KR101409423B1

KR101409423B1 - 고분자 연료전지 분리판의 제조방법

Info

Publication number: KR101409423B1
Application number: KR1020120151284A
Authority: KR
Inventors: 조기훈; 김종희; 김광민; 이윤용; 서보성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-07-02

Abstract

고분자 연료전지용 분리판의 제조방법은 중량퍼센트(wt%)로 Cr:28~35%를 함유하는 페라이트 스테인리스 강재를 준비하는 단계; 상기 스테인리스 강재를 열처리하여 α'상을 형성시키는 단계를 포함한다

Description

고분자 연료전지 분리판의 제조방법{Fabrication method of bipolar plate for PEMFC}

본 발명은 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고Cr을 함유한 스테인리스 강의 열처리를 통하여 강도를 향상시킨 고분자 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것이다.

연료전지는 수소연료가 가지는 화학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치로 내연기관을 이용하지 않아 소음, 진동이 없고 높은 효율을 달성할 수 있으며 배출되는 오염물질이 거의 없어 새로운 에너지 원으로 각광받고 있다.

고분자 전해질 연료전지는 전해질로 이온전도성을 갖는 고체 고분자막을 사용하므로 상온, 상압에서 작동이 가능하며 운전온도가 80℃ 정도로 낮고 가동시간이 짧으며 출력밀도가 높아 수송 및 휴대용, 가정용 등의 전력원으로 각광을 받고 있다.

도 1은 스테인리스 분리판을 포함하는 고분자 연료전지의 사시도이다. 이를 참조하면, 고분자 연료전지의 스택(100)은 전해질과 전극(Anode, Cathode) 및 가스밀봉용 가스켓이 포함된 막-전극 집합체(110)와 유로가 있는 분리판(120), 공기의 입,출구(130,140), 수소가스의 입,출구(150,160)가 포함된 엔드 플레이트로 구성된다.

분리판(120)은 일반적으로 흑연, 카본, Ti합금, 스테인리스강 및 도전성 플라스틱 중 하나로 형성된다. 그 중 스테인리스 강은 낮은 계면 접촉저항, 우수한 내식성, 열전도성, 낮은 기체투과성을 가지며 대면적화와 양호한 제품 성형성의 장점이 있다.

스테인리스강 분리판은 다른 소재에 비해 우수한 특성으로 인해 고분자 연료전지의 분리판으로 적용이 확대되고 있다. 그러나 연료전지의 상용화를 위해서는 스택의 부피와 무게를 저감해야 하는데 스테인리스강은 일정 수준의 절대 강도 확보를 위해서는 0.1mmt 전후의 소재를 사용하여야 한다. 이로 인해 스택의 무게와 부피의 저감에 한계가 존재하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열처리를 통하여 강도가 향상된 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법은 중량퍼센트(wt%)로 Cr:28~35%를 함유하는 페라이트 스테인리스 강재를 준비하는 단계; 상기 스테인리스 강재를 열처리하여 α'상을 형성시키는 단계를 포함를 포함한다

상기 열처리 단계는 450~550℃에서 5~20분 동안 유지하는 것일 수 있다.

상기 스테인리스 강재는 중량퍼센트(wt%)로 Mo:0.1~3.0%, W:0.1~5.0% 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

상기 스테인리스 강재는 중량퍼센트(wt%)로 Mo:2~3.0%, W:2~5.0% 중 적어도 하나 이상을 더 포함하고, 상기 열처리 단계는 400~550℃에서 5~20분 동안 유지하는 것일 수 있다.

상기 열처리 단계는 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 유지될 수 있다.

상기 열처리 단계는 상기 스테인리스 강재의 분리판 성형 후에 이루어질 수 있다.

본 발명에 의한 고분자 연료전지용 분리판 제조방법에 따르면 간단한 열처리를 통하여 고분자 연료전지용 분리판의 유지하면서도 강도를 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 극박분리판의 채용이 가능해지므로 고분자 연료전지 스택의 무게와 부피를 저감시킬수 있다.

도 1은 스테인리스 분리판을 포함하는 고분자 연료전지의 사시도이다.
도2는 Cr함량에 따른 페라이트 스테인리스강의 α’석출경향에 관한 개략도이다.
도3은 발명강7의 열처리온도에 따른 시편의 경도 변화를 나타낸 그래프이다.
도4는 비교강3의 열처리온도에 따른 시편의 경도 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

일반적으로 25wt% 이상의 고 Cr 페라이트 강을 475℃ 부근에서 열처리 할 경우 소재내부에 생성되는 α'상에 의해 강화효과가 발생한다.(도2참조) 이러한 현상은 통상 소재의 취화 현상을 일으키는 것으로 대부분의 공정에서는 이를 피하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명에서는 이 때 형성된 α'상을 이용하여 극박소재가 적용되는 고분자 연료전지 분리판에 응용하는 것을 통하여 기존의 분리판의 두께 보다 얇은 분리판을 적용하면서도 동일한 강도를 얻을 수 있다.

475 취성이라고 불리는 이 현상은 소재 내부에 아주 미세한 α'상을 형성되므로 특정 열처리 조건에서 이 석출물을 고르게 형성할 경우 극박 소재의 강도를 향상하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시예는 중량 퍼센트(wt%)로 28~35%의 Cr을 함유하는 페라이트 스테인리스 강을 450~550℃의 온도에서 5~20분간 유지한다. 이 때 필요에 따라 0.1~3wt%의 Mo, 또는 0.1~5wt%의 W을 단독 혹은 복합 첨가 할 수 있다. 그리고 2~3wt% Mo, 또는 2~5wt% W이 첨가된 경우 열처리 온도 구간이 400~550℃로 확장 될 수 있다.

이러한 열처리에 의해 강화된 분리판은 통상 150~200Hv 정도의 경도를 갖는 것에 비해 200Hv이상의 경도를 가지므로 통상의 소재보다 얇은 소재의 사용이 가능해 진다.

이러한 강화 열처리는 통상적으로는 대기 분위기 하에서 진행 되지만 표층 스케일의 형성을 억제하기 위한 필요에 의해 진공 또는 불활성 분위기 하에서 진행 할 수도 있다.

상기에서 제시하고 있는 강화 열처리는 분리판 소재 제작단계에서도 이루어질 수 있으나 이 경우 분리판 성형공정에 어려움을 겪을 수 있기 때문에 분리판 성형 공정이 끝난 후 적용하는 것이 바람직하다.

이하에서는 각 성분 및 열처리 조건의 한정이유를 설명한다. 특별한 언급이 없는 한 각 성분의 함량은 중량퍼센트(wt%)이다.

Cr:28~35%

크롬(Cr)은 본 발명에서 α'상을 형성하는 가장 중요한 성분이다. Cr함량이 낮을 경우 강화효과가 나타나지 않거나 열처리시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있다. 다만, 과도하게 첨가할 경우 제조비용의 상승을 초래하며 소재의 가공을 저해하므로 상기 범위로 한정한다.

Mo:0.1~3%

몰리브덴(Mo)는 페라이트강에서 내식성을 강화하기 위해 첨가하는 성분 중의 하나이며 열처리시 강화효과를 촉진할 수 있도록 0.1%이상을 첨가한다. 다만 과도한 첨가시 제조비용의 상승을 초래하므로 그 상한을3%로 한정한다.

W:0.1~5%

텅스텐(W)은 페라이트강에서 내식성을 강화하기 위해 첨가하는 성분중에 하나이며 열처리시 강화효과를 촉진할 수 있도록 0.1%이상을 첨가한다. 다만 과도한 첨가시 제조비용의 상승을 초래하므로 그 상한을5%로 한정한다.

상기 Mo와 W의 경우 그 필요에 따라 적어도 하나 이상을 첨가할 수 있다.

상기 조성의 스테인리스강에서 강화효과를 얻기위한 열처리 온도는 450~550℃가 바람직하다. 그 이외의 온도에서는 강화효과가 일어나지 않거나 열처리에 장시간이 필요하므로 상기 범위로 한정한다. 특히 550℃를 초과하는 경우에는 장시간 유지하여도 α'상을 형성되지 않게 된다.

또한, α'상의 형성을 촉진시키는 Mo, W이 각각 Mo:2~3.0%, W:2~5.0%으로 다량 첨가되는 경우에는 열처리 온도를 400~550℃로 설정하여도 본 발명에서 의도하는 강화효과를 얻을 수 있다.

열처리시간은 5~20분이 바람직하다. 5분 미만의 경우 적정 강화효과를 확보하기 어려우며 20분 이상의 경우 그 시간이 과도하게 길어져 상용공정에 적용이 어려워지며, 과도한 α'상의 형성으로 인해 내식성이 저하될 수 있으므로 상기 범위로 한정한다.

본 발명을 실시예를 통하여 보다 자세히 설명한다.

발명강 10종과 비교강3종을 하기 표1의 조성성분으로 제조하였다. 모든 시편은 진공용해장치를 통하여 50Kg의 잉곳으로 제조한 뒤 열간압연과 냉간압연을 거쳐 최종 두께 1mmt의 시험편을 제작하였다.

열처리 온도와 시간은 각 시편에 대해 표1의 조건으로 진행되었으며 비커스 경도를 1kg의 측정해 강화효과를 확인하였다.

강종	Cr (wt%)	Mo (wt%)	W (wt%)	열처리 온도 (℃)	열처리 시간 (분)	경도 (Hv)
발명강1	28	-	-	525	17	230
발명강2	30	-	-	450	8	216
발명강3	34	-	-	500	5	243
발명강4	30	0.5	-	475	15	252
발명강5	28	2.8	-	475	6	228
발명강6	27	-	0.3	550	7	225
발명강7	29	-	3	500	5	245
발명강8	28	-	5	525	10	261
발명강9	30	1	1.5	500	13	280
발명강10	32	2.5	3.5	425	16	260
비교강1	24	-	-	500	8	180
비교강2	29	-	-	400	5	192
비교강3	23	2	-	525	5	179

발명강1~10의 경우 해당열처리 조건에서 200Hv 이상의 경도를 나타내는 것이 확인되었다. 반면에 비교강 1~3에서는 강화효과가 나타나지 않거나 충분하지 않을 것으로 확인되었다. 이러한 강화효과는 Mo, W가 첨가될 경우 더욱 증가하는 것으로 확인되었다.

특히, 높은 Mo, W함량을 가지는 발명강10의 경우에는 425℃의 낮은 온도에서도 충분한 강화 효과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 반면 비교강3에서는 Mo가 2wt% 첨가되었으나 Cr의 함량이 23wt%로 강화효과를 나타나기에는 충분하지 않아 본 발명의 강화효과를 달성하기 어려운 것으로 확인되었다.

도3은 발명강7의 열처리온도에 따른 시편의 경도 변화를 나타낸 그래프이다. 도4는 비교강3의 열처리온도에 따른 시편의 경도 변화를 나타낸 그래프이다. 도3 및 도4를 참조하면 발명강7의 경우 모든 온도구간에서 200Hv이상의 높은 경도를 나타내고 있는 반면에 비교강3은 낮은 Cr 함량으로 인해 강화효과가 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.

이상 첨부된 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 고분자 연료전지 스택 110: 막-전극 집합체
120: 분리판 130,140: 공기 입,출구
150, 160: 수소가스 입,출구

Claims

중량퍼센트(wt%)로 Cr:28~35%를 함유하는 페라이트 스테인리스 강재를 준비하는 단계;
상기 스테인리스 강재를 열처리하여 α'상을 형성시키는 단계
를 포함하는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법.
제1항에서,
상기 열처리 단계는 450~550℃에서 5~20분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법.
제2항에서,
상기 스테인리스 강재는 중량퍼센트(wt%)로 Mo:0.1~3.0%, W:0.1~5.0% 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는 특징으로 하는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법.
제1항에서,
상기 스테인리스 강재는 중량퍼센트(wt%)로 Mo:2~3.0%, W:2~5.0% 중 적어도 하나 이상을 더 포함하고, 상기 열처리 단계는 400~550℃에서 5~20분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법.
제2항에서,
상기 열처리 단계는 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 유지되는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법.
제1항에서,
상기 열처리 단계는 상기 스테인리스 강재의 분리판 성형 후에 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의해 제조된 고분자 연료전지용 분리판.
제7항에서,
상기 분리판의 경도는 200Hv이상인 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 분리판.