KR101570583B1

KR101570583B1 - 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR101570583B1
Application number: KR1020130162700A
Authority: KR
Inventors: 김광민; 김종희; 조기훈; 이윤용
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-11-19
Also published as: KR20150074682A

Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 중량%로 C: 0.09% 이하, Si: 2.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, Cr: 21 ~ 23%, Ni: 10 ~ 12%, Nb: 0.1 ~ 0.5%, N: 0.25% 이하, W: 0.2 ~ 0.8%, B: 0.01% 이며, 이하 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고, 용융탄산염 침지에 의해 발생한 부식물의 무게는 50mg/

이하인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공한다.

Description

연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강{Austenite stainless for fuel cell}

본 발명은 내식성이 우수한 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 용융탄산염의 침지에 내식성이 강한 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)는 높은 효율과 환경친화적인 발전장치이다. 용융탄산염 연료전지의 주요 구성 요소로는 전기화학 반응이 일어나는 애노드 및 캐소드, 탄산염 전해질을 함유하는 매트릭스, 전기 집전 및 가스 분배를 위한 집전체, 전기 전도 및 가스의 유출입을 위한 분리판 등으로 이루어져 있다. 애노드 집전체는 애노드 환경에서 안정한 니켈, 니켈 합금, STS 310S등을 사용하고 있으며, 캐소드 집전체는 316L, 분리판은 316L 또는 310S를 사용하고 있다. 전해질은 일반적으로 용융탄산염 연료전지 작동온도인 650℃에서 용융상태로 존재한다. 집전체 및 분리판은 650℃ 고온의 용융탄산염 및 애노드, 캐소드 가스 분위기에 노출되어 부식 문제가 심각하게 발생한다. 집전체 및 분리판에 부식이 발생할 경우 스테인리스강 표면에 생성되는 비전도성의 부식 생성물에 의해 저항이 증가하고 전해질과의 반응에 의해 전해질 손실이 발생하여 전체 연료전지 성능 감소를 유발 할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 KR 출원번호 1999-0081360, KR 출원번호 2009-0067960, KR 출원번호 1999-0011580에서는 스테인리스강 표면에 내식 코팅을 적용하는 방법 등이 제시되었다. 스테인리스강 표면에 니켈이나 알루미늄을 코팅해 내식성을 향상시킬 수 있지만 니켈 코팅으로 침탄에 의한 부식 문제가 발생할 수 있으며, 알루미늄 코팅에 의해 생성되는 알루미늄 산화물로 인해 접촉저항이 증가하는 문제점이 있다. 이러한 문제점들은 연료전지 전체 성능을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있으며, 코팅으로 인한 추가적인 비용은 분리판 제조 비용을 증가시킨다.

본 발명은 각 원소의 조성범위를 조정하여 용융탄산염의 침지에 내식성이 우수한 오스테나이트 스테인리스강을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 중량%로 C: 0.09% 이하, Si: 2.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, Cr: 21 ~ 23%, Ni: 10 ~ 12%, Nb: 0.1 ~ 0.5%, N: 0.25% 이하, W: 0.2 ~ 0.8%, B: 0.01% 이며, 이하 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고, 용융탄산염 침지에 의해 발생한 부식물의 무게는 50mg/

이하인 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강이 제공된다.

상기 부식물의 무게는 650℃ 용융탄산염에 침지 전 측정한 상기 오스테나이트계 스테인리스강의 시편무게에서 300시간 침지 후 생성된 산화물을 제거한 뒤 측정한 시편무게를 뺀 무게감량 값을 의미할 수 있다.

여기서, 상기 N은 0.15~0.2%인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 Ni는 11~11.5%인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 W는 0.5~0.55%인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 Cr은 21.5~22.5%인 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, Ti: 0.05% 이하를 더 포함할 수 있다.

여기서. 상기 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel)일 수 있다.

본 발명의 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강에 따르면, 적절한 Cr 첨가량에 의해 고온의 용융탄산염 환경에서 우수한 내식성이 확보되고, 고가의 Ni를 대신하여 N을 첨가함으로써 제조 가격을 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 650℃ 용융탄산염에 침지 전 측정한 시편무게에서 300시간 침지 후 생성된 산화물을 제거한 뒤 측정한 시편무게를 뺀 무게감량을 도시한 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)는 높은 효율과 환경친화적인 발전장치로서, 용융탄산염 연료전지의 주요 구성요소로는 전기화학 반응이 일어나는 애노드 및 캐소드, 탄산염 전해질을 함유하는 매트릭스, 전기 집전 및 가스 분배를 위한 집전체, 전기 전도 및 가스의 유출입을 위한 분리판등으로 이루어져 있다.

이중, 집전체 및 분리판은 650℃ 고온의 용융탄산염 및 애노드, 캐소드 가스 분위기에 노출되어 부식 문제가 심각하게 발생하는 문제가 있다.

이를 해결하기 위한 본 발명은, 용융탄산염의 노출에 우수한 내탄산염 부식 특성을 가지는 연료전지의 분리판 또는 집전체용 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 것으로, 중량%로 C: 0.09% 이하, Si: 2.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, Cr: 21 ~ 23%, Ni: 10 ~ 12%, Nb: 0.1 ~ 0.5%, N: 0.25% 이하, W: 0.2 ~ 0.8%, B: 0.01% 이며, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 이루어지는 오스테나이트계 스테인리스강을 그 대상으로 한다.

이때, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강의 용융탄산염 침지에 의해 발생한 부식물의 무게는 50mg/

이하일 수 있다.

여기서, 상기 부식물의 무게는 650℃ 용융탄산염에 침지 전 측정한 상기 오스테나이트계 스테인리스강의 시편무게에서 300시간 침지 후 생성된 산화물을 제거한 뒤 측정한 시편무게를 뺀 무게감량 값을 의미한다.

이하 본 발명의 내식성이 향상된 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강을 구성하는 성분계에 관하여 보다 상세히 설명한다. 단, 여기서 성분계의 %는 중량 %를 의미한다.

C: C는 고용강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이나, 함량이 과다 시 내식성에 유효한 Cr과 같은 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 결정립계 주위의 Cr 함량을 낮추어 내식성을 감소시키기 때문에 내식성을 극대화하기 위해서는 C 함량을 0.09% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Si: Si는 산화물로 형성될 경우 내식성을 향상시킬 수 있으나, 과다할 경우 충격인성, 연신율,가공성등의 기계적 특성을 저하시키므로 Si 함량을 2.0% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn: Mn은 N와 마찬가지로 오스테나이트상 안정화 원소로서 Ni를 대체하는 원소로서 오스테나이트상을 준안정화 시키지만 과다하계 첨가되는 경우 내열성을 악화 시키므로 Mn 함량을 2.0% 이하로 제한한다.

Cr: Cr은 스테인리스강에서 내식성 및 내산화성 향상을 위해 반드시 첨가되어야 하는 합금 원소로서, 함량을 증가시키면 내식성이 증가하나 오스테나이트 상의 안정화를 위해서는 고가의 Ni 함량을 증가시켜야 하므로, 오스테나이트 상을 유지하면서 STS316 이상의 내식성을 확보하기 위해서는 Cr 함량을 21 ~ 23%로 제한한다. 바람직하게는 Cr 함량을 21.5~22.5%로 제한할 수 있다.

Ni: Ni은 Mn 및 N과 함께 오스테나이트 안정화 원소로 원가절감을 위하여 가격이 비싼 Ni을 대신하여 Mn과 N의 첨가 할 수 있으나, 과도한 Ni 함량 감소는 Mn 및 N 함량의 과다로 오히려 내식성 및 열간 가공성 감소 또는 Cr 함량 감소로 인해 내식성 확보가 곤란하므로 Ni 함량을 10 ~ 12%로 제한한다. 바람직하게는 Ni 함량을 11~11.5%로 제한할 수 있다.

Nb: Nb는 고온 강도 및 크립강도를 향상시키는데 유효한 원소로서, 그 함량은 강 중 C 및 N의 함량에 의해 결정된다. 본 발명강의 N함량이 0.25% 이하인 것을 고려하여 Nb 함량을 0.1 ~ 0.5%로 제한한다.

N: N은 오스테나이트 안정화 원소이며 고온 강도와 내식성을 동시에 향상시키는 원소이나 과다하게 첨가되는 경우 열간 가공성을 감소시키므로 N 함량을 0.25% 이하로 제한한다. 본 발명에서는 고가의 Ni를 대신하여 N을 첨가함으로써 우수한 내식성을 확보하도록 하며 N 함량을 바람직하게는 0.15~0.2%로 제한할 수 있다.

W: W은 고온강도를 향상시키는 합금 원소로서, 과다하게 첨가되는 경우 내산화성이 저하되며 σ상 형성을 촉진하여 기계적 성질을 저하시키므로 W의 함량을 0.2 ~ 0.8%로 제한한다. 바람직하게는 W 함량을 0.5~0.55%로 제한할 수 있다.

B: B는 고온에서 열간 가공성을 향상시키는 합금 원소로서, 과다하게 첨가되는 경우 연성, 인성 및 가공성을 저해하기 때문에 B의 함량을 0.01% 이하로 제한한다.

본 발명은 선택적으로 Ti를 더 포함할 수 있다.

여기서, Ti는 고온 강도 개선을 위해 첨가되는 합금 원소로서, 과다하게 첨가되는 경우 연주시 노즐 막힘 현상이 발생할 수 있기 때문에 Ti 함량을 0.05% 이하로 제한할 수 있다.

< 실시예 >

본 발명에서는 고온의 용융탄산염 노출에 내식성이 우수한 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강을 얻기 위해 합금 원소의 첨가량을 변화시켜 내식성을 판단하였다. 표 1은 실험 강종에 대한 합금 조성 및 무게감량에 따른 내식성을 나타낸 실험결과이다. 실시예는 본 발명의 조성범위를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 대상으로 하였고, 비교예는 본 발명의 조성범위를 벗어난 오스테나이트계 스테인리스강을 대상으로 하였다.

표 1의 무게감량은 650℃ 용융탄산염에 침지 전 측정한 시편무게에서 300시간 침지 후 생성된 산화물을 제거한 뒤 측정한 시편무게를 뺀 값이며, 용융탄산염에 의한 부식량이다. 비교강 및 개발강의 내식성에 있어서 무게감량이 50mg/

이하인 강들은 우수(○), 51 ~ 250mg/

인 강들은 양호(△), 250mg/

이상인 강들은 불량(X)으로 판정할 수 있다.

도 1은 650℃ 용융탄산염에 침지 전 측정한 시편무게에서 300시간 침지 후 생성된 산화물을 제거한 뒤 측정한 시편무게를 뺀 무게감량을 도시한 도면이다.

표 1의 결과를 보면 비교예 1 내지 비교예 4에 비해 비교예 5 및 실시예 1, 2의 용융탄산염에의 무게감량이 50mg/

이하로서 내식성이 우수하였다. 이는 비교예 5 및 실시예 1, 2의 높은 Cr양에 기인한 것으로 분석된다.

Cr은 고온의 용융탄산염 환경에서 강 표면에 Cr 산화물을 형성하여 내식성을 향상 시킨다. 본 발명에 따르면 고온의 용융탄산염 환경에서 유효한 Cr 산화물을 형성하여 내식성을 확보하기 위해서는 21% 이상의 Cr이 필요한 것으로 판단된다.

그러나 비교예 5와 같이 Cr 함량이 과다할 경우 오스테나이트 상의 안정화를 위해서 고가의 Ni 함량을 증가시켜야 하므로, 실시예 1, 2와 같이 Cr 함량을 21~23%로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 실시예 1, 2에서 Cr 함량을 증가시켰을 경우 오스테나이트 상의 안정화를 위하여 고가의 Ni 대신에 N을 첨가하였다. 이때, N의 함량은 0.15~2%로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 실시예 1, 2는 비교예 5에 비해 더 적은 Ni 함량으로 비교예 5보다 우수한 내식성을 확보할 수 있었으며 제조 가격을 저감할 수 있어 경제적인 효과도 크다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

중량%로 C: 0.05% 이상 0.09% 이하, Si: 2.0% 이하(0% 제외), Mn: 2.0% 이하(0% 제외), Cr: 21 ~ 23%, Ni: 10 ~ 12%, Nb: 0.1 ~ 0.5%, N: 0.25% 이하(0% 제외), W: 0.2 ~ 0.8%, B: 0.01% 이하(0% 제외)이며, 이하 나머지 Fe 및 불순물을 포함하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
용융탄산염 침지에 의해 발생한 부식물의 무게는 50mg/
이하이고,
상기 부식물의 무게는 650℃ 용융탄산염에 침지 전 측정한 상기 오스테나이트계 스테인리스강의 시편무게에서 300시간 침지 후 생성된 산화물을 제거한 뒤 측정한 시편무게를 뺀 무게감량 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 N은 0.15~0.2%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 Ni는 11~11.5%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 W는 0.5~0.55%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 Cr은 21.5~22.5%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
Ti: 0.05% 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell) 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.