 소재를 이용한 후판 및 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 강판의 제조 방법 및 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 붕소(B)를 함유하는 강을 외층재로 하여 내층재의 양면에 조합한 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재, 후판 및 상기 연료 전지 세퍼레이터용 강판의 각 제조 방법 및 연료 전지 세퍼레이터에 관한 것이다.
최근, 지구 환경 문제의 일환으로서 특히 온난화 방지에 대한 관심이 높아지는 가운데, 연료 전지는 미래의 클린 에너지로서 각광을 받고 있다. 연료 전지는, 수소 및 산소를 이용하여 직류 전력을 발전하는 전지이며, 연료 전지에는, 고체 전해질형 연료 전지, 용융 탄산염형 연료 전지, 인산형 연료 전지 및 고체 고분자형 연료 전지 등이 있다.
이들 중에서도, 고체 고분자형 연료 전지는, 운전 온도가 80℃ 전후로 낮고, 기동 및 정지가 용이하며, 에너지 효율도 40％ 정도를 기대할 수 있기 때문에, 소규모 사업소, 전화국 등의 비상용 분산 전원, 도시가스를 연료로 하는 가정용 소형 분산 전원, 수소 가스, 메탄올 또는 가솔린을 연료로 하는 저공해 전기 자동차 탑재용 전원으로서 세계적인 규모로 실용화가 기대되고 있다.
종래, 고체 고분자형 연료 전지의 세퍼레이터 재료로서 카본 판재의 적용이 검토되고 있지만, 카본 판재에는 「균열되기 쉽다」는 문제가 있고, 또 표면을 평탄하게 하기 위해, 또는 가스 유로 형성을 위해서 정밀한 기계 가공을 필요로 하고, 제조 비용이 증대한다는 문제가 있다. 이들은 모두 숙명적인 문제로서, 연료 전지의 상용화 그 자체를 어렵게 하는 요인이 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 상기의 흑연계 소재의 적용에 대한 검토에 대치하는 움직임이 되지만, 제조 비용의 삭감을 주된 목적으로 하여, 스테인리스강을 연료 전지의 세퍼레이터 재료에 적용하는 시도가 행해지고 있다.
그런데, 스테인리스강의 표면은 부동태막으로 덮여 있기 때문에, 그대로는 세퍼레이터용 소재로서 사용하기에 부적당하다. 이 대책으로서 스테인리스강의 표면에 금 도금을 하는 방법도 있지만, 저렴한 방법으로서는 스테인리스강에 붕소를 함유시키고, 보라이드(붕화물)를 표면에 다수 돌출시켜 도전성을 얻는 방법이 있다.
그러나, 붕소가 함유되면, 스테인리스강이 딱딱해지고, 압연 중에 균열 등이 생겨 압연에 지장을 초래하거나 제품의 수율이 극단적으로 나빠지는 일이 있었다.
일본 공개특허공보 평6－246424호 공보에는, B를 함유하는 강의 열간 압연 시의 균열을 제조면으로부터 방지하는 방법으로서, 주물 클래드를 이용하여, 내층에 1％ 이상의 붕소를 함유한 보통 강, 그 양측에 SUS316 및 SUS317의 스테인리스강을 접합하여 에지 손상을 방지하는 제조 방법이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 평4－253506호 공보에는, 에지 손상의 발생을 방지하는 열간 압연 방법으로서 0.3~2.0wt％의 B를 함유하는 오스테나이트계 스테인리스 강재의 측부에, 스테인리스 강재보다도 변형 저항이 작은 강재를 용접에 의해 피복한 소재를 제작하고, 그 소재를 (53×B＋700)℃(단, B：B 함유량(wt％)) 이상의 온도에서 마무리 압연하는 방법이 개시되어 있다.
동일하게, 일본 공개특허공보 2001－239364호에서는, 피압연재의 에지 손상의 발생을 방지하기 위해서, B를 0.3~2.5 질량％ 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강편을 열간 압연할 때에 있어서, 그 측면에 Ni：4％ 이하, B：0.1~0.4％를 함유하는 스테인리스강으로 이루어진 두께 3㎜ 이상의 육성(肉盛) 용접 피복층을 마련하여 열간 가공하는 방법이 제안되고 있다.
또, 일본 공개특허공보 2004－71319호에서는, 스테인리스강으로 이루어진 세퍼레이터를 이용한 경우에, 전극 구조체와의 사이에서의 뛰어난 접촉 저항성이 얻어짐과 동시에, 프레스 성형 시에 균열을 일으키지 않는 기계적 특성을 가지도록, 내식성을 갖는 세퍼레이터용 소재판의 표면에 도전성 개재물이 노출되는 한 쌍의 강재 사이에, 이 강재보다도 높은 연성을 갖는 금속재를 접합하는 것이 제안되고 있다.
전술한 스테인리스 클래드강 등을 연료 전지 세퍼레이터에 적용할 때에 있어서는, 몇 가지 문제가 남아 있다.
즉, 일본 공개특허공보 평 6－246424호가 개시하는 제조 방법에서는, 주물 클래드강을 출발 소재로 하고, 내층부를 B 함유의 보통강으로, 외층부를 스테인리스강에 의해 구성하기 때문에, 보통강과 스테인리스강의 경계부에서 박리가 생기기 쉬워진다. 또한, 특허 문헌 3에 개시된 클래드강에서는, 내층부를 보통강에 의해 구성하므로 내식성이 나빠지고, 또한 외층부가 B를 함유하지 않은 스테인리스강에 의해 구성되기 때문에 표층에 부도체 피막이 형성되어 연료 전지 세퍼레이터로서는 사용할 수 없다.
또한, 일본 공개특허공보 평 4－253506호에 개시된 열간 압연 방법에서는, 정밀도 높은 그루브 형상을 갖는 프레임재를 준비하고, 게다가 열간 가공 시에 프레임제가 박리하지 않도록 용접할 필요가 있다. 이 때문에, 용접에 많은 공정수를 필요로 하게 된다.
동일하게, 일본 공개특허공보 2001－239364호의 열간 가공 방법에서는, 열간 압연 중에서의 에지 손상을 방지하기 위해서, 충분한 용접 두께를 확보하는 것이 필요해지고, 육성 용접으로 피복층을 마련하기에는 용접 패스 회수가 많아지고 용접 공정수가 증가한다. 또, 용접 균열이 발생하면, 그것이 기점이 되어 에지 손상의 발생으로 연결되는 경우가 있어, 에지 손상의 발생을 완전히 방지하는 것이 곤란해진다.
일본 공개특허공보 2004－71319호에 개시된 세퍼레이터용 강판은, 전술과 같이 외층보다도 높은 연성을 갖는 금속 소재를 내층으로 하여 접합한 3층 클래드 강판에 관한 것으로, 그 최대의 특징은, 내층에 외층 소재보다도 높은 연성을 갖는 금속재를 접합함으로써, 프레스 성형 시에 비록 균열이 발생한 경우라도, 관통하는 균열의 발생을 방지할 수 있는 것이다. 그러나, 이 특징은, 클래드의 기능으로서는 아주 일반적으로 부가되는 기능의 하나에 지나지 않는다. 또한, 일본 공개특허공보 2001－239364호에는, 클래드강의 일체화 기술에 관하여 아무런 개시도 이루어지지 않았다.
본 발명은, 전술한 연료 전지 세퍼레이터에 스테인리스강을 적용하는 경우에 발생하는 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 저렴하고 대량 생산이 가능하며, 열간 가공성 및 성형성이 뛰어나 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터로서 최적인 B를 함유하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법의 제공을 목적으로 하고 있다. 또한, 그 소재를 이용한 후판 및 세퍼레이터용 강판의 제조 방법, 및 그들을 이용한 세퍼레이터 및 고체 고분자형 연료 전지의 제공도 목적으로 하고 있다.
본 발명자들은, 연료 전지 세퍼레이터에 최적인 스테인리스강을 개발하기 위해, 전기 전도성이 뛰어난 보라이드(붕화물)를 형성시키는 방법을 이용하고 있다. 즉, 보라이드를 표면의 부동태 피막에 덮이지 않게 돌출시키고, 표면에 직접 노출시킴으로써, 스테인리스강 표면의 전기 전도성을 장시간에 걸쳐 낮게 안정시키는 것이 가능해진다.
스테인리스강 표면에서의 보라이드의 돌출수를 일정 이상으로 확보하려면, 스테인리스강의 B 함유량을 0.3％ 이상으로 할 필요가 있지만, 일반적으로 B를 다량으로 함유하면, 스테인리스강은 강도, 경도가 높아져 연성이 저하되고, 열간 가공성이나 성형성이 저하되게 된다.
그런데, B 함유량이 0.3％ 미만인 스테인리스강을 선택하면, 열간 가공성이 개선되어 성형시의 변형 저항이 작아진다. 일반적으로, 열간 가공성은 재료의 변형 저항에 의해서 지배된다. 클래드 강판의 변형 저항은 각각의 층의 변형 저항에 복합칙을 적용하여 결정된다. 따라서, B 함유량이 많고 변형 저항이 큰 스테인리스강 단체에, B 함유량이 낮고 변형 저항이 작은 스테인리스강을 클래드함으로써 열간 가공성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명자들은, 본 발명이 대상으로 하는 3층 스테인리스 클래드강용 소재의 조립 시에 있어서, 압연 중에 에지 손상이 발생하지 않고, 또한 건전한 용접부가 얻어지는 제조 방법에 대해 예의 검토를 한 결과, 하기 (a)~(d)에 나타내는 지견을 얻었다.
(a) 가공면에 평행한 면 내에 있어서, 내층재의 폭 및／또는 길이를, 외층재와 프로텍트재를 합한 합계의 폭 및／또는 길이보다도 크게 함으로써, 스테인리스 클래드 강판용 소재의 고에너지 밀도 용접시의 용접 금속의 처짐(이하, 「비드 처짐」이라고도 함)을 방지할 수 있고 건전한 용접부가 얻어진다.
여기서, 「고에너지 밀도 용접」이란, 에너지 밀도가 105W／㎠ 이상인 에너지 밀도를 가진 용접으로서, 대표적인 예로서는, 플라스마 용접, 전자빔 용접, 레이저 용접 등이 해당된다.
특히, 전자빔 용접의 경우, 진공 중에 있어서 조합 용접을 행하기 때문에 내층재와 외층재 사이의 공기를 완전하게 배제할 수 있고, 열간 압연이나 열간 단조에 있어서 박리를 일으키지 않는다는 이점을 가진다.
(b) 외층재의 측면에 프로텍트재를 접합할 때에 있어서, 외층재의 측면에, 그 길이를 초과하는 길이의 프로텍트재를 배치하고, 외층재의 측면과 대향하는 프로텍트재의 대향면 상으로서 외층재의 측면의 길이를 초과하는 부분에 후술하는 탭재를 설치하고, 탭재와 프로텍트재의 경계부를 기점으로 하여 접합함으로써, 비드 처짐의 발생을 방지하고, 또 용접 비드의 비정상 영역이 본체에 침입하는 것을 막아 안정된 비드 형상의 확보 및 수율의 향상을 기대할 수 있다.
(c) 또한, 내층재와 2장의 외층재를 겹쳐 얻어진 겹침재의 측면에, 겹침재의 전체 두께를 덮는 두께를 갖고 또한 상기 측면의 길이를 초과하는 길이의 프로텍트재를 배치하고, 더하여 상기 측면의 길이를 초과하는 프로텍트재의 부분에 탭재를 배치하고, 이들을 접합 일체화하여 3층 스테인리스 클래드강용 소재로 함으로써 압연 중에서의 에지 손상을 방지할 수 있다.
(d) 내층재의 두께를 t0(㎜), 2장의 외층재의 전체 두께를 t1(㎜), 내층재 및 외층재의 재료 특성인 신장을 각각 ε0(％) 및 ε1(％)로 했을 때, 하기 (2)식에 의해 산출되는 신장 εM의 값이 40％ 이상이 되도록 제작된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 이용하여 클래드 강판을 제조함으로써, 프레스 성형성이 뛰어난 강판을 얻을 수 있다.
εM=ε0×t0／(t0+t1)+ε1×t1／(t0+t1)…(2)
본 발명은, 상기의 지견에 의거하여 완성된 것으로, 그 요지는, 하기 (1), (14) 및 (15)에 나타나는 3층 스테인리스 클래드 강판 및 그 제조 방법, (3)~(7), (9) 및 (10)에 나타나는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법, (2), (8) 및 (11)에 나타나는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재, (12) 및 (13)에 나타나는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 3층 스테인리스 클래드강 후판의 제조 방법 및 클래드강 후판 및 (16) 및 (17)에 나타나는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터 및 이 연료 전지에 있다.
(1) B 함유량이 0~0.3 질량％인 스테인리스강을 내층재로 하고, 이 내층재의 양면에 외층재로서 B 함유량이 0.3~2.5 질량％인 스테인리스강을 조합한 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판(이하, 「제1 발명」이라고도 함).
(2) B 함유량이 0~0.3 질량％인 스테인리스강을 내층재로 하고, 이 내층재의 양면에 외층재로서 B 함유량이 0.3~2.5 질량％인 스테인리스강을 조합하고, 또한 외층재의 가공면을 제외한 측면에 프로텍트재를 배치한 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재(이하, 「제2 발명」이라고도 함).
(3) 상기 (2)에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법으로서, 상기 내층재, 이 내층재의 양면에 배치된 외층재 및 프로텍트재를 각각 접합할 때, 상기 내층재, 외층재 및 프로텍트재의 경계부에 탭재를 배치하고, 이 탭재를 기점으로 하여 접합하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법(이하, 「제3 발명」이라고도 함).
(4) B 함유량이 0~0.3 질량％인 스테인리스강을 내층재로 하고, 이 내층재의 양면에 외층재로서 B 함유량이 0.3~2.5 질량％인 스테인리스강을 조합한 클래드 강판용 소재를 하기의 공정 1~5에서 나타낸 공정에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법(이하, 「제4 발명」이라고도 함).
공정 1：외층재의 가공면을 제외한 측면에 이 측면의 길이를 초과하는 길이의 프로텍트재를 배치하고, 상기 측면과 대향하는 프로텍트재의 대향면 상으로서 상기 측면의 길이를 초과하는 부분에 탭재를 배치하는 공정
공정 2：상기 공정 1에서 배치된 탭재와 프로텍트재의 경계부 및 외층재와 프로텍트재의 경계부를, 탭재와 프로텍트재의 경계부를 기점으로 하여 접합하는 공정
공정 3：상기 탭재 및 탭재와 접합한 프로텍트재의 부분을 제거하고, 외층재와 프로텍트재의 접합물로 하는 공정
공정 4：상기 내층재의 접합면과 외층재의 접합면이 접하도록, 상기 내층재와, 상기 공정 3에서 제작된 외층재와 프로텍트재의 접합물을 겹쳐 조합재로 하는 공정
공정 5：상기 공정 4에서 얻어진 조합재에서의 외층재와 내층재의 경계부 및 프로텍트재와 내층재의 경계부를 접합하여 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재로 하는 공정
(5) 상기 가공면에 평행한 면내에 있어서, 상기 내층재의 폭 및／또는 길이가, 상기 접합물의 외층재와 프로텍트재를 합친 합계의 폭 및／또는 길이보다도, 측면의 편측 당 7㎜ 미만의 범위 내에서 크거나, 또는 작은 것을 특징으로 하는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법(이하, 「제 5 발명」이라고도 함).
(6) B 함유량이 0~0.3 질량％인 스테인리스강을 내층재로 하고, 이 내층재의 양면에 외층재로서 B 함유량이 0.3~2.5 질량％인 스테인리스강을 조합한 클래드 강판용 소재를 하기 공정 1~7에서 나타낸 공정에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법(이하, 「제6 발명」이라고도 함).
공정 1：내층재의 접합면과 외층재의 접합면이 접하도록, 상기 내층재와 외층재를 겹쳐 겹침재로 하는 공정
공정 2 : 상기 공정 1에서 얻어진 겹침재의 가공면을 제외한 측면에, 이 겹침재의 전체 두께를 덮는 두께를 갖고 이 측면의 길이를 초과하는 길이의 프로텍트재를 배치하고, 상기 측면과 대향하는 프로텍트재의 대향면 상으로서 상기 측면의 길이를 초과하는 부분에 탭재를 배치하는 공정
공정 3：상기 공정 2에서 배치된 탭재와 프로텍트재의 경계부 및 외층재와 프로텍트재의 경계부를 탭재와 프로텍트재의 경계부를 기점으로 하여 접합하는 공정
공정 4：상기 탭재 및 탭재와 접합한 프로텍트재의 부분을 제거하고, 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물로 하는 공정
공정 5：상기 공정 4에서 제작된 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물의 가공면 상으로서 외층재와 프로텍트재의 경계부의 단부에, 탭재를, 그 1면이 상기 공정 2에 있어서 프로텍트재를 배치하고 있지 않은 측면과 공통면을 이루도록 배치하는 공정
공정 6 : 상기 공정 5에서 탭재를 배치한, 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물에 있어서, 프로텍트재가 배치되어 있지 않은 측면에서의 외층재와 내층재의 경계부를, 프로텍트재를 기점으로 하여 접합하고, 또한 상기 측면의 외층재와 프로텍트재의 경계부 및 내층재와 프로텍트재의 경계부를, 탭재를 기점으로 하여 접합하는 공정
공정 7：상기 탭재를 제거하고, 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재로 하는 공정
(7) 상기의 접합이 고에너지 밀도 용접인 것을 특징으로 하는 상기 (3)~(6)의 어느 하나에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법(이하, 「제7 발명」이라고도 함).
(8) 상기 내층재 및 외층재의 겹침면의 평탄도가 3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 상기(2)에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재(이하, 「제8 발명」이라고도 함).
(9) 상기 내층재 및 외층재의 겹침면의 평탄도가 3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (3)~(7) 중 어느 하나에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법(이하, 「제9 발명」이라고도 함).
(10) 상기 고에너지 밀도 빔의 방향이 가공면에 수직인 방향의 용접인 용접부 횡단면에 있어서, 피용접재의 표면으로부터의 패임량을 A, 피용접재의 표면으로부터의 비드 깊이를 B로 했을 때, A가 5㎜ 이하이며, B가 15㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (7) 또는 (9)에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법(이하, 「제10 발명」이라고도 함).
(11) 상기 (3)~(7) 또는 (9)의 어느 하나에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법에 의해 제조된 클래드 강판용 소재로서, 상기 내층재의 두께를 t0(㎜), 2장의 외층재의 전체 두께를 t1(㎜), 내층재 및 외층재의 재료 특성인 신장을 각각 ε0(％) 및 ε1(％)로 했을 때, 하기 (1)식에 의해 나타나는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재(이하, 「제11 발명」이라고도 함).
ε0×t0／(t0+t1)+ε1×t1／(t0+t1)≥40％…(1)
(12) 상기 (3)~(7), (9) 혹은 (10)의 어느 하나에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재 또는 상기 (2), (8) 혹은 (11)의 어느 하나에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 1000~1200℃로 가열한 후, 가공 종료 온도를 600℃ 이상으로 하는 열간 예비 가공을 행하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 3층 스테인리스 클래드강 후판의 제조 방법(이하, 「제12 발명」이라고도 함).
(13) 상기(12)에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 3층 스테인리스 클래드강 후판.(이하, 「제13 발명」이라고도 함).
(14) 상기 (3)~(7), (9) 혹은 (10)의 어느 하나에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재 또는 상기 (2), (8) 혹은 (11)의 어느 하나에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 1000~1200℃로 가열한 후, 조압연을 행하고, 다음에 압연 종료 온도를 600℃ 이상으로 하는 열간 압연을 행하고, 그 후 냉간 압연을 행하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 3층 스테인리스 클래드 강판의 제조 방법(이하, 「제14 발명」이라고도 함).
(15) 상기 (13)에 기재된 3층 스테인리스 클래드강 후판을, 다시 1000~1200℃로 가열한 후, 조압연을 행하고, 다음에 압연 종료 온도를 600℃ 이상으로 하는 열간 압연을 행하고, 그 후 냉간 압연하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 3층 스테인리스 클래드 강판의 제조 방법(이하, 「제15 발명」이라고도 함).
(16) 상기 (14) 또는 (15)에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 3층 스테인리스 클래드 강판을 이용한 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터(이하, 「제16 발명」이라고도 함).
(17) 상기 (16)에 기재된 고체 고분자형 연료 수지 세퍼레이터를 이용한 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지(이하, 「제17 발명」이라고도 함).
본 발명에 있어서, 「가공면」이란, 압연이나 단조 등의 가공을 받는 면을 말하고, 「가공면을 제외한 측면」이란, 상기의 가공면 이외의 면 중 적어도 대향하는 측부의 2면을 말한다. 예를 들어, 압연의 경우는, 압연 롤과 접촉하지 않는 길이 방향의 2측면, 또는 이들을 포함하여 머리부나 꼬리부의 단면이 포함되어 있어도 된다. 단조의 경우는, 램과 접촉하지 않는 대향하는 측부의 2면, 또는 이들을 포함하여 모두 3~4면이 포함되어도 된다.
「측면의 편측 당 7㎜ 미만의 범위 내에서 크거나 또는 작다」란, 내층재의 대향하는 2측면 중 편측 측면에 대해 7㎜ 미만의 범위 내에서 크거나, 또는 작은 것을 의미하고, 2측면 모두 크거나 또는 작은 것을 말한다.
「내층재 및 외층재의 두께」란, 각각의 가공면에 수직인 방향의 치수를 의미하고, 또 「프로텍트재의 두께」란, 프로텍트재를 내층재 및 외층재로 이루어진 겹침재의 측면에 배치했을 때, 이 겹침재의 두께 방향의 프로텍트재 치수를 의미한다. 또, 「프로텍트재의 폭」이란, 가공면에 평행한 면 내에서 프로텍트재와 외층재와의 용접선과 직행하는 방향에서의 프로텍트재 치수를 의미한다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 화학 조성의 「％」는 「질량％」를 의미한다.
도 1은, 제4 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정을 나타내는 도면으로서, 도 1a는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 배치 방법을 나타내는 도면이고, 도 1b는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 배치 후 상태를 나타내는 도면이 고, 도 1c는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계부를 접합하는 것을 나타내는 도면이고, 도 1d는 탭재 및 탭재가 접합된 프로텍트재 부분을 제거하고 외층재와 프로텍트재의 접합물로 한 상태를 나타내는 도면이고, 그리고, 도 1e는 외층재와 프로텍트재의 접합물과 내층재를 겹치고, 측면의 경계부를 접합하여 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재로 하는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는, 제6 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정을 나타내는 도면으로서, 도 2a는 내층재 및 외층재를 겹쳐 겹침재로 한 상태를 나타내는 도면이고, 도 2b는 겹침재, 프로텍트재 및 탭재의 배치 방법을 나타내는 도면이고, 도 2c는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 배치 후의 상태를 나타내는 도면이고, 도 2d는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계부를 접합하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은, 제6 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정을 나타내는 도면으로서, 도 3a는, 상기 도 2d에서의 탭재 및 탭재가 접합된 프로텍트재 부분을 제거하고, 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물로 한 상태를 나타내는 도면이고, 도 3b는 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물에 탭재를 배치한 후 프로텍트재가 배치되지 않은 측면에서의 각 경계부를 접합하는 것을 나타내는 도면이고, 도 3c는 탭재를 제거하여 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재로 하는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는, 제4 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정을 나타내는 도면으로서, 도 4a는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계부의 접합 방법을 상세히 나타내는 도면이고, 도 4b는 조합재에서의 외층재와 내층재의 경계부 및 프로 텍트재와 내층재의 경계부의 접합 방법을 상세히 나타내는 도면이다.
도 5는, 제6 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정을 나타내는 도면으로서, 도 5a는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계부의 접합 방법을 상세히 나타내는 도면이고, 도 5b는 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물에 탭재를 배치한 후의, 프로텍트재가 배치되지 않은 측면에서의 각 경계부의 접합 방법을 상세히 나타내는 도면이다.
도 6은, 용접 비드의 패임 및 비드 처짐을 모식적으로 나타내는 도면으로서, 도 6a는 수직 방향 용접에서의 비드의 횡단면을 나타내는 도면이고, 도 6b는 수평 방향 용접에서의 비드의 횡단면을 나타내는 도면이다.
도 7은, 고체 고분자형 연료 전지의 구조를 나타내는 도면으로서, 도 7a는 연료 전지 셀(단셀)의 분해도이며, 도 7b는 연료 전지 외관의 사시도이다.
도 8은, 실시예에서 이용한 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 구성을 나타내는 도면이고, 도 8a는 제4 발명 및 제5 발명의 발명예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 8b는 제6 발명의 발명예의 구성을 나타내는 도면이다.
전술과 같이, 본 발명은, 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법, 상기 강판용 소재, 상기 강판용 소재를 이용한 후판 및 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터용 강판의 제조 방법 및 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터 및 고체 고분자형 연료 전지에 관한 것이다. 이하에, 본 발명의 내용에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
1. 3층 스테인리스 클래드 강판의 구성재
본 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판은 B 함유량이 0~0.3％인 스테인리스강을 내층으로 하고, 그 양면에 외층으로서 B 함유량이 0.3~2.5%인 스테인리스강을 조합한 것을 특징으로 하고 있다. 외층 스테인리스강 및 내층 스테인리스강은, 다음의 구성에 의한다.
1－1. 외층 스테인리스강
외층 스테인리스강은, 내층 스테인리스강의 양면에 조합되어 클래드 강판을 구성한다. 그 B 함유량이 0.3％ 미만이 되면, 부동태 피막에 덮인 표면으로부터 직접 노출하는 보라이드의 돌출수가 감소하고, 접촉시의 전기 저항(이하, 「접촉 저항」이라고도 함)이 증대한다.
한편, B 함유량이 2.5％를 초과하면, 세퍼레이터의 가공에 필요한 성형성을 확보할 수 없다. 따라서, 외층 스테인리스강의 B 함유량은, 0.3~2.5％로 한다. 또한, B 함유량을 0.8~2％로 하는 것이 바람직하다.
1－2. 내층 스테인리스강
내층 스테인리스강의 B 함유량은 적을수록 좋고, 0~0.3％로 한다. 이것은, B 함유가 0.3％를 초과하면, 열간 가공 시에 균열이 발생할 우려가 있기 때문이다. 그 때문에, 내층 스테인리스강은 B를 함유하지 않아도 되지만, 함유하는 경우는, 0.3％ 이하로 제한하는 것으로 하였다. 또, 내층 스테인리스강은, 페라이트계 또는 오스테나이트계 스테인리스강의 어느 하나라도 좋지만, 외층 스테인리스강과 화학 조성을 유사하게 하는 것이 바람직하다.
접촉하는 금속의 화학 조성이 크게 상이하면 전위차가 커지고, 부식이 촉진되게 된다. 따라서, 본 발명에서는, 스테인리스 클래드 강판의 내식성을 확보하는 관점으로부터, 외층재 및 내층재로서 이용하는 스테인리스강의 전위차가 적어지도록 성분 설계하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제4 발명에서 규정하는 강판용 소재의 제조 방법의 경우, 상기 제5 발명에서 규정하는 바와 같이, 내층재의 크기에 대해서는, 외층재와 프로텍트재를 합한 치수보다도 크게 하거나, 또는 작게 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 고에너지 밀도 용접에서의 고에너지 밀도 빔의 방향이 내층면이나 외층면의 가공면에 평행한 방향(즉, 수평 방향을 향함)으로 용접하는 경우에서의 용접 금속 처짐의 발생을 방지하기 때문이다.
내층재의 폭 및／또는 길이를 외층재와 프로텍트재를 합한 합계의 폭 및／또는 길이보다도 크게 한 경우에는, 먼저 상측의 외층재와 프로텍트재의 접합물과, 내층재와의 경계부를 용접하고, 다음에 하측의 외층재와 프로텍트재의 접합물과, 내층재와의 경계부에 대해서는 이들로 이루어지는 조합재의 상하를 반전하고 나서 용접한다. 반대로, 내층재의 폭 및／또는 길이를 외층재와 프로텍트재를 합한 합계의 폭 및／또는 길이보다도 작게 한 경우에는, 먼저 하측의 외층재와 프로텍트재의 접합물과, 내층재와의 경계부를 용접하고, 다음에 상측의 외층재와 프로텍트재의 접합물과, 내층재와의 경계부에 대해서는, 이들로 이루어지는 조합재의 상하를 반전하고 나서 용접한다.
2. 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재 제조의 전체 공정
클래드 강판용 소재의 제조 공정에 대해 설명한다. 클래드 강판용 소재의 제조 방법(조립 방법)에는, 상기 제4 발명의 제조 방법(이하, 「조립 방법 A」라고도 함) 및 상기 제6 발명의 제조 방법(이하, 「조립 방법 B」라고도 함)의 2종류의 조립 방법이 있다.
2－1. 조립 방법 A
도 1은, 제4 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정을 나타내는 도면으로서, 도 1a는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 배치 방법을 나타내는 도면이고, 도 1b는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 배치 후 상태를 나타내는 도면이고, 도 1c는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계부를 접합하는 것을 나타내는 도면이고, 도 1d는 탭재 및 탭재가 접합된 프로텍트재 부분을 제거하고 외층재와 프로텍트재의 접합물로 한 상태를 나타내는 도면이고, 그리고, 도 1e는 외층재와 프로텍트재의 접합물과 내층재를 겹치고, 측면의 경계부를 접합하여 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재로 하는 것을 나타내는 도면이다. 각 공정에 대해 하기에 설명한다.
1) 공정 1
공정 1은, 외층재(2)의 가공면(21)을 제외한 측면(22)에 상기 측면의 길이를 초과하는 길이의 프로텍트재(3)를 배치하고, 상기 측면(22)과 대향하는 프로텍트재의 대향면(31) 상으로서 상기 측면의 길이를 초과하는 부분(32)에 탭재(4)를 배치하는 공정이다.
또한, 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 경계부(6) 및 탭재(4)와 프로텍트재(3) 의 경계부(5)에서의 접합시의 용접 균열을 방지하기 위해서, 상기 경계 부분에 B를 함유하는 인서트재(12)를 개재시켜 외층재(2), 프로텍트재(3) 및 탭재(4)를 배치하는 것이 바람직하다. 또, 외층재(2)와 접합하는 내층재(1)의 접합면은, 미리 기계 가공에 의해 연마해 두는 것이 바람직하다. 접합면의 기계 가공 방법으로서는, 예를 들어 프라이스 가공을 이용할 수 있다.
2) 공정 2
공정 2는, 상기 공정 1에서 배치된 탭재(4)와 프로텍트재(3)의 경계부(5) 및 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 경계부(6)를, 탭재(4)와 프로텍트재(3)의 경계부(5)를 기점으로 하여 접합하는 공정이다. 탭재(4)와 프로텍트재(3)의 경계부(5)를 기점으로 하여 접합하는 것은, 후술과 같이 고에너지 밀도 용접에 의해 접합할 때에, 비드 처짐의 발생을 방지하기 위함이다. 여기서, 도면 중의 부호 10은 용접 비드를 나타낸다.
3) 공정 3
공정 3은, 상기 탭재(4) 및 탭재(4)와 접합한 프로텍트재의 부분을 제거하고, 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 접합물(7)로 하는 공정이다.
4) 공정 4
공정 4는, 상기 내층재(1)의 접합면과 외층재(2)의 접합면이 접하도록, 상기 내층재(1)와 상기 공정 3에서 제작된 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 접합물을 겹쳐 조합재로 하는 공정이다.
또한, 내층재(1)와 접합하는 외층재(2)의 접합면은, 미리 기계 가공에 의해 연마해 두는 것이 바람직하다. 접합면의 기계 가공 방법으로서는, 예를 들어 프라 이스 가공을 이용할 수 있다.
5) 공정 5
공정 5는, 상기 공정 4에서 얻어진 조합재에서의 외층재(2)와 내층재(1)의 경계부(13) 및 프로텍트재(3)와 내층재(1)의 경계부(14)를 각각 접합하여 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재(8)로 하는 공정이다.
상기의 공정에 의해 제조된 클래드 강판용 소재(8)를 가열 후, 압연 또는 단조 가공을 실시하여 스테인리스 클래드 강판으로 하고, 나아가서는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터나 고체 고분자형 연료 전지를 제조한다.
2－2. 조립 방법 B
도 2는, 제6 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정을 나타내는 도면으로서, 도 2a는 내층재 및 외층재를 겹쳐 겹침재로 한 상태를 나타내는 도면이고, 도 2b는 겹침재, 프로텍트재 및 탭재의 배치 방법을 나타내는 도면이고, 도 2c는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 배치 후 상태를 나타내는 도면이고, 도 2d는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계부를 접합하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은, 제6 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정을 나타내는 도면으로서, 도 3a는 상기 도 2d에서의 탭재 및 탭재가 접합된 프로텍트재 부분을 제거하고, 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물로 한 상태를 나타내는 도면이고, 도 3b는 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물에 탭재를 배치한 후 프로텍트재가 배치되지 않은 측면에서의 각 경계부를 접합하는 것을 나타내는 도면이고, 도 3c는 탭재를 제거하여 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재로 하는 것을 나 타내는 도면이다. 각 공정에 대해 하기에 설명한다.
1) 공정 1
공정 1은, 내층재(1)의 접합면과 외층재(2)의 접합면이 접하도록, 상기 내층재(1)와 외층재(2)를 겹쳐 겹침재로 하는 공정이다. 또한, 내층재(1)와 외층재(2)의 접합면은, 미리 기계 가공에 의해 연마해 두는 것이 바람직하다. 접합면의 기계 가공 방법으로서는, 예를 들어 프라이스 가공을 이용할 수 있다.
2) 공정 2
공정 2는, 상기 공정 1에서 얻어진 겹침재의 가공면(21)을 제외한 측면(22)에, 이 겹침재의 전체 두께(t0＋t1)를 덮는 두께를 갖고 이 측면(22)의 길이를 초과하는 길이의 프로텍트재(3)를 배치하고, 상기 측면(22)과 대향하는 프로텍트재의 대향면(31) 상으로서, 상기 측면의 길이를 초과하는 부분(32)에 탭재(4)를 배치하는 공정이다. 또한, 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 경계부(6) 및 탭재(4)와 프로텍트재(3)의 경계부(5)에서의 접합시의 용접 균열을 방지하기 위해, 상기 경계 부분에 B를 함유하는 인서트재(12)를 개재시켜 외층재(2), 프로텍트재(3) 및 탭재(4)를 배치하는 것이 바람직하다.
3) 공정 3
공정 3은, 상기 공정 2에서 배치된 탭재(4)와 프로텍트재(3)의 경계부(5) 및 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 경계부(6)를, 탭재(4)와 프로텍트재(3)의 경계부(5)를 기점으로 하여 접합하는 공정이다. 탭재(4)와 프로텍트재(3)의 경계부(5)를 기 점으로 하여 접합하는 이유는, 후술과 같이, 고에너지 밀도 용접에 의해 접합할 때에 용접 금속의 처짐(이하, 「비드 처짐」이라고도 함)의 발생을 방지하기 위함이다.
4) 공정 4
공정 4는, 상기 탭재(4) 및 탭재(4)와 접합한 프로텍트재의 부분을 제거하고, 내층재(1)와 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 접합물(7)로 하는 공정이다.
5) 공정 5
공정 5는, 상기 공정 4에서 제작된 내층재(1)와 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 접합물(7)의 가공면(21) 상으로서, 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 경계부(6)의 단부에, 탭재(41)를, 그 일면(42)이 상기 공정 2에 있어어 프로텍트재(3)를 배치하고 있지 않은 측면(23)과 공통면을 이루도록 배치하는 공정이다.
6) 공정 6
공정 6은, 상기 공정 5에서 탭재(41)룰 배치한, 내층재(1)와 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 접합물(7)에 있어서, 프로텍트재(3)가 배치되지 않은 측면(23)에서의 외층재(2)와 내층재(1)의 경계부(13)를, 프로텍트재(3)를 기점으로 하여 접합하고, 또한 상기 측면(23)의 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 경계부(113) 및 내층재(1)와 프로텍트재(3)의 경계부(114)를, 탭재(41)를 기점으로 하여 접합하는 공정이다.
7) 공정 7
공정 7은, 상기 탭재(41)를 제거하고, 내층재(1)와 외층재(2)와 프로텍트재(3)가 접합된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재(8)로 하는 공정이다.
상기의 공정에 의해 제조된 클래드 강판용 소재(8)를 가열 후, 압연 또는 단조 가공을 실시하여 스테인리스 클래드 강판으로 하고, 나아가서는 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터나 고체 고분자형 연료 전지를 제조한다.
3. 전자빔 용접에 의한 일체화
3－1. 전자 빔 용접
전술과 같이, 고에너지 밀도 용접으로서는, 플라스마 용접, 전자빔 용접 및 레이저 용접 등이 예시된다. 열간 압연 또는 냉간 압연 중의 내층재와 외층재의 박리나 프로텍트재의 박리라는 트러블을 방지하기 위해서는, 접합 강도가 큰 용접 방법을 채용할 필요가 있고, 이 관점에서 고에너지 밀도 용접을 이용한다.
이하에서는, 고에너지 밀도 용접으로서 전자빔 용접을 적용한 경우에 대해서 설명한다.
3층 스테인리스 클래드 강판에 이용하는 소재(슬라브)를 일체화하는 방법으로서는, 각종의 방법이 있고, 예를 들어, 폭착법, 용접법 또는 주물법 등이 일반적으로 이용되고 있다. 특히, 용접법은, 특수한 설비를 필요로 하지 않고, 간편한 장치에 의해 간단하게 실시할 수 있기 때문에 종래부터 널리 채용되고 있다.
그런데, 종래의 용접법에서는 열간 가공 중에 외층재(2)와 내층재(1)가 박리하지 않도록 다층 용접을 행할 필요가 있고, 그 때문에 많은 공정수를 필요로 하고 있었다. 또, 용접 시에 내층과 외층 사이의 공기를 완전히 제거하는 것이 곤란하고, 열간 가공 후의 초음파 검사에 있어서, 잔존 공기에 기인하는 결함이 다수 검출되는 일이 있었다.
이것에 대해서, 전자빔 용접법에 의하면, 기압이 0.133Pa(1×10-3Torr) 이하인 진공 중에서 용접을 행하기 때문에, 잔존 공기에 의한 결함 발생의 우려가 없고, 또, 1 패스의 용접에 의해 충분한 강도를 확보할 수 있다. 이 때문에, 전자빔 용접법의 경우에는, 종래의 용접법과 비교하여 대폭적인 공정수 삭감을 할 수 있음과 더불어, 초음파 검사에 의해 검출되는 결함도 거의 없고, 품질 및 수율의 양면에 있어서 현저하게 뛰어난 특성을 가진다.
3－2. 겹침면의 평탄도
내층재 및 외층재의 겹침면은, 기계 가공 등에 의해 평탄도가 3㎜ 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 후술하는 열간 압연에서의 겹침면의 접합성을 확보하기 위함이다.
평탄도가 3㎜를 초과하여 커지면, 열간 압연에서의 접합 불량이 발생하기 쉽고, 그 후의 공정에서 재료의 박리나 팽창 등의 트러블이 발생하기 쉽고, 나아가서는 내층재 및 외층재의 계면을 용접할 때에 적절한 용접 비드가 형성되지 않기 때문에 바람직하지 않다. 또, 접합 불량의 방지 및 내층재와 외층재의 계면 용접 시에서의 용접 비드 불량의 방지의 관점으로부터, 더욱 바람직하게는 평탄도를 1㎜ 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
또, 최종 제품에서의 클래드비(클래드 강판의 전체 두께에 대한 외층재의 두께의 비율)를 균일하게 하기 위해, 접합면의 평탄도의 관리에 더하여 내층재 및 외층재의 각각의 판두께 분포도 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.
또한, 평탄도는, 일반적으로 물결 형상, 버클링, 휨 형상 등에 의해 나타나지만, 본 발명에 있어서는, 물결 형상을 채용하고, 2m의 곧은자(直尺)를 내층재 및 외층재의 표면에 닿게 했을 때의 파고에 의해 규정하였다.
4. 프로텍트재의 접합
4－1. 접합 조건
본 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재(8)에서는, 외층재(2)가 B함유 스테인리스강이며, 열간 가공 중에 균열이 생길 우려가 있다. 이 때문에, 외층재(2)의 가공면(21)을 제외한 측면(22)에 프로텍트재(3)를 접합한다. 프로텍트재(3) 중의 B 함유량은 0.3％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 전술과 같이, B 함유량이 0.3％ 이하로 B 함유량이 낮은 프로텍트재(3)를, 외층재(2)의 가공면(21)을 제외한 측면(22)에 접합함으로써 압연 중에서의 에지 손상의 발생을 방지할 수 있다.
프로텍트재(3)는 압연 종료 후에 절단 제거되기 때문에, B 이외의 화학 조성은 특별히 규정하지 않는다. 또, 프로텍트재(3)는 열간 가공 중에 좌굴을 일으켜 박리될 위험성이 있기 때문에, 이것을 회피하기 위해, 프로텍트재(3)의 폭(도 1a 또는 도 2b에 있어서 L3에 의해 나타나는 치수)은 10㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
전술과 같이, 프로텍트재(3)가 접합되는 외층재(2)의 모재 스테인리스강은, B함유강이며, B를 함유하지 않은 프로텍트재(3)와의 조합으로 용접을 행하면, 용접 금속의 균열 감수성이 높아져 용접 균열을 발생시킬 우려가 있다. 즉, 프로텍트 재(3)로 희석된 용접 금속에서는, 액상으로부터의 보라이드(붕화물)의 생성이 생기기 어려워지고, B에 의한 저융점상의 소실이 지연되기 때문이다.
따라서, 프로텍트재(3)와 외층재(2)의 모재 스테인리스강의 B 함유량을 조정하고, 용접 균열을 방지하기 위해서, B를 함유하는 인서트재(12)로서 판, 박, 분말 등을 외층재(2)와 프로텍트재(3) 사이에 삽입, 또는 사이에 넣어 프로텍트재(3)의 접합을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 분말 등을 인서트재에 사용하는 경우에는, 프로텍트재(3)와 외층재(2) 및 탭재(4)의 경계부에는 예를 들어 V형 형상의 그루브를 마련하는 것이 바람직하다.
4－2. 전자빔 용접 조건
1) 용접 방향, 비드의 패임량, 비드 깊이 등
도 4는, 제4 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정(조립 방법 A)을 나타내는 도면이고, 도 4a는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계부의 접합 방법을 상세히 나타내는 도면이고, 도 4b는 조합재에서의 외층재와 내층재의 경계부 및 프로텍트재와 내층재의 경계부의 접합 방법을 상세히 나타내는 도면이다.
도 5는, 제6 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 공정(조립 방법 B)을 나타내는 도면이고, 도 5a는 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계부의 접합 방법을 상세히 나타내는 도면이고, 도 5b는 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물에 탭재를 배치한 후의, 프로텍트재가 배치되지 않은 측면에서의 각 경계부의 접합 방법을 상세히 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 5a에 나타나는 바와 같이, 외층재, 프로텍트재 및 탭재의 경계 부를 접합하는 경우에는, 도면 중의 부호 V로 나타내는 바와 같이, 전자빔의 방향을 외층재(2)의 가공면(21)에 수직인 방향으로 한 상태로 빔을 수평 방향으로 이동시키면서 용접한다. 이러한 조건으로 용접하는 것을 이하의 설명에서는 「수직 방향 용접」이라고 한다.
또, 도 4b에 나타나는 바와 같이, 외층재(2)와 내층재(1)의 경계부(13) 및 프로텍트재(3)와 내층재(1)의 경계부(14)를 접합하는 경우에는, 도면 중의 부호 H로 나타내는 바와 같이, 전자 빔의 방향을 외층재(2)의 가공면(21)과 평행한 방향으로 한 상태로 빔을 이동시키면서 용접한다. 마찬가지로, 도 5b에 나타나는 바와 같이, 탭재(41)를 배치한, 내층재(1)와 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 접합물(7) 중, 프로텍트재(3)가 배치되지 않은 측면(23)에서의 외층재(2)와 내층재(1)의 경계부(13)를 접합하는 경우 및 상기 측면(23)의 외층재(2)와 프로텍트재(3)의 경계부(113) 및 내층재(1)와 프로텍트재(3)의 경계부(114)를 접합하는 경우에도, 도면 중의 부호 H로 나타내는 바와 같이, 전자빔의 방향을 외층재(2)의 가공면(21)과 평행한 방향으로 한 상태로 빔을 이동시키면서 용접한다. 이러한 조건으로 용접하는 것을 이하의 설명에서는 「수평 방향 용접」이라고 한다.
2) 수직 방향 용접
수직 방향 용접에 있어서, 탭재를 마련하지 않은 경우에는, 용접의 기점부에 용접 금속의 처짐이 발생하고, 그 부분을 기점으로 하여 응고 균열이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 탭재의 부분을 기점으로 하여 용접을 개시하고, 또한 용접 개시 시에는 용접 전류를 슬로프 형상으로 증가시키도록 제어하며, 또한 용접 종료 시에는 용접 전류를 슬로프 형상으로 감소시키도록 제어한다. 이렇게 함으로써, 비드 처짐의 발생을 방지할 수 있고 또, 본체의 외층재와 프로텍트재의 용접 비드의 안정화를 도모할 수 있다. 또한, 슬로프형상으로 용접 전류를 증감시킴으로써, 음극을 포함한 설비 보호로의 기여도 기대할 수 있다.
도 6은, 용접 비드(10)의 패임 및 비드 처짐을 모식적으로 나타내는 도면이고, 도 6a는 수직 방향 용접에서의 비드의 횡단면을 나타내는 도면이고, 도 6b는 수평 방향 용접에서의 비드의 횡단면을 나타내는 도면이다.
도 6a에 나타나는 바와 같이, 수직 방향(V방향) 용접의 경우에, 대용접 전류를 설정하여 용접 비드 깊이를 크게 하고자 한 경우에는, 용접 비드의 방향으로 수직인 단면에 있어서, 비드 중앙부에 패임(오목부)이 생기고, 또한 비드의 양측부에는 비드의 융기(볼록부)가 생긴다. 이것을 방치하면, 후의 압연 공정에 있어서 양측부의 융기된 비드가 표면 흠이 되어 잔류하므로 바람직하지 않다.
피용접재의 표면으로부터의 비드의 패임량을 A로 했을 때, 비드의 융기에 기인하여 압연 공정에서 표면 흠이 발생하는 것을 방지하기 위해서는, 상기 A의 값을 5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.
수직 방향 용접 후에, 상기 A의 값이 5㎜를 초과하고 있는 경우에는, 이 패임부의 양측에 있는 볼록부의 금속을 패임부에 흘려 넣어 패임부를 메우기 위한 평탄화 용접을 행하고, 상기 A의 값이 5㎜ 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 평탄화 용접 후에 볼록부의 잔부가 있는 경우에는, 그라인더나 숫돌 등에 의해 볼록부를 제거한다. 용접 전류가 낮은 경우에는, 패임부(오목부)도 작고, 또 패임부의 양측에 있는 볼록부도 작기 때문에, 볼록부만을 그라인더나 숫돌 등에 의해 제거한다.
또한, 압연 중에 프로텍트재와 외층재의 박리를 방지하고, 충분한 에지 손상 방지 효과를 얻기 위해서, 상기 비드 깊이 B의 값을 15㎜ 이상으로 하여 충분한 용접 강도를 확보하는 것이 바람직하다.
3) 수평 방향 용접
한편, 수평 방향(H 방향) 용접의 경우, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 비드 처짐(11)이 생길 우려가 있다. 이 비드 처짐(11)이 발생하면, 압연 중에 이것이 박리하여 표면 압압 흠의 원인이 될 위험성이 있으므로, 바람직하지 않다.
이것을 방지하기 위해, 후술하는 바와 같이 내층재의 폭 및／또는 길이를, 외층재와 프로텍트재를 합친 합계의 폭 및／또는 길이보다도 크게 하거나, 또는 작게 함으로써, 양자간에 단차를 마련하는 것이 유효하다.
또, 수평 방향 용접의 경우, 수직 방향 용접의 경우와 같이 탭재를 배치하여 용접 개시 및 종료 위치에서의 비드 처짐을 방지하는 것도 가능하지만, 작업 효율이 저하되므로 바람직하지 않다. 이 경우는, 상기한 바와 같이 용접 개시시 및 종료시에 있어서 용접 전류를 슬로프 형상으로 증감하여 용접 개시 위치 및 종료 위치에서의 비드 처짐을 방지하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 조작을 행해도 도 6b에 나타낸 바와 같은 비드 처짐이 발생한 경우는, 비드 처짐에 의해 생긴 오목부에 대해서 평탄화 용접을 행하여 매움을 행함과 더불어, 비드 처짐부에 대해서는 그라인더나 숫돌 등에 의해 제거하면 좋다.
5. 내층재, 외층재 및 프로텍트재의 크기
전술한 바와 같이, 특히 제4 발명에 따른 강판용 소재의 제조 방법의 경우에는, 수평 방향 용접에서의 비드 처짐을 방지하기 위해서는, 제5 발명에서 규정하는 바와 같이, 압연 또는 단조에 의한 가공면에 평행한 면 내에 있어서, 내층재의 폭 및／또는 길이가, 외층재와 프로텍트재의 접합물에서의 외층재와 프로텍트재의 합계의 폭 및／또는 길이보다도, 측면의 편측 당 7㎜ 미만의 범위 내에서 크게 하거나, 또는 작게 하는 것이 바람직하다.
내층재의 폭 및／또는 길이를 외층재와 프로텍트재의 접합물에서의 외층재와 프로텍트재의 합계의 폭 및／또는 길이보다도 크게 하거나, 또는 작게 함으로써, 전자빔 용접 시에서의 용접 금속의 처짐을 방지할 수 있어 바람직하기 때문이다. 이 경우, 상기 도 1e에 나타나는 바와 같이, 내층재의 폭 및／또는 길이를 L1, 외층재와 프로텍트재의 접합물에서의 외층재와 프로텍트재의 합계의 폭 및／또는 길이를 L2로 했을 때, 단지, L1＞L2 또는 L1＜L2에 의해 나타나는 관계를 만족하는 것 만으로는 상기의 효과는 충분하지 않고, 편측의 측면 당 7㎜ 미만의 범위 내에서, 양측의 측면에 있어서 함께 내층재 쪽이 커지거나 또는 작아지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 내층재를 외층재와 프로텍트재의 합계의 폭 및／또는 길이보다도 크게 하거나, 또는 작게 하는 양은, 용접 금속의 처짐을 방지하는 관점으로부터 편측 측면 당 0.5~7㎜로 하는 것이 더욱 바람직하다. 다만, 내층재의 크기를 편측 측면 당 5㎜ 이상 크게 하거나, 또는 작게 하면, 압연시의 에지 장력에 의해 에지 손상 이 발생할 위험성이 있기 때문에, 편측 측면에 대해 0.5㎜ 이상 5㎜ 미만의 범위에서 크게 하거나, 또는 작게 하는 것이 더 한층 바람직하다.
또, 내층재에 면취 가공을 실시하면 용접 금속의 처짐 및 균열을 방지하는 관점에서 보다 한층 바람직하다.
6. 외층재 및 내층재의 두께 및 재료의 신장 특성
3층 클래드 강판의 프레스 성형성에 대해서는, 클래드강의 신장(연성) 특성이 크게 영향을 미친다. 클래드 강판의 신장은 강판의 내층재의 판두께를 tS0(㎜), 강판의 2장의 외층재의 전체 판두께를 tS1(㎜), 내층재 및 외층재의 프레스 성형 가공 직전의 제품판의 재료 특성인 신장을 각각 ε0(％) 및 ε1(％)로 했을 때, 하기 (3) 식에 의해 나타난다.
ε0×tS0／(tS0+tS1)+ε1×tS1／(tS0+tS1)…(3)
클래드 강판용 소재를 구성하는 외층재 및 내층재는, 서로 접합된 상태로 압연 또는 단조에 의해 두께를 줄여 클래드 강판으로 되므로, 강판에 대한 상기 (3)식에서의 비 tS0／(tS0＋tS1) 및 비 tS1／(tS0＋tS1)의 값은, 각각, 클래드 강판용 소재의 단계에서의 상기 (2)식에서의 비 t0／(t0＋t1) 및 비 t1／(t0＋t1)의 값과 동일하다. 따라서, 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 외층재 및 내층재의 두께를 조정함으로써, 3층 스테인리스 클래드 강판의 외층재와 내층재의 판두께의 비율을 조정하고, 그 신장 특성을 제어할 수 있다.
클래드 강판의 신장이 우수할수록 프레스 성형성은 양호해진다. 본 발명자들의 이론적 검토에 의하면, 후술하는 바와 같이, 상기 (3)식에 의해 산출되는 신장, 즉 상기 (2)식에서 계산되는 신장 εM의 값이 40％ 미만에서는, 클래드 강판을 연료 전지 세퍼레이터의 형상으로 프레스 성형하는 과정에서 균열이 생기는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 상기 (2)식의 값이 40％ 이상이 되도록, 외층재 및 내층재의 두께 및 외층재 및 내층재의 재료 특성인 신장을 조정 또는 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 외층재의 양측에 있어서 동일한 전지 성능을 발휘시키기 위해서는, 내층재의 양외면에 조합되는 외층재의 판두께는 동일하게 하는 것이 바람직하다. 또, 내층재 및 외층재의 재료 특성인 신장 ε0(％) 및 ε1(％)에 대해서는, 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조에 앞서 각 사용 재료의 인장 시험을 행하고, 이들의 실측값(복수 회의 시험을 행한 경우에는, 그 평균값)을 이용하는 것이 바람직하다.
7. 클래드 강판용 소재를 이용한 클래드 강판의 제조 방법
B를 함유하는 클래드 강판용 소재의 가열 온도가 1000℃ 미만이면, 온도가 낮고 압연 중의 변형 저항이 커져, 압연 중에 박리될 우려가 있다. 이것에 대해서, 가열 온도가 1200℃를 초과하여 높아지면, 보라이드가 용융되고, 거기에 기인하여 균열이 발생하는 경우가 있다. 상기의 이유로부터, 클래드 강판용 소재의 가열 온도는 1000~1200℃로 하는 것이 바람직하다. 가열 온도를 1050~1200℃의 범위 로 하면 더욱 바람직하다.
열간 가공에서의 마무리 온도는, 에지 손상 방지의 관점에서는 높을수록 좋고, 또한 가공 종료 후의 온도가 600℃ 미만이 되면 인성이 열화된다. 이 때문에, 후판 압연 및 열연 강대 압연 등에서는 압연 종료 온도를 600℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 일반적으로, 열간 강대 압연은 가공도가 크기 때문에, 전자빔 용접에 의해 일체화된 슬라브를 그대로 열간 강대 압연하는 것은, 박리라는 압연 트러블을 유발할 우려가 있으므로 바람직하지 않다. 이 때문에, 열간 강대 압연을 행하기 전에, 후판 압연이나 단조 가공 등에 의해 사전에 내층재와 외층재의 접합 계면을 확산 접합에 의해 압착해 두는 것이 바람직하다.
도 7은, 고체 고분자형 연료 전지의 구조를 나타내는 도면으로서, 도 7a는 연료 전지 셀(단셀)의 분해도를, 도 7b는 연료 전지 외관의 사시도를 나타내고 있다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 연료 전지(15)는 단셀의 집합체이다. 단셀은, 도 7a에 나타내는 바와 같이 고체 고분자 전해질막(16)의 1면에 연료 전극막(애노드 : 17)을, 다른 면에는 산화제 전극막(음극 : 18)이 적층되어 있고, 그 양면에 세퍼레이터(19a, 19b)가 겹쳐진 구조로 되어 있다.
세퍼레이터(19a)에 설치되어 있는 유로(20a)로부터 연료 가스(수소 또는 수소 함유 가스)(G1)가 흘러 연료 전극막(17)에 수소가 공급된다. 또, 세퍼레이터(19b)에 설치되어 있는 유로(20b)로부터는 공기와 같은 산화성 가스(G2)가 흘러 산소가 공급된다. 이들 가스의 공급에 의해 전기 화학 반응이 생겨 직류 전력이 발생한다.
본 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판을, 상기와 같은 연료 전지용 세퍼레이터재로서 이용하는 경우에는, 열간 가공 후, 냉간 가공으로서 냉연 강대 압연을 실시하여 냉연 강판에 마무리 가공을 행하고, 얻어진 박판을 프레스 성형에 의해 소정의 단면 형상으로 성형 가공한다.
(실시예 1)
본 발명의 효과를 확인하기 위해, 외층재에는 B를 0.6％ 함유하고, 잔부는 SUS316L 상당의 재료를, 또한 내층재에는 B를 함유하지 않은 SUS316L 상당의 재료를, 그리고 프로텍트재 및 탭재에는 B를 함유하지 않은 SUS304L 상당의 재료를 이용하여 이하에 나타내는 시험을 행하였다. 표 1에, 사용한 각 스테인리스강의 화학 성분을 나타내었다.
Figure 112008025293340-pct00001
또한, 표 2에, 이용한 각 스테인리스강 슬라브 재료의 치수를 나타냈다.
Figure 112008025293340-pct00002
도 8은, 실시예에서 이용한 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 8a는 제4 발명 및 제5 발명의 발명예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 8b는 제6 발명의 발명예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8a에 나타낸 본 발명예의 시험인 Case1 및 Case2에서는, 상기 표 2에 나타낸 외층재(2)의 두께만을 덮는 두께를 갖는 프로텍트재(3)가 각 외층재(2)의 측면에 각각 전자빔 용접에 의해 접합되어 있다.
상기의 표 2에 나타낸 바와 같이, Case1에서는, 외층재의 폭 및 프로텍트재의 폭의 합계폭 및 외층재의 길이보다도 내층재의 폭 및 길이가, 가공면을 제외한 4 측면 모두 편측 측면에 대해 전부 2.5㎜씩 길고, 또 Case2에서는 가공면을 제외한 4측면 모두 편측 측면에 대해 전부 5㎜씩 길다.
이것에 대해서, 도 8b에 나타나는 본 발명예의 시험인 Case3에서는, 두께 140㎜인 내층재(1)의 상면 및 하면에 두께 60㎜인 2매의 외층재(2)가 겹쳐지고, 겹침재의 가공면을 제외한 측면에, 상기 겹침재의 전체 두께를 거의 덮는 두께를 갖는 프로텍트재(3)가 전자빔 용접에 의해 접합되고 있다. 상기 겹침재와 프로텍트재의 두께의 차이는 ±10㎜ 정도까지 허용 가능하고, 상기 표 2의 예에서는, 프로텍트재가 5㎜ 얇은 조건이 되고 있다.
비교예의 시험인 Case4에서는, 외층재와 내층재의 폭 및 길이가 동일한 재료를 이용하여 프로텍트재를 사용하지 않고 클래드 강판용 소재를 제작하였다.
또, 비교예의 시험인 Case5는, 클래드 강판용 소재가 아니고, B를 함유하는 SUS316L 상당재의 한 장의 슬라브의 양 측면에 프로텍트재를 접합하여 강판용 소재로 한 예이다.
Case1 및 Case2에 대해서는, 상기의 표 1 및 표 2에 나타낸 각 재료를 사용하여, 상기 제4 발명의 공정 1~5에 나타낸 공정에 의해 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 제조하였다. 각 재량의 접합은 전자빔 용접에 의해 행하였다.
공정 1에서는, 외층재 중의 프로텍트재와의 접합면을, 프라이스반에 의해 그 평탄도가 ±1㎜ 이하가 되도록 연마하는 처리도 행하였다.
공정 2에서는, 탭재와 프로텍트재의 경계부 및 외층재와 프로텍트재의 경계부를, 탭재와 프로텍트재의 경계부를 기점으로 하여 후술하는 표 3에 나타낸 조건의 수직 방향의 본 용접 및 평탄화 용접에 의해 접합하였다.
공정 3에서는, 탭재 및 탭재와 접합한 프로텍트재의 부분을 절단 제거하고, 외층재와 프로텍트재의 접합물(7)을 얻었다.
공정 4에서는, 제8 발명에서 규정하는 조건을 만족하도록, 내층재 중 외층재와의 접합면을, 프라이스반에 의해 그 평탄도가 ±1㎜ 이하가 되는 연마 처리도 행하였다.
공정 5에서는, 공정 4에 의해 얻어진 조합재의 외층재와 내층재의 경계부 및 프로텍트재와 내층재의 경계부를, 표 3에 나타나는 조건의 수평 방향의 본 용접 및 평탄화 용접에 의해 접합하였다.
한편, Case3의 시험에서는, 상기 제6 발명의 공정 1~7에 나타낸 공정에 의해 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 제조하였다. 각 재량의 접합은, 전자빔 용접에 의해 행하였다. 외층재 중 내층재와의 접합면을, 프라이스 가공에 의해 그 평탄도가 ±1㎜ 이하가 되도록 연마 처리도 행하였다.
공정 3에서는, 탭재와 프로텍트재의 경계부를 기점으로 하여, 후술하는 표 3에 나타낸 조건으로 수직 방향의 본 용접 및 평탄화 용접에 의해 접합하였다. 또한, 공정 6에서는, 공정 5에서 얻어진, 탭재를 배치한 내층재와 외층재의 접합물의 프로텍트재가 배치되지 않은 측면을 수평 방향의 본 용접에 의해 접합하였다.
표 3에, 전자빔 용접에서의 수직 방향의 본 용접 및 평탄화 용접 그리고 수평 방향의 본 용접 및 평탄화 용접에서의 용접 전류값 및 용접 속도의 각 조건을 나타내었다.
Figure 112008025293340-pct00003
표 4에, 용접 비드의 횡단면에서의 비드의 패임량(A) 및 비드 깊이(B)를 나타냈다.
Figure 112008025293340-pct00004
동 표에 나타나는 바와 같이, Case1, Case2 및 Case3의 각 케이스 모두, A의 값은 본 용접 후에 7㎜, 평탄화 용접 후에 2㎜이며, 또 B의 값은 60~62㎜로, 제10 발명에서 규정하는 바람직한 범위, 즉 A≤5㎜ 및 B≥15㎜를 만족하고 있다.
또한, Case4에서는, 프로텍트재를 사용하지 않고 클래드 강판용 소재를 제조했으므로, 수직 방향 용접은 불필요하고, 따라서 A, B의 값은 존재하지 않는다.
표 5에, 상기와 같이 하여 제조된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의, 수평 방향 용접에서의 평가 결과를 나타냈다.
Figure 112008025293340-pct00005
동 표의 평가란에 있어서, ○표시는 전자빔 용접에 의한 용접 금속의 처짐의 발생이 거의 없고, 용접 비드의 외관이 양호한 것을 나타내고, △표시는 용접 금속 처짐은 발생하지만, 연속적이지 않고, 그 발생 개소도 적은 것을 나타내고, ×표시는 용접 금속 처짐이 거의 연속적으로 발생한 것을 나타낸다.
Case1 및 Case2의 시험은, 제1 발명, 제2 발명, 제4 발명, 제5 발명 및 제7 발명~제10 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족하는 본 발명예에 대한 시험이다. 또, Case3의 시험은, 제1 발명, 제2 발명, 제6 발명~제10 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족하고, 또한 제5 발명에서 규정하는 조건을 클래드 강판용 소재의 선후 단면의 치수에 관해서 만족하는 본 발명예에 대한 시험이다. 그리고, Case4의 시험은, 프로텍트재를 사용하지 않기 때문에, 제4 발명에서 규정하는 공정 1~5 중 프로텍트재의 배치, 프로텍트재와 외층재의 접합, 프로텍트재의 일부의 제거, 프로텍트재와 내층재의 접합 등의 요건이 결여된 비교예에 대한 시험이다.
Case1 및 Case3의 선후 단면에서는 전자빔 용접에 의한 용접 금속의 처짐의 발생이 1변 당 1개소 이하로 거의 없고, 용접 비드의 외관이 양호한 클래드 강판용 소재가 얻어진다.
Case2에서는, 용접 금속 처짐의 발생은 일어났지만, 1변 당 3~5개소로 그 수는 적고, 용접 금속 처짐이 발생한 개소만을 부분적으로 평탄화 용접 및 그라인더 손질하는 정도의 보수에 의해 클래드 강판용 소재를 얻을 수 있었다.
이들에 대해서, Case4에서는, 용접부에 용접 금속의 처짐이 거의 연속적으로 발생했으므로, 상기의 용접 금속의 처짐에 의해 생긴 오목부를 평탄화 용접에 의해 메우고, 또한 용접 금속 처짐부에 대해서는 이것을 그라인더에 의해 제거하는 보수를 강판용 소재의 전체 둘레에 걸쳐서 행하였다.
얻어진 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 1180℃로 가열하고, 두께 147㎜까지 분괴 압연을 행하여 열연용 슬라브를 제작하였다. 이 때, 프로텍트재를 사용하지 않던 Case4에 있어서는, 에지부에 에지 손상이 발생하고, 그 후의 열간 압연 공정에 있어서 판 파단 등의 트러블을 유발할 가능성이 있었기 때문에, 이 단계에서 시험을 중지하였다.
Case1, Case2 및 Case3에 대해서는, 그 후 슬라브 손질을 행한 후에, 열간 압연을 행하고, 1000℃에서 압연을 종료하여 최종 판두께가 6㎜가 되는 열간 압연 코일로 마무리하였다.
그 결과, 제1 발명, 제2 발명, 제4 발명, 제5 발명 및 제7 발명~제10 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족하는 본 발명예의 시험인 Case1에서는, 최에지부에 약간의 미세 균열은 있었지만, 양호한 성상의 강판이 얻어졌다.
한편, 내층재의 크기가 외층재와 프로텍트재의 합계의 폭 및／또는 길이보다도 2.5㎜ 큰 Case1에 비해, 5㎜ 큰 Case2에서는 열간 압연 종료 후의 에지부에 미소한 균열이 보였다. 이대로 냉간 압연을 행하면 이러한 균열을 기점으로 하여 판파단 등의 트러블을 유발할 우려가 있었기 때문에, 핫 트림을 행하여 이러한 미소 균열을 제거한 후, 냉간 압연을 행하는 것으로 하였다.
또한, Case3에서는, 열간 압연 후의 강판 에지에 있어서, 에지 손상은 전무한 양호한 결과를 얻었다.
Casc1에 대해서는 약간의 미세 균열을 손질한 후, 또 Casc2에 대해서는 핫 트림의 후에, 또, Case3에 대해서는 핫 코일인 채로 손질을 행하지 않고, 통상의 조건으로 소둔 및 산세척 등의 처리를 행하여, 또 마무리 판두께 0.15㎜까지 냉간 압연을 행하였다. 이 결과, 냉간 압연에서의 에지 균열 등의 발생은 없고, 세퍼레이터용 소재인 두께 0.15㎜의 냉연강판을 얻을 수 있었다.
또한, Case1, Case2 및 Case3의 시험에 있어서는, 내층재와 외층재의 접합계면의 평탄도는, 기계 가공에 의해 1㎜ 이하로 했기 때문에, 이러한 공정에서의 접합면의 박리나 팽창이라는 트러블은 전무하였다.
이것에 대해서, 비교예의 시험인 Case4에서는, 전술과 같이 분괴 압연 시에 에지 균열이 발생하고, 그 후의 열간 압연 및 냉간 압연의 수행이 곤란해졌기 때문에, 세퍼레이터로 하는 강판을 얻을 수 없었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법, 강판용 소재, 및 강판의 제조 방법에 의하면, 종래 곤란하던 매우 얇은 스테인리스 세퍼레이터의 제조가 가능해진다. 그 중에서, 내층재를 외층재와 프로텍트재의 합계의 폭 및／또는 길이보다도, 편측 측면에 대해 0.5㎜ 이상 5㎜ 미만의 범위에서 크게 한 Case1에서는, 높은 생산 효율 하에서 매우 얇은 냉연강판을 얻을 수 있었다. 내층재의 폭 및／또는 길이를 외층재와 프로텍트재의 합계의 폭 및／또는 길이보다도 작게 한 경우에 있어서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제6 발명의 발명예인 Case3의 시험에 있어서는, 에지 손상의 발생은 전무였기 때문에, 에지 트림의 공정 생략은 물론, 미세 균열의 손질도 생략할 수 있고, 가장 높은 생산 효율 및 높은 수율 하에서 매우 얇은 냉연 강판을 얻을 수 있다.
한편, B함유의 단체 슬라브의 양 측면에 프로텍트재를 접합한 Case4에서는, 주물 후 슬라브 손질을 행한 후, 프로텍트재를 전자빔 용접하여, 열간 단조에서 두께 85㎜로 두께를 줄인 후에, 열간 압연 및 냉간 압연을 행하여 두께 0.15㎜의 냉연 강판으로 하였다. 클래드 강판은 아니기 때문에, 강판용 소재의 조립 작업에 관한 비드 처짐 등의 발생을 생각할 필요가 없고, 핫 코일 단계에서의 에지 균열의 발생도 없어, 클래드 강판의 제조와 비교하면 제조 상의 과제는 적었다.
(실시예 2)
상기의 실시예 1의 시험에 의해 얻어진 냉연 강판을 공시재로 하여, 또 프레스 성형성의 평가 시험을 행하였다.
표 6에, 상기 (1)식의 좌변에 의해 계산한 신장값 및 프레스 성형성의 평가 시험 결과를 나타냈다.
Figure 112008025293340-pct00006
제4 발명의 발명예인 Case1 및 Case2, 및 제6 발명의 발명예인 Case3에서는, 내층재의 판두께는 외층재 한 장의 판두께의 2.3배이며, 3층 스테인리스 클래드 강판의 신장의 실측값도 46％가 되고 있어 양호하였다. 또, 외층재의 신장값(ε1)은 32％, 내층재의 신장값(ε0)은 56％이며, 상기 (1)식 좌변, 즉 상기 (2)식에 의해 계산되는 3층 스테인리스 클래드 강판의 신장값은, 표 6에 나타나는 바와 같이 45％가 된다. 따라서, 본 발명예인 Case1, Case2 및 Case3에서는, 신장의 실측값은 신장의 계산값과 거의 일치하는 값이 되고 있다.
상기 평가 시험에 있어서는, 공시재를 유로 부분이 50㎜×50㎜인 세퍼레이터 제작용 프레스 금형을 이용하여, 4.9×105N(50tf)의 프레스기에 의해 프레스 가공을 행하였다. 금형은 가스 유로가 되는 홈의 폭이 2㎜이고, 홈의 깊이는 0.8㎜, 홈과 홈의 피치는 2㎜ 및 3㎜로 하여 시험을 행하였다.
동 표에 나타내는 평가 시험의 결과에서는, 각 공시재의 홈과 홈의 피치에서의 관통 균열의 유무를 나타내고 있고, ○표시는 관통 균열이 발생하지 않은 것을, 또 ×표시는 관통 균열이 발생한 것을 각각 나타내고 있다.
평가 시험의 결과로부터, 본 발명예에 대한 시험이고, 상기 (1)식 좌변의 값이 40％ 이상, 즉 제11 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 Case1, Case2 및 Case3은, 비교예에 대한 시험인 Case5와 비교하여 양호한 프레스 성형성을 나타내는 것이 분명해졌다. 또, Case4는, 상기와 같이 분괴 압연 공정에 있어서 균열이 발생하고, 냉간 압연까지 도달하지 않았기 때문에, 평가 시험은 실시할 수 없었다.
다음에, 얻어진 냉연 강판을 프레스 성형한 세퍼레이터를 이용하여 상기 도 4에 나타내는 고체 고분자형 연료 전지 셀(단셀)을 제작하고, 전지 성능의 평가를 행하였다. 그 결과를 표 7에 나타냈다.
Figure 112008025293340-pct00007
애노드극측 연료용 가스로서는 순도가 99.9999％인 수소 가스를 이용하고, 캐소드극측 가스로서는 공기를 이용하였다. 전지 본체를 (78±2)℃로 유지함과 더불어 셀 입구측에서 전지 내부의 습도 제어를 행하고, 전지 내부의 압력을 1.013×105Pa로 하였다.
단 셀로 0.5A／㎠, 및 0.62V 상태로부터 계속적으로 발전 상황의 평가를 실시하였다. 전지 성능의 비교는 50시간 경과 후의 단셀 전압 저하율로 하고,［1-(50시간 경과 후의 셀 전압／초기의 셀 전압)］의 값에 의해 평가하였다.
표 7에 나타내는 평가 결과로부터, Case1, Case2 및 Case3의 3층 클래드 강판은 전압 저하율이 작은 것을 알 수 있다. 이 전압 저하율은 외층재의 단층으로 구성한 강판의 전압 저하율과 동일한 정도의 값이다.
본 발명의 3층 스테인리스 클래드 강판의 제조 방법에 의하면, 저렴하고 대량 생산이 가능하며, 열간 가공성 및 성형성이 뛰어나 고체 고분자형 연료 전지 세퍼레이터로서 최적인 B 함유량을 갖는 스테인리스 클래드 강판을 제조할 수 있다. 또, 본 발명의 스테인리스 클래드 강판을 이용함으로써, 전지 성능이 뛰어난 세퍼레이터 및 고체 고분자형 연료 전지를 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 연료 전지 제조의 분야에 있어서, 세퍼레이터용 강판, 세퍼레이터, 나아가서는 전지 제조 기술로서 광범위하게 적용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. B 함유량이 0~0.3 질량％인 스테인리스강을 내층재로 하고, 이 내층재의 양면에 외층재로서 B 함유량이 0.3~2.5 질량％인 스테인리스강을 조합한 클래드 강판용 소재를 하기의 공정 1~5에서 나타낸 공정에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법.
    공정 1：외층재의 가공면을 제외한 측면에 이 측면의 길이를 초과하는 길이의 프로텍트재를 배치하고, 상기 측면과 대향하는 프로텍트재의 대향면 상으로서 상기 측면의 길이를 초과하는 부분에 탭재를 배치하는 공정
    공정 2：상기 공정 1에서 배치된 탭재와 프로텍트재의 경계부 및 외층재와 프로텍트재의 경계부를, 탭재와 프로텍트재의 경계부를 기점으로 하여 접합하는 공정
    공정 3：상기 탭재 및 탭재와 접합한 프로텍트재의 부분을 제거하고, 외층재와 프로텍트재의 접합물로 하는 공정
    공정 4：상기 내층재의 접합면과 외층재의 접합면이 접하도록, 상기 내층재와, 상기 공정 3에서 제작된 외층재와 프로텍트재의 접합물을 겹쳐 조합재로 하는 공정
    공정 5：상기 공정 4에서 얻어진 조합재에서의 외층재와 내층재의 경계부 및 프로텍트재와 내층재의 경계부를 접합하여 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재로 하는 공정
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가공면에 평행한 면내에 있어서, 상기 내층재의 폭 및／또는 길이가, 상기 접합물의 외층재와 프로텍트재를 합친 합계의 폭 및／또는 길이보다도, 측면의 편측 당 7㎜ 미만의 범위 내에서 크거나, 또는 작은 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법.
  6. B 함유량이 0~0.3 질량％인 스테인리스강을 내층재로 하고, 이 내층재의 양면에 외층재로서 B 함유량이 0.3~2.5 질량％인 스테인리스강을 조합한 클래드 강판용 소재를 하기 공정 1~7에서 나타낸 공정에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법.
    공정 1：내층재의 접합면과 외층재의 접합면이 접하도록, 상기 내층재와 외층재를 겹쳐 겹침재로 하는 공정
    공정 2 : 상기 공정 1에서 얻어진 겹침재의 가공면을 제외한 측면에, 상기 겹침재의 전체 두께를 덮는 두께를 갖고 이 측면의 길이를 초과하는 길이의 프로텍트재를 배치하고, 상기 측면과 대향하는 프로텍트재의 대향면 상으로서 상기 측면의 길이를 초과하는 부분에 탭재를 배치하는 공정
    공정 3：상기 공정 2에서 배치된 탭재와 프로텍트재의 경계부 및 외층재와 프로텍트재의 경계부를, 탭재와 프로텍트재의 경계부를 기점으로 하여 접합하는 공정
    공정 4：상기 탭재 및 탭재와 접합한 프로텍트재의 부분을 제거하고, 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물로 하는 공정
    공정 5：상기 공정 4에서 제작된 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물의 가공면 상으로서 외층재와 프로텍트재의 경계부의 단부에, 탭재를, 그 1면이 상기 공정 2에 있어서 프로텍트재를 배치하고 있지 않은 측면과 공통면을 이루도록 배치 하는 공정
    공정 6 : 상기 공정 5에서 탭재를 배치한, 내층재와 외층재와 프로텍트재의 접합물에 있어서, 프로텍트재가 배치되어 있지 않은 측면에서의 외층재와 내층재의 경계부를, 프로텍트재를 기점으로 하여 접합하고, 또한 상기 측면의 외층재와 프로텍트재의 경계부 및 내층재와 프로텍트재의 경계부를, 탭재를 기점으로 하여 접합하는 공정
    공정 7：상기 탭재를 제거하고, 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재로 하는 공정
  7. 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기의 접합이 고에너지 밀도 용접인 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내층재 및 외층재의 겹침면의 평탄도가 3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 고에너지 밀도 빔의 방향이 가공면에 수직인 방향의 용접인 용접부 횡단면에 있어서, 피용접재의 표면으로부터의 패임량을 A, 피용접재의 표면으로부터의 비드 깊이를 B로 했을 때, A가 5㎜ 이하이며, B가 15㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법.
  11. 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재의 제조 방법에 의해 제조된 클래드 강판용 소재로서, 상기 내층재의 두께를 t0(㎜), 2장의 외층재의 전체 두께를 t1(㎜), 내층재 및 외층재의 재료 특성인 신장을 각각 ε0(％) 및 ε1(％)로 했을 때, 하기 (1)식에 의해 나타나는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재.
    ε0×t0／(t0+t1)+ε1×t1／(t0+t1)≥40％…(1)
  12. 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 제조하고, 제조된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 1000~1200℃로 가열한 후, 가공 종료 온도를 600℃ 이상으로 하는 열간 예비 가공을 행하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드강 후판의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 제조하고, 제조된 3층 스테인리스 클래드 강판용 소재를 1000~1200℃로 가열한 후, 조압연을 행하고, 다음에 압연 종료 온도를 600℃ 이상으로 하는 열간 압연을 행하고, 그 후 냉간 압연을 행하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판의 제조 방법.
  15. 청구항 12에 기재된 제조 방법에 의해 3층 스테인리스 클래드강 후판을 제조하고, 제조된 3층 스테인리스 클래드강 후판을, 다시 1000~1200℃로 가열한 후, 조압연을 행하고, 다음에 압연 종료 온도를 600℃ 이상으로 하는 열간 압연을 행하고, 그 후 냉간 압연하는 것을 특징으로 하는 3층 스테인리스 클래드 강판의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
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