KR101239476B1 - stainless steel for bipolar plate of PEMFC and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 계면접촉저항 및 우수한 공식 안정성을 갖는 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 표면 개질 방법에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0초과~0.02, N: 0초과~0.02, Si: 0초과~0.4, Mn: 0초과~0.2, P:0초과~0.04, S: 0초과~0.02, Cr: 25~34, Mo:0~0.1미만, Cu:0~1, Ni:0~0.2미만, Ti: 0초과~0.5, Nb: 0초과~0.5의 조성에 V: 0.2~1, W: 0~4를 단일 혹은 혼합 첨가한 조성 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며 계면접촉저항이 10m Ωcm2이하이며 공식 안정성이 우수한 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강을 제공한다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a stainless steel for fuel cell separator and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a stainless steel for polymer fuel cell separator and a surface modification method having a low interfacial contact resistance and excellent formula stability.
The present invention is in weight percent, C: greater than 0 to 0.02, N: greater than 0 to 0.02, Si: greater than 0 to 0.4, Mn: greater than 0 to 0.2, P: greater than 0 to 0.04, S: greater than 0 to 0.02, Cr : 25 to 34, Mo: less than 0 to 0.1, Cu: 0 to 1, Ni: less than 0 to 0.2, Ti: greater than 0 to 0.5, Nb: greater than 0 to 0.5, V: 0.2 to 1, W: 0 The composition and the balance of the single or mixed addition of ~ 4 include Fe and other unavoidable impurities, and provide a stainless steel for polymer fuel cell separators having an interface contact resistance of 10 mΩcm 2 or less and excellent formula stability.

Description

고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조방법{stainless steel for bipolar plate of PEMFC and method of manufacturing the same}Stainless steel for bipolar fuel cell separator and its manufacturing method {stainless steel for bipolar plate of PEMFC and method of manufacturing the same}

본 발명은 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 계면접촉저항 및 우수한 공식 안정성을 갖는 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a stainless steel for a polymer fuel cell separator and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a stainless steel for a polymer fuel cell separator and a method for manufacturing the same having low interfacial contact resistance and excellent formula stability.

일반적으로, 연료전지는 수소 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이며 기존 화석 연료의 대안으로 그 중요성이 강조되고 있다. 연료전지는 기존의 발전 장치에 비해 고효율 발전이 가능하며, 소음 진동이 거의 없으며, 공해 배출 요인이 거의 없는 환경친화적인 무공해 에너지 기술이며 초소형 규모에서 대규모 발전시스템까지 그 적용이 가능하다. In general, a fuel cell is a power generation device that generates electrical energy from hydrogen energy, and its importance is emphasized as an alternative to conventional fossil fuels. The fuel cell is capable of generating high efficiency compared to the existing power generation device, has little noise and vibration, and is an environmentally friendly, energy-free energy technology with little pollution emission factor, and can be applied from the small scale to the large scale power generation system.

이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라서 고체 고분자 연료전지, 고체산화물 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 분류되며, 연료전지의 종류에 따라 작동온도가 달라진다.These fuel cells are classified into solid polymer fuel cells, solid oxide fuel cells, phosphate fuel cells, molten carbonate fuel cells, direct methanol fuel cells, and alkaline fuel cells according to the type of electrolyte. Is different.

이 중, 고체 고분자 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 80 ℃ 정도로 작동온도가 낮고 효율이 높다. 또한 전류밀도 및 출력밀도가 크며 구조가 간단하고 빠른 시동과 응답특성을 가지고 있어 자동차용, 가정용 등의 전력원으로서 적용될 수 있다. Among them, the solid polymer fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte, and has a low operating temperature and high efficiency at about 80 ° C. compared with other fuel cells. Also, it has high current density and power density, simple structure, fast starting and response characteristics, and can be used as a power source for automobiles and households.

이와 같은 고체 고분자 연료전지의 주요 구성요소는 고분자 전해질 막과 전극 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판으로 이루어져 있다. 고체 고분자 연료전지에서 분리판은 반응가스인 수소가스와 산소가스가 서로 섞이지 않도록 차단함과 아울러, 막전극집합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 전기적으로 연결하고, 막전극집합체를 지지하여 연료전지의 형태가 유지되도록 하는 기능을 한다. 따라서, 두 가스가 혼합되지 않을 만큼의 치밀한 구조를 지녀야 하며, 전도체의 역할을 위해 전기전도성이 우수하여야 하고, 지지체의 역할을 위해 충분한 기계적 강도를 가져야 한다. The main components of such a solid polymer fuel cell consist of a polymer electrolyte membrane, an electrode, and a separator to form a stack. In the solid polymer fuel cell, the separator plate is formed so as to block hydrogen gas and oxygen gas as reaction gases from each other, to electrically connect membrane electrode assembly (MEA), to support the membrane electrode assembly, And maintains the shape. Therefore, it should have a dense structure such that the two gases are not mixed, and should have good electrical conductivity for the role of the conductor and sufficient mechanical strength for the role of the support.

분리판은 일반적으로, 흑연, 카본, Ti 합금, 스테인리스강 및 도전성 플라스틱 중 하나로 형성되며, 바람직하게 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 스테인리스강은 열전도성, 낮은 기체투과성 및 대면적화가 가능하고, 양호한 제품 성형성, 박물화가 가능하여 연료전지 스택의 부피저감, 무게감소를 이룰 수 있는 장점을 갖고 있다.The separator is generally formed of one of graphite, carbon, Ti alloy, stainless steel and conductive plastic, and may preferably be formed of stainless steel. Stainless steel has the advantage of being able to achieve thermal conductivity, low gas permeability, and large area, and can form a good product and be made into a thin piece, thereby reducing the volume and weight of the fuel cell stack.

그러나, 스테인리스강 분리판을 사용할 경우, 산성인 전해질 용액에서 부식이 유발되어 전극 및 전해질을 오염시키고, 표면에 부식생성물로 인해 계면 접촉저항이 증가하는 문제점이 있다.However, when a stainless steel separator is used, there is a problem that corrosion occurs in an acidic electrolytic solution to contaminate electrodes and electrolytes, and the interface contact resistance increases due to corrosion products on the surface.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하고 새로운 분리판 소재의 요구에 대응할 수 있도록, 낮은 계면접촉저항을 확보함과 동시에 내식성을 증가시킬 수 있는 표면 개질을 통해 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above and to meet the demands of the new separator material, to ensure a low interfacial contact resistance and at the same time to increase the corrosion resistance stainless steel for fuel cell separator plate and its It is to provide a manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스테인리스강은, 중량%로, C: 0초과~0.02, N: 0초과~0.02, Si: 0초과~0.4, Mn: 0초과~0.2, P:0초과~0.04, S: 0초과~0.02, Cr: 25~34, Mo:0~0.1미만, Cu:0~1, Ni:0~0.2미만, Ti: 0초과~0.5, Nb: 0초과~0.5의 조성에 V: 0.2~1, W: 0~4를 단일 혹은 혼합 첨가한 조성 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며 계면접촉저항이 10mΩcm2이하이며 공식 안정성이 우수한 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강을 제공한다.Stainless steel according to the present invention for achieving the above object, in weight%, C: greater than 0 to 0.02, N: greater than 0 to 0.02, Si: greater than 0 to 0.4, Mn: greater than 0 to 0.2, P: greater than 0 ~ 0.04, S: over 0 to 0.02, Cr: 25 to 34, Mo: below 0 to 0.1, Cu: 0 to 1, Ni: below 0 to 0.2, Ti: above 0 to 0.5, Nb: above 0 to 0.5 Single or mixed composition of V: 0.2 ~ 1, W: 0 ~ 4 in the composition and the balance contains Fe and other unavoidable impurities, and the interface contact resistance is 10mΩcm 2 or less, and has excellent formula stability. To provide.

또한, 본 발명에 의하면 상기 분리판용 스테인리스강의 Cr/Fe 원자비가 표면으로부터 2nm영역내 0.4이상이다.Moreover, according to this invention, the Cr / Fe atomic ratio of the said stainless steel for separators is 0.4 or more in 2 nm area | region from the surface.

또한, 본 발명에 의하면 상기의 조성으로 이루어진 스테인리스강을 2 ~ 10 중량% 염산과 2 ~ 10 중량% 불산, 그리고 1 ~ 5 중량% 과산화수소의 조성을 가지는 용액에서 표면 개질 처리를 실시하는 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강의 제조방법을 제공한다.In addition, according to the present invention, the polymer fuel cell is separated from the stainless steel steel having the composition described above in a solution having a composition of 2 to 10 wt% hydrochloric acid, 2 to 10 wt% hydrofluoric acid, and 1 to 5 wt% hydrogen peroxide. Provided is a method of manufacturing stainless steel for a plate.

본 발명에서 상기 용액은 상온 ~ 60 ℃의 온도로 유지된다. In the present invention, the solution is maintained at a temperature of room temperature ~ 60 ℃.

본 발명에 의하면 스테인리스강의 심각한 침식이나 공식 없이 표면 부동태 피막을 개질함으로써, 낮은 계면접촉저항을 확보할 수 있다.According to the present invention, a low interfacial contact resistance can be ensured by modifying the surface passivation film without severe erosion or formulation of stainless steel.

또한, 본 발명에 의하면 추가적인 고가의 귀금속등의 코팅공정이 없이 우수한 내식성을 갖는 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강을 생산할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to produce stainless steel for polymer fuel cell separator having excellent corrosion resistance without additional expensive precious metal coating process.

도 1a 내지 도 1b는 50℃의 15 중량% 염산 용액에 5분간 침지한 후의 스테인리스강의 표면을 SEM으로 관찰한 사진도.
도 2a는 표면개질 하지 않은 스테인리스강의 표면을 SEM으로 관찰한 사진도이며, 도 2b는 50℃의 2 중량% 염산, 3 중량% 불산, 2 중량% 과산화수소의 혼합 용액에 1분간 침지한 후의 스테인리스강의 표면을 SEM으로 관찰한 사진도.
도 3은 발명예와 비교예에 따라 표면 개질 후 부동태 피막 내의 Cr/Fe 비율을 나타낸 그래프도.
1A to 1B are photographs of SEM observation of the surface of stainless steel after being immersed in a 15 wt% hydrochloric acid solution at 50 ° C. for 5 minutes.
FIG. 2A is a SEM photograph of the surface of an unmodified stainless steel, and FIG. 2B is a view of stainless steel after being immersed in a mixed solution of 2 wt% hydrochloric acid, 3 wt% hydrofluoric acid, and 2 wt% hydrogen peroxide at 50 ° C. for 1 minute. The photograph which observed the surface by SEM.
3 is a graph showing the Cr / Fe ratio in the passivation film after surface modification according to the invention and comparative examples.

이하에서는 본 발명의 발명예를 도시한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그의 제조 방법을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, with reference to the drawings showing an embodiment of the present invention will be described in detail a stainless steel for a fuel cell separator according to the present invention and a manufacturing method thereof.

고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강에서 우수한 내식성과 낮은 접촉저항을 위하여 표면조도를 개선하거나 마이크로 핏(Micro pit)을 표면 전체에 형성시킴으로써, 표면 특성을 원하는 수준으로 획득하는 방법이 알려져 있다. 또한, Cr/Fe 원자비를 제어하여 접촉저항을 감소하는 방법등이 제안되어 있다. 그러나 상기의 방법들은 여전히 내식성의 문제를 보완하기 위한 추가적인 공정을 필요로 한다. 또한, 연료전지 분리판용 스테인리스강의 계면접촉저항을 저하시키기 위한 염산 및 불산 단독 침지는 모재를 손상시킬 위험이 있으며, 표면에 침식 및 공식의 발생으로 내식성 저하를 유발할 수 있다. 따라서 계면접촉저항이 낮으면서도 표면 손상이 없는 적합한 표면 개질 방법이 바람직하다.In the stainless steel for polymer fuel cell separator, a method of obtaining surface characteristics to a desired level is known by improving surface roughness or forming a micro pit for the entire surface for excellent corrosion resistance and low contact resistance. In addition, a method of reducing the contact resistance by controlling the Cr / Fe atomic ratio has been proposed. However, the above methods still require additional processes to supplement the problem of corrosion resistance. In addition, hydrochloric acid and hydrofluoric acid alone immersion to reduce the interfacial contact resistance of the stainless steel for fuel cell separator plate may damage the base material, and may cause corrosion resistance due to erosion and the formation of a formula on the surface. Therefore, a suitable surface modification method with low interfacial contact resistance and no surface damage is desirable.

이를 위해 본 발명에서는 고분자 연료전지 분리판을 목적으로 하는 낮은 계면접촉저항 및 우수한 내식성을 가지는 스테인리스 강재 및 그의 제조방법에 대해 설명한다. 먼저 본 발명에서는 스테인리스강을 2 ~ 10 중량% 염산과 2 ~ 10 중량% 불산, 그리고 1 ~ 5 중량% 과산화수소의 조성을 가지는 용액에서 상온 ~ 60 ℃의 온도로 적정한 시간을 유지하여 표면 개질 처리를 실시한다. 이에 따라 스테인리스강 표면의 침식이나 공식이 없이 표면 부동태 피막을 개질하며, 부동태 피막 내 Cr/Fe 비율이 0.4 이상으로 모재의 Cr/Fe 비율에 비해 2배 정도의 Cr 농축이 일어남으로써, 스테인리스강의 계면접촉저항이 10 mΩ㎠ 이하를 확보할 수 있다. To this end, the present invention describes a stainless steel material having a low interfacial contact resistance and excellent corrosion resistance for the purpose of a polymer fuel cell separator and a manufacturing method thereof. First, in the present invention, surface modification treatment is performed by maintaining an appropriate time at a temperature of room temperature to 60 ° C. in a solution having a composition of 2 to 10 wt% hydrochloric acid, 2 to 10 wt% hydrofluoric acid, and 1 to 5 wt% hydrogen peroxide. do. Accordingly, the surface passivation film is reformed without erosion or formula on the surface of stainless steel, and the Cr / Fe ratio in the passivation film is 0.4 or more, and Cr concentration is about twice that of the base material Cr / Fe ratio. The contact resistance can ensure 10 mPacm <2> or less.

이하에서는 고분자 연료전지 분리판을 목적으로 하는 낮은 계면접촉저항 및 우수한 내식성을 갖는 스테인리스 강재에 관해 보다 구체적으로 상술한다.Hereinafter, a stainless steel material having low interfacial contact resistance and excellent corrosion resistance for the purpose of a polymer fuel cell separator will be described in more detail.

본 실시예의 스테인리스강은 중량%로, C: 0초과~0.02, N: 0초과~0.02, Si: 0초과~0.4, Mn: 0초과~0.2, P:0초과~0.04, S: 0초과~0.02, Cr: 25~34, Mo:0~0.1미만, Cu:0~1, Ni:0~0.2미만, Ti: 0초과~0.5, Nb: 0초과~0.5의 조성에 V: 0.2~1, W: 0~4를 단일 혹은 혼합 첨가한 조성 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 강재를 제강, 정련, 연속주조에 의해 주편으로 생산하고, 열간압연을 거처, 소둔, 산세, 냉간압연 및 광휘소둔을 되풀이하여 0.075㎜ 내지 2㎜의 두께를 갖는 냉연 소둔판 혹은 코일로 제조할 수 있다. 제조된 스테인리스강의 조성을 나타내면 표 1과 같다The stainless steel of the present embodiment is in weight%, C: greater than 0 to 0.02, N: greater than 0 to 0.02, Si: greater than 0 to 0.4, Mn: greater than 0 to 0.2, P: greater than 0 to 0.04, S: greater than 0 to 0.02, Cr: 25-34, Mo: 0-0.1 or less, Cu: 0-1, Ni: 0-0.2, Ti: 0-0.5, Nb: 0-0.5, V: 0.2-1, W: 0 ~ 4 single or mixed addition and balance are produced by steelmaking, refining and continuous casting of steel materials containing Fe and other unavoidable impurities, and hot rolled, annealed, pickled, cold rolled and polished. The annealing may be repeated to produce a cold rolled annealing plate or coil having a thickness of 0.075 mm to 2 mm. Table 1 shows the composition of the manufactured stainless steel.

강종Steel grade CC SiSi MnMn PP SS AlAl CrCr NiNi CuCu TiTi NbNb MoMo 기타Etc NN 실시예 1Example 1 0.0060.006 0.1410.141 0.1520.152 <0.003<0.003 <0.003<0.003 0.0510.051 30.2530.25 0.110.11 1.001.00 0.0490.049 0.260.26 -- 0.39V0.39V 0.0110.011 실시예 2Example 2 0.0080.008 0.1100.110 0.1510.151 <0.003<0.003 <0.003<0.003 0.0830.083 30.1930.19 0.110.11 0.980.98 0.0560.056 0.260.26 -- 0.37W0.37 W 0.0090.009

이하에서는 각 성분함량을 한정하는 이유에 관하여 상술하기로 한다. 아울러, 이하에서 설명되는 %는 모두 중량%이다. Hereinafter, the reason for limiting each component content will be described in detail. In addition, all% described below is weight%.

C와 N은 스테인리스강 중에서 Cr탄질화물을 형성하며, 그 결과 Cr이 결핍된 층의 내식성이 저하되므로 상기 두 원소의 함량은 낮을수록 바람직하다. 본 발명에서는 C:0.02%이하, N:0.02%이하로 그 조성비를 제한한다.C and N form Cr carbonitride in stainless steel, and as a result, the corrosion resistance of the Cr-deficient layer is lowered, so the lower the content of the two elements is preferable. In the present invention, the composition ratio is limited to C: 0.02% or less and N: 0.02% or less.

Si는 탈산에 유효한 원소이나 인성 및 성형성을 억제하므로, 본 발명에서는 Si의 조성비를 0.4% 이내로 제한한다.Since Si suppresses the element, toughness, and moldability which are effective for deoxidation, in the present invention, the composition ratio of Si is limited to within 0.4%.

Mn은 탈산을 증가시키는 원소이나, 개재물인 MnS는 내식성을 감소시킨다. 본 발명에서는 Mn의 조성비를 0.2% 이내로 제한한다.Mn is an element that increases deoxidation, but the inclusion MnS reduces corrosion resistance. In the present invention, the composition ratio of Mn is limited to within 0.2%.

P는 내식성 뿐만 아니라 인성을 감소시키므로, 본 실시예에서는 P의 조성비를 0.04% 이내로 제한한다.Since P not only reduces corrosion resistance but also toughness, in this embodiment, the composition ratio of P is limited to within 0.04%.

S는 MnS를 형성하며, 이러한 MnS는 부식의 기점이 되어 내식성을 감소시킨다. 본 실시예에서는 이를 고려하여 S의 조성비를 0.02% 이내로 제한한다. S forms MnS, which becomes a starting point of corrosion and reduces corrosion resistance. In this embodiment, the composition ratio of S is limited to within 0.02% in consideration of this.

Cr은 연료전지가 작동되는 산성 분위기에서 내식성을 증가시키나, 인성을 감소시키므로, 본 실시예에서는 Cr의 적정 조성비를 25% 내지 34%로 제한한다.Cr increases the corrosion resistance in the acidic atmosphere in which the fuel cell is operated, but reduces the toughness, and therefore, in this embodiment, the appropriate composition ratio of Cr is limited to 25% to 34%.

Mo는 경제성 및 소재의 인성을 열화시킬 수 있으므로, 본 실시예에서는 Mo의 조성비를 0% 내지 0.1% 미만의 범위로 제한한다.Since Mo can degrade the economics and toughness of the material, in the present embodiment, the composition ratio of Mo is limited to the range of 0% to less than 0.1%.

Cu는 연료전지가 작동되는 산성 분위기에서 내식성을 증가시키나, 과량 첨가시 Cu의 용출로 인하여 연료전지의 성능이 저하될 수 있다. 본 실시예에서는 이를 고려하여 Cu의 조성비를 0% 내지 1%이내로 제한한다.Cu increases the corrosion resistance in an acidic atmosphere in which the fuel cell operates, but the performance of the fuel cell may be degraded due to the elution of Cu when excessively added. In this embodiment, the composition ratio of Cu is limited within 0% to 1% in consideration of this.

Ni은 과량 첨가시 Ni용출 및 성형성이 저하될 수 있다. 본 실시예에서는 이를 고려하여 Ni의 조성비를 0.2%미만으로 제한한다.When Ni is excessively added, Ni elution and moldability may decrease. In this embodiment, the composition ratio of Ni is limited to less than 0.2% in consideration of this.

Ti와 Nb는 강 중의 C, N을 탄질화물로 형성하는 데 유효한 원소이나 인성을 저하시킨다. 본 실시예에서는 이를 고려하여 각각의 조성비를 0.5%이하로 제한한다.Ti and Nb deteriorate the element and toughness effective for forming C and N in carbon as carbonitrides. In this embodiment, each composition ratio is limited to 0.5% or less in consideration of this.

이 외에도, 1 종 또는 2 종 이상의 V, W 가 첨가될 수 있으며, 이들의 조성비는 다음과 같다.In addition to this, one or two or more kinds of V and W may be added, and their composition ratios are as follows.

V은 연료전지가 작동되는 산성 분위기에서 내식성을 증가시키나, 과잉 첨가시 이온이 용출되어 전지의 성능이 저하될 수 있다. 본 실시예에서는 이를 고려하여 V의 조성비를 0.2~1%로 제한한다.V increases the corrosion resistance in the acidic atmosphere in which the fuel cell operates, but when excessively added, ions are eluted and the performance of the cell may be degraded. In this embodiment, the composition ratio of V is limited to 0.2 to 1% in consideration of this.

W은 연료전지가 작동되는 산성 분위기에서 내식성을 증가시키고 계면접촉저항을 낮추는 효과가 있으나, 과잉 첨가시 인성을 저하시킨다. 본 실시예에서는 이를 고려하여 W의 조성비를 4% 이하로 제한한다.W has the effect of increasing the corrosion resistance and lowering the interfacial contact resistance in the acidic atmosphere in which the fuel cell operates, but deteriorates the toughness upon excessive addition. In this embodiment, the composition ratio of W is limited to 4% or less in consideration of this.

이하에서는 낮은 계면 접촉저항 및 우수한 내식성을 위한 스테인리스강의 표면 개질 처리 조건에 관해 보다 구체적으로 상술한다.Hereinafter, the surface modification treatment conditions of stainless steel for low interfacial contact resistance and excellent corrosion resistance will be described in more detail.

스테인리스 강재의 계면접촉저항은 표면의 평균거칠기가 거칠수록 낮은 값을 나타내지만, 단순한 표면조도 조절만으로는 분리판 소재로서 적합하다고 알려진 10 mΩ㎠ 이하의 계면접촉저항을 확보하기가 어렵다. 그 이유는 스테인리스강은 자연 상태에서 공기 중의 산소와 결합하여 표면에 얇은 보호성 부동태 피막을 생성하기 때문이다. 따라서 스테인리스강 표면에 존재하는 부동태 피막을 개질 시킬 필요가 있다. 또한 소둔후 혹은 대기 중에서 형성된 부동태 피막은 Fe 함량이 높기 때문에 연료전지 분리판용으로 사용하기 위해서는 Cr의 비율을 높여 Cr이 농축된 부동태 피막으로 개질 하여야만 한다. 그 이유는 Cr 산화물은 Fe 산화물에 비해 안정하며 내식성이 우수하기 때문에 높은 내식성이 요구되는 연료전지 분리판의 표면 산화물로 더 적합하다. Although the interfacial contact resistance of stainless steel shows a lower value as the average roughness of the surface becomes rough, it is difficult to secure an interfacial contact resistance of 10 mΩcm 2 or less, which is known to be suitable as a separator material by simply adjusting the surface roughness. This is because stainless steel combines with oxygen in the air in its natural state to form a thin protective passivation film on its surface. Therefore, it is necessary to modify the passivation film existing on the stainless steel surface. In addition, since the passivation film formed after annealing or in the air has a high Fe content, it must be reformed into a passivation film containing Cr by increasing the ratio of Cr to be used for a fuel cell separator. The reason is that Cr oxide is more stable than Fe oxide and has excellent corrosion resistance, and thus is more suitable as a surface oxide of fuel cell separators requiring high corrosion resistance.

따라서, 본 발명에서는 2 ~ 10 중량% 염산과 2 ~ 10 중량% 불산, 그리고 1 ~ 5 중량% 과산화수소의 조성을 가지는 용액에서 상온 ~ 60 ℃의 온도로 적정한 시간을 유지하여 표면 개질 처리를 하였다. 표면 개질을 함에 있어서 염산 및 불산 중 어느 하나만을 사용할 경우, 용액의 개질 연속성을 유지하기가 어려우며 적정량의 염산과 불산의 혼산으로 반복적 표면 개질을 하였을 경우 개질 연속성이 유지되었다. Therefore, in the present invention, the surface modification treatment was performed by maintaining a proper time at a temperature of room temperature to 60 ℃ in a solution having a composition of 2 to 10% by weight hydrochloric acid, 2 to 10% by weight hydrofluoric acid, and 1 to 5% by weight hydrogen peroxide. When only one of hydrochloric acid and hydrofluoric acid is used in surface modification, it is difficult to maintain the reforming continuity of the solution, and the reforming continuity is maintained when repeated surface modification is performed by mixing an appropriate amount of hydrochloric acid and hydrofluoric acid.

본 발명에서는 염산과 불산의 농도를 2 중량% 내지 10 중량%로 제한하였는데, 2 중량 % 미만에서는 표면 개질의 효과가 작으며, 반대로 너무 높을 경우 모재의 손상 및 공식이 발생할 수 있다. In the present invention, the concentration of hydrochloric acid and hydrofluoric acid is limited to 2% by weight to 10% by weight, but less than 2% by weight of the surface modification effect is small, on the contrary too high may cause damage to the base material and formula.

염산과 불산은 침지 동안 스테인리스강 표면에 존재하는 부동태 피막을 제거하는 역할을 하기 때문에 침지 후 대기 중에서 Fe 의 함량이 높은 부동태 피막이 다시 생성된다. 이러한 경우 Cr 함량이 높은 부동태 피막을 형성하기 위해 추가적인 공정이 필요하며, 경제적인 측면에서 생산 비용을 증가시키는 문제점이 있다. 따라서, 염산 및 불산의 혼산에 과산화수소와 같은 산화제를 첨가함으로써, 표면에 Cr 산화물이 농축된 부동태 피막을 만들 수 있으며, 추가적인 공정이 필요 없기 때문에 생산 비용을 절감할 수 있다. Since hydrochloric acid and hydrofluoric acid serve to remove the passivation film present on the stainless steel surface during immersion, the passivation film having a high Fe content in the atmosphere is again generated after immersion. In this case, an additional process is required to form a passivation film having a high Cr content, and there is a problem of increasing production cost in terms of economy. Therefore, by adding an oxidizing agent such as hydrogen peroxide to the mixed acid of hydrochloric acid and hydrofluoric acid, it is possible to make a passivation film in which Cr oxide is concentrated on the surface and to reduce the production cost because no additional process is required.

과산화수소와 같은 산화제는 스테인리스강 용해 속도를 가속화 시켜 스테인리스강 표면에 산화물 형성을 촉진시킨다. Fe에 비해 Cr이 산소와의 결합력이 더 크기 때문에 과산화수소의 첨가에 의해 표면에 Cr 산화물이 농축된 부동태 피막을 형성 할 수 있다. 또한 과산화수소는 염산 및 불산에 의한 스테인리스강의 침식 및 공식을 방지할 수 있다. Oxidizers, such as hydrogen peroxide, accelerate the dissolution rate of stainless steel to promote oxide formation on the surface of stainless steel. Since Cr has a greater bonding force with oxygen than Fe, it is possible to form a passivation film in which Cr oxide is concentrated on the surface by the addition of hydrogen peroxide. Hydrogen peroxide can also prevent erosion and formulation of stainless steel by hydrochloric acid and hydrofluoric acid.

본 발명에서는 과산화수소 농도를 1 중량% 내지 5 중량 %로 제한하였는데, 1 중량 % 미만의 경우 부동태 피막이 불안정해 질 수 있으며 염산 및 불산에 의해 침식 및 공식이 발생할 수 있으며, 반대로 과잉 첨가시 더 이상의 침식 및 공식 방지 효과가 미비하므로 비경제적이며 표면 개질 속도가 저하될 수 있다. In the present invention, the hydrogen peroxide concentration is limited to 1% by weight to 5% by weight, but if less than 1% by weight, the passivation film may become unstable and erosion and formulation may occur due to hydrochloric acid and hydrofluoric acid. And inadequate formula prevention effect, which is uneconomical and may result in lowering of the rate of surface modification.

표 2에서는 표면 개질 조건(침지용액, 온도, 시간)을 달리하면서 본 발명의 발명예 1 ~ 발명예 6 및 비교예 1 ~ 비교예 11에 따른 계면접촉저항 및 공식 안정성을 측정한 결과를 나타내었다. Table 2 shows the results of measuring the interfacial contact resistance and formula stability according to Inventive Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 11 of the present invention while varying the surface modification conditions (immersion solution, temperature, time). .

구체적으로는, 비교예 1 , 2의 경우는 상온에서 불산용액에 침지한 것이고, 비교예 3, 4는 상온에서 염산용액에 침지한 것이며, 비교예 5 ~ 7, 10 과 발명예 1 ~ 6의 경우는 염산과 불산의 혼산에 과산화수소를 첨가한 용액에 상온과 50℃에서 침지한 것이며, 비교예 8, 9은 염산, 불산, 과산화수소 혼합 용액에 산화제인 FeCl3를 첨가한 것이며, 비교예 11의 경우는 표면 개질 없이 계면접촉저항을 측정한 것이다. Specifically, in the case of Comparative Examples 1 and 2, the solution was immersed in hydrofluoric acid solution at room temperature, and Comparative Examples 3 and 4 were immersed in hydrochloric acid solution at room temperature, and Comparative Examples 5 to 7, 10 and Examples 1 to 6 In this case, the solution was immersed in a mixture of hydrochloric acid and hydrofluoric acid and added hydrogen peroxide at room temperature and 50 ° C. In Comparative Examples 8 and 9, FeCl 3 as an oxidizing agent was added to a mixed solution of hydrochloric acid, hydrofluoric acid and hydrogen peroxide. Is the interfacial contact resistance measured without surface modification.

구 분division 표면개질 용액 조성(단위:중량%)Surface Modification Solution Composition (Unit: Weight%) 침지 온도
(℃)
Immersion temperature
(℃)
침지 시간Immersion time 계면접촉저항
(mΩcm2)
at 150N/cm2
Interface contact resistance
(mΩcm 2 )
at 150N / cm 2
공식 안정성Formula stability
HClHCl HFHF H2O2H2O2 FeCl3FeCl3 비교예 1Comparative Example 1 -- 22 -- -- 상온Room temperature 30초30 seconds 28.028.0 비교예 2Comparative Example 2 -- 1515 -- -- 상온Room temperature 3 분3 minutes 3.43.4 XX 비교예 3Comparative Example 3 1010 -- -- -- 상온Room temperature 5 분5 minutes 4.24.2 XX 비교예 4Comparative Example 4 1515 -- -- -- 상온Room temperature 5 분5 minutes 3.53.5 XX 비교예 5Comparative Example 5 1One 22 1One -- 상온Room temperature 5 분5 minutes 26.326.3 비교예 6Comparative Example 6 1One 22 1One -- 상온Room temperature 10 분10 minutes 20.120.1 비교예 7Comparative Example 7 1One 22 1One -- 5050 5 분5 minutes 13.313.3 발명예 1Inventory 1 22 44 22 -- 상온Room temperature 1 분1 minute 9.69.6 발명예 2Inventory 2 22 44 22 -- 4040 1 분1 minute 8.48.4 발명예 3Inventory 3 22 44 22 -- 5050 1 분1 minute 5.95.9 발명예 4Honorable 4 22 44 22 -- 6060 1 분1 minute 5.55.5 발명예 5Inventory 5 22 44 22 -- 5050 30 초30 seconds 6.06.0 발명예 6Inventory 6 22 44 22 -- 5050 2 분2 minutes 6.56.5 비교예 8Comparative Example 8 22 44 22 1010 5050 1 분1 minute 21.521.5 비교예 9Comparative Example 9 22 44 22 1010 5050 2 분2 minutes 22.122.1 비교예 10Comparative Example 10 55 77 55 -- 5050 1 분1 minute 4.34.3 XX 비교예 11Comparative Example 11 -- -- -- -- -- -- 32.532.5

상기 표 2에서 스테인리스강의 공식 안정성의 평가 기준은 표면 개질 후 표면에 1 ㎛ 이상의 공식이 존재하면 X, 1 ㎛ 이하의 미세한 공식이 존재하면 △, 표면에 공식이 존재하지 않으면 ○으로 표시하였다. 표면 개질 후 스테인리스강 표면에 침식 및 공식의 발생으로 내식성 저하를 발생할 수 있기 때문에 표면 개질 후 침식 및 공식 여부가 중요하다. In Table 2, the evaluation criteria for the formula stability of the stainless steel is represented by △ if a formula of 1 μm or more on the surface after surface modification, △ if a fine formula of 1 μm or less is present, and ○ if no formula is present on the surface. After surface modification, corrosion resistance may occur due to erosion and the occurrence of a formula on the surface of stainless steel, so it is important that the surface is eroded and formulated after surface modification.

표 2에서 보는 바와 같이, 개질 용액의 온도가 상온이더라도 염산 및 불산의 조성이 10 중량% 이상일 경우 낮은 계면접촉저항을 얻을 수 있었다. 하지만 이러한 경우 표면의 손상이 심해지며 국부적으로는 1 ㎛ 이상의 큰 공식이 발생함으로써, 내식성에 오히려 유해할 수 있다. As shown in Table 2, even when the temperature of the reforming solution is room temperature, when the composition of hydrochloric acid and hydrofluoric acid is 10% by weight or more, low interfacial contact resistance could be obtained. In this case, however, the surface is severely damaged and a large formula of 1 μm or more is generated locally, which may be rather detrimental to corrosion resistance.

도 1a 내지 도 1b는 50℃의 15 중량% 염산 용액에 5분간 침지한 후의 스테인리스강의 표면을 SEM으로 관찰한 사진도이고, 도 2a는 표면개질 하지 않은 스테인리스강의 표면을 SEM으로 관찰한 사진도이며, 도 2b는 50℃의 2 중량% 염산, 3 중량% 불산, 2 중량% 과산화수소의 혼합 용액에 1분간 침지한 후의 스테인리스강의 표면을 SEM으로 관찰한 사진도이다. 도 3은 발명예와 비교예에 따라 표면 개질 후 부동태 피막 내의 Cr/Fe 비율을 나타낸 그래프도이다. 1A to 1B are SEM photographs of the surface of stainless steel after immersion in 15 wt% hydrochloric acid solution at 50 ° C. for 5 minutes, and FIG. 2A is a SEM photograph of the surface of stainless steel without surface modification. FIG. 2B is a photograph showing an SEM observation of the surface of stainless steel after immersion in a mixed solution of 2 wt% hydrochloric acid, 3 wt% hydrofluoric acid, and 2 wt% hydrogen peroxide at 50 ° C. for 1 minute. 3 is a graph showing the Cr / Fe ratio in the passivation film after surface modification according to the invention and comparative examples.

상기 도 1은 표 2의 비교예에 따라 15 중량%, 50℃의 염산용액에 5 분 침지를 통해 개질된 스테이리스강의 표면을 SEM으로 관찰한 사진이다. 도 1을 참조하면, 표면이 전체적으로 손상된 모습이며, 국부적으로 공식도 관찰되고 있다. 적정한 표면 개질을 위해서는 염산 및 불산을 10 중량% 이하의 조성으로 제한하여야 하며, 표면 개질을 용이하게 하기 위해 용액 온도는 50℃ 일 때 계면접촉저항이 우수한 강재를 확보할 수 있다는 것을 알 수 있다. 1 is a SEM photograph of the surface of the modified stainless steel, which was immersed in a hydrochloric acid solution at 15 wt% and 50 ° C. for 5 minutes according to the comparative example of Table 2. Referring to FIG. 1, the surface is completely damaged, and a local formula is also observed. For proper surface modification, hydrochloric acid and hydrofluoric acid should be limited to a composition of 10 wt% or less, and in order to facilitate surface modification, it can be seen that a steel having excellent interfacial contact resistance can be obtained at a solution temperature of 50 ° C.

비교예 5 ~ 7에서 보는 바와 같이, 염산 및 불산의 조성이 2 중량% 이하일 경우 표면 개질이 적정하지 못하므로 계면접촉저항의 저감 효과가 없음을 알 수 있다. 비교예 8 ~ 9에서 보는 바와 같이, 산화제인 FeCl3를 과잉 첨가시 부동태 피막의 두께 증가에 의해 오히려 계면접촉저항이 증가함을 알 수 있었다. 따라서, 적정량의 산화제인 과산화수소의 첨가는 부동태 피막내 Cr/Fe 비율을 증가시키며 염산과 불산에 의한 스테인리스강 침식 및 공식을 방지할 수 있다. As can be seen from Comparative Examples 5 to 7, when the composition of hydrochloric acid and hydrofluoric acid is 2% by weight or less, surface modification is not appropriate, and thus it is understood that there is no effect of reducing interfacial contact resistance. As shown in Comparative Examples 8 to 9, it was found that the interfacial contact resistance increased by increasing the thickness of the passivation film when excessive addition of the oxidizing agent FeCl 3 . Therefore, the addition of an appropriate amount of hydrogen peroxide, which is an oxidizing agent, increases the Cr / Fe ratio in the passivation film and prevents stainless steel erosion and formulation by hydrochloric acid and hydrofluoric acid.

도 2a는 표 2의 발명 비교예 11의 표면을 SEM으로 관찰한 사진이며, 도 2b는 표 2의 발명 발명예 3의 표면을 SEM으로 관찰한 사진이다. 도 1a 내지 도 1b 와는 다르게 도 2b의 표면은 손상되어 침식되거나 국부적인 부식의 모습이 보이지 않는다. FIG. 2A is an SEM photograph of the surface of Comparative Example 11 of Table 2, and FIG. 2B is an SEM photograph of the surface of Inventive Example 3 of Table 2. FIG. Unlike FIGS. 1A-1B, the surface of FIG. 2B is damaged and shows no erosion or local corrosion.

도 3은 표 2의 발명 비교예 11(표면개질 전과 동일), 비교예 4, 발명예 3에 대한 표면 개질 후 스테인리스강 표면의 부동태 피막에 대한 Cr/Fe 비율을 측정한 것이다. 염산 단독 침지에 의한 표면 개질 방법인 비교예 4는 표면 개질 전의 비교예 11과 거의 동일한 Cr/Fe 비율을 나타내었다. 그러나, 발명예 3에서 보는 바와 같이 산화제의 첨가로 인하여 부동태 피막 내의 Cr/Fe 비율이 모재의 0.35에 비해 2배 이상 증가 한 것을 알 수 있다. FIG. 3 shows the Cr / Fe ratio of the passivation film on the surface of stainless steel after surface modification for Comparative Example 11 (the same as before surface modification), Comparative Example 4 and Inventive Example 3 of Table 2. FIG. Comparative Example 4, which is a surface modification method by dipping hydrochloric acid alone, showed almost the same Cr / Fe ratio as Comparative Example 11 before surface modification. However, as seen in Inventive Example 3, it can be seen that the Cr / Fe ratio in the passivation film increased by more than two times compared to 0.35 of the base material due to the addition of the oxidizing agent.

이상의 실험에서 본 발명의 조성 범위를 갖는 스테인리스강의 염산, 불산 및 과산화수소의 혼합 용액에서의 표면 개질 방법에 있어서, 용액의 온도, 조성 등의 조건이 계면접촉저항 저감에 중요한 요인으로 작용함을 알 수 있었다. In the above experiments, in the surface modification method of the mixed solution of hydrochloric acid, hydrofluoric acid and hydrogen peroxide of the stainless steel having the composition range of the present invention, it can be seen that the conditions such as the temperature, the composition of the solution acts as an important factor in reducing the interfacial contact resistance there was.

본 발명의 발명예에 따라, 스테인리스강의 부동태 피막을 개질 처리함으로써, 낮은 계면접촉저항을 확보 할 수 있으며, 비산화성산에 의한 표면 개질 후 추가적인 부동태 피막 형성 공정 없이 산화제의 첨가에 의해 높은 Cr/Fe 비율의 우수한 내식성을 갖게 되어 고분자 연료전지 분리판용으로 적합한 스테인리스강을 생산할 수 있다. According to the present invention, by modifying the passivation film of stainless steel, low interfacial contact resistance can be ensured, and after the surface modification by non-oxidizing acid, high Cr / Fe is added by addition of an oxidizing agent without additional passivation film formation process. The excellent corrosion resistance of the ratio makes it possible to produce stainless steel suitable for polymer fuel cell separators.

전술한 발명예에서는 고분자 연료전지 분리판을 예를 들어 설명하였지만, 그 외의 다양한 연료전지 분리판에 적용할 수 있음은 물론이다. 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 발명예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 발명예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 발명예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. In the above-described invention, the polymer fuel cell separator is described as an example, but it can be applied to various other fuel cell separators. Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above-described preferred invention, it should be noted that the above-described invention is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various invention examples are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (5)

중량%로, C: 0초과~0.02, N: 0초과~0.02, Si: 0초과~0.4, Mn: 0초과~0.2, P:0초과~0.04, S: 0초과~0.02, Cr: 25~34, Mo:0~0.1미만, Cu:0~1, Ni:0~0.2미만, Ti: 0초과~0.5, Nb: 0초과~0.5를 포함하고 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며 계면접촉저항이 10mΩcm2이하이고, Cr/Fe 원자비가 표면으로부터 2nm영역내 0.4이상인 공식안정성이 우수한 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강.By weight%, C: more than 0 to 0.02, N: more than 0 to 0.02, Si: more than 0 to 0.4, Mn: more than 0 to 0.2, P: more than 0 to 0.04, S: more than 0 to 0.02, Cr: 25 to 34, Mo: less than 0 ~ 0.1, Cu: 0 ~ 1, Ni: less than 0 ~ 0.2, Ti: more than 0 ~ 0.5, Nb: more than 0 ~ 0.5, remainder consists of Fe and other unavoidable impurities Stainless steel for polymer fuel cell separator with excellent formula stability with less than 10mΩcm 2 and Cr / Fe atomic ratio of 0.4 or more in 2nm area from the surface. 제1항에 있어서,
중량%로, 상기 스테인리스강은 V: 0.2~1, W: 0~4의 어느 하나 이상이 혼합첨가된 공식안정성이 우수한 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강.
The method of claim 1,
By weight%, the stainless steel is a stainless steel for a polymer fuel cell separator plate excellent in formula stability with one or more of V: 0.2-1, W: 0-4.
제2항에 있어서,
상기 스테인리스강은 페라이트계인 공식안정성이 우수한 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강.
The method of claim 2,
The stainless steel is a stainless steel for a polymer fuel cell separator having excellent ferritic formula stability.
제1항 내지 제3항의 어느 하나로 이루어진 스테인리스강을 2 ~ 10 중량% 염산과 2 ~ 10 중량% 불산, 그리고 1 ~ 5 중량% 과산화수소의 조성을 가지는 용액에서 표면 개질 처리를 실시하는 공식안정성이 우수한 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강의 제조방법.A polymer having excellent formula stability for surface modification treatment of a stainless steel made of any one of claims 1 to 3 in a solution containing 2 to 10 wt% hydrochloric acid, 2 to 10 wt% hydrofluoric acid, and 1 to 5 wt% hydrogen peroxide. Method for manufacturing stainless steel for fuel cell separator. 제4항에 있어서,
상기 용액은 상온 ~ 60 ℃의 온도로 유지되는 공식안정성이 우수한 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The solution is a method for producing a stainless steel for polymer fuel cell separator having excellent formula stability maintained at a temperature of room temperature ~ 60 ℃.
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