KR101959380B1 - 내산화성 페라이트계 스테인리스 강 및 이를 사용한 연료전지 접속자 및 연료전지 - Google Patents

내산화성 페라이트계 스테인리스 강 및 이를 사용한 연료전지 접속자 및 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 내산화성, 가공성, 및 크롬 휘발 억제력이 우수한 페라이트계 스테인리스 강을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 페라이트계 스테인리스 강은, 10 wt% 내지 30 wt%의 크롬(Cr); 0.1 wt% 내지 2.0 wt%의 망간(Mn); 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 티타늄(Ti); 0.001 wt% 내지 0.3 wt%의 알루미늄(Al); 0.3 wt% 내지 0.7 wt%의 란타늄(La); 0.004 wt% 내지 0.012 wt%의 붕소(B); 0.001 wt% 내지 0.2 wt%의 탄소(C); 0.001 wt% 내지 0.1 wt%의 질소(N); 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물;을 포함한다.

Description

내산화성 페라이트계 스테인리스 강 및 이를 사용한 연료전지 접속자 및 연료전지 {Ferritic stainless steel with high oxidation resistance and fuel cell interconnector using the same and fuel cell}
본 발명의 기술적 사상은 페라이트계 스테인리스 강에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 내산화성 페라이트계 스테인리스 강, 이를 사용한 연료전지 접속자 및 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 페라이트계 스테인리스 강은 10 wt% 이상의 크롬(Cr) 성분을 함유하는 스테인리스 강으로서 오스테나이트계 스테인리스 강에 비해 저가이며 염화물에 의한 응력부식 균열이 발생하지 않는 등의 장점을 가져 그 수요가 점차적으로 증가하고 있는 재료이다. 페라이트계 스테인리스 강은 발전소 보일러 및 파이프 소재, 자동차의 배기계통 부재 또는 연료전지 접속자 등의 고온 환경하에 사용될 수 있으며 이 경우 높은 내열성과 내산화성을 겸비하여야 한다.
특히, 페라이트계 스테인리스 강이 연료전지 접속자에 사용되는 경우에는 연료전지에서 공급되는 연료와 공기를 분리하는 분리판 역할과, 단위 전지간의 연결재 역할을 동시에 하게 되어, 높은 전기전도도, 가동 온도에서의 내산화성, 연료전지의 다른 부분과의 유사한 열팽창률 및 저렴한 가격 등의 특성이 요구된다. 기존에는 고온에서 안정성이 뛰어난 그라파이트(Graphite), Cr-5Fe-1Y2O3가 도핑된 LaCrO3등 세라믹 소재들이 연료전지 접속자 소재로 주로 고려되었으나, 가공성 등의 문제로 금속계 소재들이 주로 고려되고 있다. SOFC의 경우에는 대부분 인코넬 등의 니켈 기초합금이 주로 사용되고 있었으나 가격 문제로 실제 상업적 사용이 어려워 최근에는 철강계열의 페라이트계 스테인리스 강의 사용이 적극 연구되고 있다.
페라이트계 스테인리스 강에서 C, N, O 등의 불순물을 저하시키고 Cr, Ni, Co, Zr, 희토류 금속 등의 안정적인 산화층을 형성하는 합금 원소를 첨가하여 내산화성을 향상시키는 방법이 주로 사용되고 있다. 내산화성이나 내부식성을 증가시키기 위하여, Mo, Al 및 희토류 금속 등을 추가하거나 기재 위에 코팅층이나 합금층을 도포하는 방법이 제안되었으나, 이러한 방법들은 페라이트계 스테인리스 강의 내산화성은 높일 수 있으나, 페라이트계 스테인리스 강의 강도가 낮아지거나 가공성이 불량해질 수 있고 한편으로 내산화성 원소의 첨가로 인해 경제적으로 불리한 측면이 있다. 또한, Cr 함량이 높은 스테인리스 강을 연료전지용 접속자로 사용하는 경우, 연료전지 작동 중에 Cr이 휘발되어 연료전지의 양극쪽에 달라붙으면서 연료전지의 전지 성능을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 종래에는 코팅 등을 통하여 이러한 문제를 해결하여 왔으나, 유로(flow channel) 설계 과정에서 형상이 복잡해지는 접속자의 특성상 코팅이 용이하지 않은 문제점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-1042249호 2. 한국등록특허 제10-1273936호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 내산화성, 가공성, 및 크롬 휘발 억제력이 우수한 페라이트계 스테인리스 강을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 내산화성, 가공성, 및 크롬 휘발 억제력이 우수한 페라이트계 스테인리스 강을 포함하는 연료전지 접속자 및 연료전지를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 페라이트계 스테인리스 강은, 10 wt% 내지 30 wt%의 크롬(Cr); 0.1 wt% 내지 2.0 wt%의 망간(Mn); 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 티타늄(Ti); 0.001 wt% 내지 0.3 wt%의 알루미늄(Al); 0.3 wt% 내지 0.7 wt%의 란타늄(La); 0.004 wt% 내지 0.012 wt%의 붕소(B); 0.001 wt% 내지 0.2 wt%의 탄소(C); 0.001 wt% 내지 0.1 wt%의 질소(N); 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물;을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 란타늄(La)은 0.36 wt% 내지 0.65 wt% 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 붕소(B)는 0.0048 wt% 내지 0.011 wt% 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 크롬(Cr)은 21.8 wt% 내지 23.1 wt% 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 망간(Mn)은 0.3 wt% 내지 0.5 wt% 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 티타늄(Ti)은 0.01 wt% 내지 0.06 wt% 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 알루미늄(Al)은 0.01 wt% 내지 0.08 wt% 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 크롬(Cr)은 21.8 wt% 내지 23.1 wt% 범위일 수 있고, 상기 망간(Mn)은 0.3 wt% 내지 0.5 wt% 범위일 수 있고, 상기 티타늄(Ti)은 0.01 wt% 내지 0.06 wt% 범위일 수 있고, 상기 알루미늄(Al)은 0.01 wt% 내지 0.08 wt% 범위일 수 있고, 상기 란타늄(La)은 0.36 wt% 내지 0.65 wt% 범위일 수 있고, 상기 붕소(B)는 0.0048 wt% 내지 0.011 wt% 범위일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 페라이트계 스테인리스 강은, 10 wt% 내지 30 wt%의 크롬(Cr); 0.1 wt% 내지 2.0 wt%의 망간(Mn); 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 티타늄(Ti); 0.001 wt% 내지 0.3 wt%의 알루미늄(Al); 0.3 wt% 내지 0.7 wt%의 란타늄(La); 0.004 wt% 내지 0.012 wt%의 붕소(B); 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물;을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 연료전지 접속자는, 상술한 페라이트계 스테인리스 강을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 연료전지는, 애노드, 전해질 및 캐소드로 이루어진 복수의 단위 전지들; 및 상기 단위 전지를 연결하고 상술한 함량의 원소들을 가지는 연료전지 접속자;를 포함한다.
연료전지 접속자는 각각의 단위전지를 연결하는 연결재로서의 역할뿐만 아니라, 연료전지에서 공급되는 연료와 공기를 분리하는 분리판으로서의 역할도 함께 수행한다. 따라서, 이러한 연료전지 접속자는 높은 전기 전도도를 필요로 하며, 가동온도 특히 800℃ 정도 고온에서의 내산화성 및 연료전지의 다른 부분과 유사한 열팽창율이 요구되는 동시에, 경제성도 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강은 La과 B를 첨가함에 따라, 열간 압연 가공성, 냉간 압연 가공성, 면저항, 고온강도, 크롬 휘발 억제력, 및 성형성이 개선된 연료전지 접속자를 형성할 수 있고, 따라서, 연료전지의 셀 성능 및 효율이 증가되고, 고온에서 장기간 사용할 수 있고, 내산화성이 높아짐에 따라 긴 수명을 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 열간 압연 가공성을 나타내는 사진들이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 냉간 압연 가공성을 나타내는 사진들이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 면저항을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 크롬 휘발성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 강도와 연신율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 평균 소성 변형비를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지를 도시하는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은 내산화성, 가공성, 및 크롬 휘발 억제력이 우수한 페라이트계 스테인리스 강을 제공하는 것으로서, 예를 들어 연료전지 접속자에 적용될 수 있는 페라이트계 스테인리스 강을 제공하는 것이다.
이러한 연료전지 접속자는 단위 전지를 연결하는 연결 부재의 기능을 수행하고, 연료전지에서 공급되는 연료와 공기를 분리하는 분리 부재의 기능을 수행한다. 따라서, 상기 연료전지 접속자용 재료는 높은 전기전도도, 가동 온도에서의 내산화성, 강도, 및 크롬 휘발 억제력, 다양한 형상을 구현할 수 있는 가공성, 연료전지를 구성하는 다른 부재와 유사한 열팽창률 및 저렴한 가격 등의 특성이 요구된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 페라이트계 스테인리스 강은, 10 wt% 내지 30 wt%의 크롬(Cr); 0.1 wt% 내지 2.0 wt%의 망간(Mn); 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 티타늄(Ti); 0.001 wt% 내지 0.3 wt%의 알루미늄(Al); 0.3 wt% 내지 0.7 wt%의 란타늄(La); 0.004 wt% 내지 0.012 wt%의 붕소(B); 0.001 wt% 내지 0.2 wt%의 탄소(C); 0.001 wt% 내지 0.1 wt%의 질소(N); 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물;을 포함한다.
특히, 본 발명의 기술적 사상은, 페라이트계 스테인리스 강이 연료전지 접속자용 재료로서 사용될 수 있도록, 산화막 성장을 억제하고 산화막의 특성을 개선하도록 란타늄(La)의 첨가량을 증가시키는 것이다. 그러나, La의 첨가량을 증가시키는 경우에는 가공성이 악화되는 문제점이 발생되는 바, 이러한 가공성 악화를 극복하기 위하여, B를 더 첨가한다. 이에 따라, 산화 특성 제어의 핵심 원소인 La의 농도를 넓은 범위에서 조절 가능하게 된다.
이하에서는, 본 발명의 페라이트계 스테인리스 강을 구성하는 각각의 원소의 수치 함량의 의의를 상세하게 설명하기로 한다.
크롬(Cr)의 함량은 10 wt% 내지 30 wt% 범위일 수 있다. Cr은 내식성을 증가시킬 수 있다. 크롬 함량이 상기 범위 내에 있는 경우에는 내식성, 가공성, 제조성 및 제조 비용 등이 만족스러울 수 있다.
망간(Mn)의 함량은 0.1 wt% 내지 2.0 wt% 범위일 수 있다. Mn은 고용 강화를 유발하는 원소로서, Mn의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우에 가공성 및 제조 비용 등이 만족스러울 수 있다.
티타늄(Ti)의 함량은 0.01 wt% 내지 0.5 wt% 범위일 수 있다. Ti는 C나 N을 고정하여 연질화를 도모하고 연신율을 향상시키기 위한 원소로서, Ti의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우에 연신성, 가공성 및 제조 비용 등이 만족스러울 수 있다.
알루미늄(Al)의 함량은 0.001 wt% 내지 0.3 wt% 범위일 수 있다. Al은 탈산 원소로서, Al의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우에 가공성 및 인성 등이 만족스러울 수 있다.
란타늄(La)의 함량이 0.3 wt% 내지 0.7 wt% 범위일 수 있다. La는 내산화성을 증가시키는 란타노이드계(lanthanoids) 희토류 원소이다. 란타늄(La)의 함량이 0.3 wt% 미만인 경우에는, 산화막 형성 억제가 제한될 수 있다. 반면, 란타늄(La)의 함량이 0.7 wt% 초과일 경우에는, 산소 친화도가 높은 La 에 의해 산화가 오히려 촉진되거나 La-O 개재물이 형성될 수 있으며 가공성이 저하될 수 있다.
붕소(B) 의 함량은 0.004 wt% 내지 0.012 wt% 범위일 수 있다. 붕소(B) 의 함량이 0.004 wt% 미만인 경우에는, 가공성 개선 효과가 두드러지지 않을 수 있다. 반면, 붕소(B) 의 함량이 0.012 wt% 초과일 경우에는, 표면 산화막 특성에 균일성을 저하시키는 등의 나쁜 영향을 끼칠 수 있다.
탄소(C)의 함량은 0.001 wt% 내지 0.2 wt% 범위일 수 있다. C는 가공성 및 방청성을 열화시키는 원소로서, C의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우에 방청성 및 정련 비용 등이 만족스러울 수 있다. C은 원하지 않는 불순물에 해당될 수 있으므로, 그 함량이 적을수록 유리할 수 있다.
질소(N) 의 함량은 0.001 wt% 내지 0.1 wt% 범위일 수 있다. N의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우에 가공성 등이 만족스러울 수 있다. N은 원하지 않는 불순물에 해당될 수 있으므로, 그 함량이 적을수록 유리할 수 있다.
상술한 바와 같이, 탄소와 질소는 의도적으로 첨가하지 않을 수 있으므로, 불가피한 불순물에 포함될 수 있다. 이러한 경우에는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 페라이트계 스테인리스 강은, 10 wt% 내지 30 wt%의 크롬(Cr); 0.1 wt% 내지 2.0 wt%의 망간(Mn); 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 티타늄(Ti); 0.001 wt% 내지 0.3 wt%의 알루미늄(Al); 0.3 wt% 내지 0.7 wt%의 란타늄(La); 0.004 wt% 내지 0.012 wt%의 붕소(B); 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물;을 포함한다.
하기에 설명하는 바와 같이 구체화한 실시예들을 기초로 구성 원소의 함량을 한정할 수 있다. 이러한 경우에는 본 발명의 기술적 사상에 따른 페라이트계 스테인리스 강은, 21.8 wt% 내지 23.1 wt%의 크롬(Cr); 0.3 wt% 내지 0.5 wt%의 망간(Mn); 0.01 wt% 내지 0.06 wt%의 티타늄(Ti); 0.01 wt% 내지 0.08 wt%의 알루미늄(Al); 0.36 wt% 내지 0.65 wt%의 란타늄(La); 0.0048 wt% 내지 0.011 wt%의 붕소(B); 0.003 wt% 내지 0.02 wt%의 탄소(C); 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물;을 포함한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예들을 제공한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
합금 조성 설계
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 조성을 나타낸다.
wt% Cr Mn Ti Al La B C Fe
실시예1 22.9 0.4 0.06 0.08 0.52 0.0109 0.003 잔부
실시예2 21.8 0.4 0.01 0.01 0.36 0.0048 0.003 잔부
실시예3 23.1 0.4 0.02 0.01 0.65 0.0092 0.02 잔부
비교예1 22.9 0.4 0.08 0.07 0.60 - 0.02 잔부
비교예2 22.4 0.4 0.05 0.04 0.16 0.011 0.01 잔부
비교예3
(Crofer
22 APU)		 20.0
~ 24.0		 0.30
~ 0.80		 0.03
~ 0.20		 0.50 0.04
~ 0.20		 - 0.03 잔부
비교예4 22.9 0.37 0.07 0.01 0.27 - 0.01 잔부
비교예5 23.1 0.4 0.06 0.03 0.86 0.012 0.02 잔부
시편 제조
상기 표 1의 실시예들과 비교예들의 함량에 따라 혼합된 원소들을 진공유도 용해하여 합금을 각각 형성하였다. 상기 합금을 1150℃에서 2 시간 동안 균질화 열처리하였다. 참고로, 비교예3은 VDM metals 사에서 구입하였다.
상기 균질화 열처리된 합금을 개별적인 공정을 통하여 후판재와 박판재를 제작하였다. 후판재의 경우, 상기 균질화 열처리 후, 상기 합금을 1150℃에서 열간 압연(80%)하여 18T의 후판재로 제작하였다. 박판재의 경우, 상기 합금을 1150℃에서 열간 압연(88%)하고, 900℃에서 2 시간 동안 재결정 열처리한 후에, 냉간 압연하여 0.5T 내지 1T의 박판재로 제작하였다.
특성 측정
산화막의 면저항 분석을 위해 시편을 800℃에서 100시간 사전 산화한 후, 800℃에서 900시간 동안 전기 저항을 4단자법으로 실시간 측정하였다.
크롬 휘발성 억제 효과를 살펴보기 위하여, 시편을 800℃로 가열하고, 가열된 시편에 상온의 포화 수증기량의 60%의 수분을 함유한 공기를 흘리면서 이 때 휘발된 크롬을 다공성 세라믹인 Raschig ring을 통해 총 1000시간 동안 50 시간 내지 100 시간 간격으로 포집하였다. 포집된 크롬을 질산에 담가 용해시키고 이 용액을 ICP법(Varian VISTA 720-ES Simultaneous ICP-OES 장비)으로 정량분석하였다.
연료전지 작동 온도인 고온에서의 기계적 특성을 평가하기 위하여 상기 시편들의 700℃ 에서의 고온 인장강도, 항복강도, 및 연신율을 측정하였다.
박판재의 경우 프레스 가공에 적합한 성형성을 가지는가를 평가하기 위하여 인장 시험을 통해 평균소성변형비를 산출하였다.
특성 분석
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 열간 압연 가공성을 나타내는 사진들이다.
도 1을 참조하면, 실시예1, 실시예2, 실시예3, 비교예1, 비교예4, 및 비교예5에 대한 열간압연 후의 후판재의 표면 상태를 나타낸다. 비교예1 및 비교예4는 La을 0.2 wt% 이상 첨가하고 B이 첨가되지 않은 경우로서, 용탕의 유동성이 저하되며 후판재 표면에 균열이 발생하였다. 또한, 비교예5는 La을 0.86 wt% 으로 높은 함량으로 첨가하면 B이 0.012 wt% 첨가된다고 하여도 균열이 발생하였다. 반면, 실시예1, 실시예2 및 실시예3은 이러한 균열이 발생하지 않았으므로, 열간 가공성이 우수함을 알 수 있다. 따라서, La 함량이 증가되는 경우에는 B의 첨가함에 따라 균열 발생을 방지하게 되므로, 열간 가공성을 증가시키는 것으로 분석된다. 다만, 비교예 5와 같이 La이 0.86 wt% 수준으로 너무 많은 경우에는 B이 첨가된다고 하여도 균열 발생 방지력이 저하됨을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 냉간 압연 가공성을 나타내는 사진들이다.
도 2를 참조하면, 냉간 압연 후 비교예1에서는 표면 박리 현상이 나타났다. 그러나, 실시예1에서는 이러한 표면 박리 현상이 발생하지 않았다. 따라서, La 함량이 증가되는 경우에는 B의 첨가함에 따라 냉간 압연 가공성을 증가시키는 것으로 분석된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 면저항을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 100시간 동안 사전 산화한 후에 추가로 800ㅀC에서 900시간 동안 실시간으로 면저항을 측정한 결과이다. 연료전지 분리판에 형성된 산화막의 저항이 높을수록 연료전지의 효율이 저하되므로, 산화막의 면저항이 낮은 재료가 유리하다. 실시예1이 비교예2 및 비교예 3에 비하여 시간 경과에 따라 면저항이 더 감소되므로 전도성이 더 우수한 산화막이 형성된 것으로 분석되고, 따라서 연료전지에의 적용이 더 유리한 것으로 분석된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 크롬 휘발성을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 시간이 경과함에 따라 실시예1, 비교예2, 비교예3 모두 누적 크롬 휘발량이 증가됨을 알 수 있다. 연료전지를 고온에서 장시간 사용시 접속자에서 휘발되는 크롬이 공기극을 오염시키는 문제가 있으므로, 크롬 휘발량을 최대로 낮추는 것이 중요하다. 실시예1은 비교예2 및 비교예3에 비하여 크롬 휘발량이 적게 나타나며, La의 함유 증가가 크롬 휘발을 억제하는 효과가 있는 것으로 분석된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 강도와 연신율을 나타내는 그래프이다.
표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 700 ℃에서의 인장강도, 항복강도, 및 연신율이다.
실시예1 비교예1 비교예2 비교예3
인장강도(MPa) 67 109 56 49
항복강도(MPa) 51 102 37 38
연신율(%) 75 - 88 94
도 5 및 표 2를 참조하면, 비교예1과 같이 단순히 La의 함량만 증가시키면, 인장 강도와 항복 강도가 증가될 수 있으나, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같은 비교예1의 낮은 가공성 특성에서 나타나듯이 인성이 저하되게 된다. 실시예1과 같이 La과 B를 동시에 첨가하게 되면, La 함량이 낮은 비교예 2 및 비교예 3 에 비해 인장 강도 및 항복 강도가 전반적으로 증가됨을 알 수 있고, 연신율은 다소 저하되는 경향이 있으나 어느 정도 유지되는 것으로 분석된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강의 평균 소성 변형비를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 0.5T의 두께를 가지는 소재의 성형성 평가 결과, 실시예1이 비교예2 및 비교예3에 비하여 평균소성변형비가 높게 나타났다. 분리판 박판재는 절삭가공이 아닌 프레스 가공이 경제적이며 이때 성형성이 중요한 요소이다. 따라서, 실시예1과 같이 La 과 B을 동시에 첨가하는 경우, 박판재의 성형성을 향상되는 것으로 분석된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지를 도시하는 개략도이다.
도 7을 참조하면, 연료전지는 애노드, 전해질 및 캐소드로 이루어진 단위 전지 및 연료전지 접속자가 적층된 형태를 이루고 있다. 상기 연료전지 접속자가 상기 복수의 단위 전지들을 양쪽에서 연결해 주고 있다. 상기 연료전지 접속자는 각각의 단위 전지를 연결하는 연결재로서의 역할과 연료전지에서 공급되는 연료와 공기를 분리하는 분리판으로서의 역할을 수행한다. 상술한 바와 같이 상기 연료전지 접속자는 본 발명의 일실시예에 따른 내산화성 페라이트계 스테인리스 강으로 형성되며, 상기 내산화성 페라이트계 스테인리스 강은 구체적으로 Cr, Mn, Ti, Al, La, B, 및 Fe 등을 포함하도록 구성된다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (11)

10 wt% 내지 30 wt%의 크롬(Cr);
0.1 wt% 내지 2.0 wt%의 망간(Mn);
0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 티타늄(Ti);
0.001 wt% 내지 0.3 wt%의 알루미늄(Al);
0.3 wt% 내지 0.7 wt%의 란타늄(La);
0.004 wt% 내지 0.012 wt%의 붕소(B);
0.001 wt% 내지 0.2 wt%의 탄소(C);
0.001 wt% 내지 0.1 wt%의 질소(N); 및
잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물;
을 포함하는, 페라이트계 스테인리스 강.
제 1 항에 있어서,
상기 란타늄(La)은 0.36 wt% 내지 0.65 wt% 범위인, 페라이트계 스테인리스 강.
제 1 항에 있어서,
상기 붕소(B)는 0.0048 wt% 내지 0.011 wt% 범위인, 페라이트계 스테인리스 강.
제 1 항에 있어서,
상기 크롬(Cr)은 21.8 wt% 내지 23.1 wt% 범위인, 페라이트계 스테인리스 강.
제 1 항에 있어서,
상기 망간(Mn)은 0.3 wt% 내지 0.5 wt% 범위인, 페라이트계 스테인리스 강.
제 1 항에 있어서,
상기 티타늄(Ti)은 0.01 wt% 내지 0.06 wt% 범위인, 페라이트계 스테인리스 강.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄(Al)은 0.01 wt% 내지 0.08 wt% 범위인, 페라이트계 스테인리스 강.
제 1 항에 있어서,
상기 크롬(Cr)은 21.8 wt% 내지 23.1 wt% 범위이고,
상기 망간(Mn)은 0.3 wt% 내지 0.5 wt% 범위이고,
상기 티타늄(Ti)은 0.01 wt% 내지 0.06 wt% 범위이고,
상기 알루미늄(Al)은 0.01 wt% 내지 0.08 wt% 범위이고,
상기 란타늄(La)은 0.36 wt% 내지 0.65 wt% 범위이고,
상기 붕소(B)는 0.0048 wt% 내지 0.011 wt% 범위인, 페라이트계 스테인리스 강.
10 wt% 내지 30 wt%의 크롬(Cr);
0.1 wt% 내지 2.0 wt%의 망간(Mn);
0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 티타늄(Ti);
0.001 wt% 내지 0.3 wt%의 알루미늄(Al);
0.3 wt% 내지 0.7 wt%의 란타늄(La);
0.004 wt% 내지 0.012 wt%의 붕소(B); 및
잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물;
을 포함하는, 페라이트계 스테인리스 강.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 페라이트계 스테인리스 강을 포함하는 연료전지 접속자.
애노드, 전해질 및 캐소드로 이루어진 복수의 단위 전지들; 및
상기 단위 전지를 연결하는 제10항에 따른 연료전지 접속자;
를 포함하는 연료전지.
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