KR20150074768A - 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로서, 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.02, 질소(N): 0.03~0.05, 실리콘(Si): 0.3~0.7, 망간(Mn): 0.3~1.5, 크롬(Cr): 25~27, 니켈(Ni): 13~25, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Cr(중량%)＋Ni(중량%) ≥ 40을 만족하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강은 크롬 및 망간의 함량을 제어함으로 인해 연료전지에 적용시 용출되는 금속이온이 저감되어 전해질막의 오염을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법{Austenite Stainless Steel for Fuel Cell and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 니켈 및 크롬의 함량을 제어하여 접촉저항 및 내식성이 향상된 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고분자 전해질형 연료전지는 전해질과 연료극(anode) 및 공기극(cathode) 전극으로 이루어진 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와 양측에 기체확산층과 분리판이 적층된 단위전지 구조로 이루어져 있으며 이러한 단위전지 여러 개가 직렬로 연결되어 구성된 것을 연료전지 스택이라고 한다.
상기 분리판은 연료전지 전극에 각각 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 공급하고 전기화학 반응물인 물을 배출하기 위한 유로가 형성되어 있으며 막전극접합체 및 가스확산층을 기계적으로 지지하는 기능과 인접한 단위전지와의 전기적 연결 기능을 수행한다. 일반적으로, 분리판의 소재는 연료전지의 강한 부식 환경에 견디기 위하여 흑연 소재를 사용하나, 제작 비용 및 무게 등의 이유로 내식성이 있는 스테인리스강을 분리판에 적용하고 있다.
그러나, 분리판에 스테인리스강을 적용할 경우, 산성인 전해질 용액에서 부식에 의한 용출이온(Fe, Cr, Ni)이 전극 및 전해질을 오염시켜 전지성능을 감소시키고, 표면 부동태 피막에 의한 계면 접촉저항이 증가하는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 일본 공개특허 제2006-302730에서는 Cr:10~19질량%, Mo:1질량% 미만을 함유한 오스테나이트 강에 비산화성산에 침지하여 접촉저항이 낮은 스테인리스강 제조방법을 개시하고 있다. 또 국내 등록특허 0777123에서는 오스테나이트계 스테인리스강을 질산 및 황산의 혼합액에 침지하여 표층부의 Cr+Ni/Fe성분비를 크게 하여 접촉저항을 개선하는 방법을 개시하고 있다. 또한, 일본 등록특허 4078966에서는 스테인리스강 표면에 탄화물 및 붕화물계 금속 개재물 1종이상이 분산 노출시켜 접촉저항을 개선하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 일반적인 연료전지 용액환경인 강산 환경 내에서 내용출성 특성은 모재의 성분에 따라 내용출성의 특성이 달라지게 되어 내용출특성을 개선하기 위해서는 모재의 Cr, Ni함량을 제어할 필요가 있으며, Cr+Ni/Fe 성분함량의 조절에 의해서는 내용출성의 특성 및 접촉저항을 낮추는데 한계가 있었다. 또한 표면에 탄화물 및 붕화물계 금속 개재물을 형성할 경우 모재와의 갈바닉 부식에 의한 부식이 가속화되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 연료전지의 작동환경 하에서 내용출특성이 개선된 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 표층부의 크롬수화물과 크롬산화물의 성분비를 제어하여 접촉저항이 향상된 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산세 및 부동태 피막을 형성하는 조건을 제어하여 내용출특성 및 접촉저항이 향상된 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.02, 질소(N): 0.03~0.05, 실리콘(Si): 0.3~0.7, 망간(Mn): 0.3~1.5, 크롬(Cr): 25~27, 니켈(Ni): 13~25, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족한다.
Cr(중량%)＋Ni(중량%) ≥ 40 ……식(1)
또 상기 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강은 70~90℃ 온도의 황산 및 불산의 혼산에서 0.5~0.7ＶSCE의 전위로 10시간 동안 인가한 후, 용출된 이온함량은 0.05㎎/Ｌ이하일 수 있다.
여기서 상기 용출된 이온은 철, 크롬, 또는 니켈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 부동태 피막 두께는 3nm 이하이고, 표층으로부터 0.5nm 지점 내에서의 부동태 피막 조성물 중 크롬수산화물(Cr hyroxide)/크롬산화물(Cr oxide)의 비는 0.3 이하일 수 있다.
한편, 상기 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 접촉저항은 140N/㎠의 압력 하에서 10ｍΩ㎠ 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 모재를 마련하는 단계, 상기 모재를 10~20중량% 염산수용액에 30℃~60℃의 온도로 30초~250초 동안 침지시켜 산세하는 단계, 상기 모재를 수세하는 단계, 상기 모재를 질산 및 불산의 혼산 수용액에 40℃~70℃의 온도로 50초~200초 동안 침지시켜 부동태 피막을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 혼산 수용액은 질산 10~20중량%, 불산 2~8중량%, 및 물 75~85중량%로 이루어진다.
여기서 상기 부동태 피막을 형성하는 단계에서 부동태 피막의 두께는 3nm 이하로 제어될 수 있다.
또 상기 부동태 피막을 형성하는 단계에서 표층으로부터 0.5nm 지점 내에서의 부동태 피막 조성물 중 크롬수산화물(Cr hyroxide)/크롬산화물(Cr oxide)의 비는 0.3 이하로 제어될 수 있다.
한편, 상기 모재는 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.02, 질소(N): 0.03~0.05, 실리콘(Si): 0.3~0.7, 망간(Mn): 0.3~1.5, 크롬(Cr): 25~27, 니켈(Ni): 13~25, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족할 수 있다.
Cr(중량%)＋Ni(중량%) ≥ 40 ……식(1)
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강에 의하면, 크롬 및 망간의 함량을 제어함으로 인해 연료전지의 작동환경 하에서 내용출특성이 개선되어 연료전지의 분리판으로 적용시 금속이온의 용출량이 적어 전해질막의 오염을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지의 품질을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또 본 발명에 따른 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강에 의하면, 크롬수화물과 크롬산화물의 성분비를 제어하여 접촉저항이 향상됨으로 인해 전지전도성이 향상되고 이에 연료전지의 효율이 상승되는 이점이 있다.
또 본 발명에 따른 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 의하면, 산세 및 부동태 피막을 형성하는 조건을 제어하여 내용출특성 및 접촉저항이 향상됨으로 인해 내부식성이 우수하여 연료전지에 적용시 장기간 사용가능함으로 경제적인 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 나타낸 도,
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1의 표면부식을 관찰한 SEM사진,
도 3은 비교예 1의 표면부식을 관찰한 SEM사진,
도 4는 본 발명에 따른 AC1'의 부동태 피막 두께를 관찰한 TEM사진.
이하에서 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 도시된 실시 예에 따라 구체적으로 설명하기는 하나, 본 발명이 도시된 실시 예만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 성분 제한사유를 설명한다.
본 발명의 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강은 탄소(C), 질소(N), 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물 등을 포함한다.
상기 탄소(C)는 오스테나이트 스테인리스강의 강도를 높이는데 필수적인 원소이며, 전체 중량%에 대하여 0.01중량%~0.02중량% 포함한다. 이는 탄소를 0.01중량% 미만이면, 고순도 제품을 만들기 위한 정련 가격이 비싸지고, 0.02중량%를 초과하면, 소재의 불순물이 증가하여 가공성 및 인성이 저하됨으로 바람직하지 못하다.
상기 질소(N)는 오스테나이트상 안정도를 높이고, 내식성을 향상시키는데 필수적인 원소로, 전체 중량%에 대하여 0.03~0.05중량% 포함한다. 이는 질소가 0.03중량% 미만이면, 슬라브의 등축정율이 저하되고, 0.05중량%를 초과하면, 고용 질소의 증가로 인해 강의 인성 및 성형성이 떨어진다.
상기 실리콘(Si)은 탈산에 유효한 원소로, 전체 중량%에 대하여 0.3~0.7중량% 포함한다. 이는 실리콘이 0.3중량% 미만이면, 정련 가격이 비싸지는 문제가 발생하고, 0.7중량%를 초과하면, 재질이 경화를 일으켜 인성을 저하되며 성형성이 떨어진다.
상기 망간(Mn)은 오스테나이트상 안정도를 높이는데 필수적인 원소로, 전체 중량%에 대하여 0.3~1.5중량% 포함한다. 이는 망간이 0.3중량% 미만이면, 목표로 하는 물성을 얻기 어렵고, 1.5중량%를 초과하면, 망간의 과도한 첨가로 인해 내식성이 감소된다.
상기 크롬(Cr)은 연료전지의 작동환경 내에서 내식성 및 내산화성을 향상시키는 필수 원소로, 전체 중량%에 대하여 25~27중량% 포함한다. 이는 크롬이 25중량% 미만이면, 연료전지 작동환경 내에서 적절한 내산화성을 확보하기 어렵고, 27중량%를 초과하면, 필요 이상이 첨가되어 제조비용이 상승되며, 인성이 저하된다.
상기 니켈(Ni)은 연료전지의 작동환경 내에서 크롬과 함께 내식성 및 내산화성을 향상시키는 필수 원소로, 전체 중량%에 대하여 13~25중량% 포함한다. 이는 니켈이 13중량% 미만이면, 연료전지 작동환경 내에서 적절한 내산화성을 확보하기 어렵고, 25중량%를 초과하면, 잔류 오스테나이트가 생성되어 조직이 불안정하고 사용 중 변형이 발생할 수 있으며, 제조비용이 상승되어 비경제적이다.
또, 상기 명시한 원소 및 불가피한 불순물 외에도 수소(H) 및 산소(O) 등을 더 포함한다.
또한, 상기 상술한 성분을 제외하고, 나머지는 실질적으로 철(Fe)로 이루어진다.
상기 나머지는 실질적으로 철(Fe)로 이루어진다는 말은 본 발명의 작용 효과를 방해하지 않는 한, 불가피한 불순물을 비롯하여 다른 미량 원소를 함유하는 것조차 본 발명의 범위에 포함될 수 있다는 것을 의미한다.
이때, 상기 조성 성분의 함량으로 이루어진 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 상술한 성분 범위에 의해서도 본 발명의 효과가 구현될 수 있으나, 하기 식(1)을 만족하는 경우, 보다 효율적인 물리적 성질 확보가 가능하다.
하기 식(1)은 크롬과 니켈의 첨가 비율에 관한 것으로, 식(1)의 조건을 만족할 때, 오스테나이트계 스테인리스강의 연료전지의 작동환경 조건에서 내용출성을 증가시킬 수 있다. 하기 식(1)의 값이 40 미만이면, 70~90℃의 1mol 황산 및 2ppm 불산의 혼산에서 0.5~0.7ＶSCE의 전위로 10시간 동안 인가한 후, 용출된 이온의 함량이 0.05㎎/Ｌ를 초과하여 스테인리스강의 표면에 전면부식이 발생할 수 있으므로 바람직하지못하다.
Cr(중량%)＋Ni(중량%) ≥ 40……식(1)
또한, 상기 오스테나이트계 스테인리스강의 부동태 피막 두께는 3nm이하이고, 표층으로부터 0.5nm 지점 내에서의 부동태 피막 조성물 중 크롬수산화물(Cr hyroxide)/크롬산화물(Cr oxide)의 비는 0.3 이상이며, 접촉저항은 140N/㎠의 압력 하에서 10ｍΩ㎠이하이다.
이하, 상술한 바와 같은 강 조성 성분을 포함하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 우선, 모재를 마련한다(S10).
중량%로, 탄소(C): 0.01~0.02, 질소(N): 0.03~0.05, 실리콘(Si): 0.3~0.7, 망간(Mn): 0.3~1.5, 크롬(Cr): 25~27, 니켈(Ni): 13~25, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물, 바람직하게는, Cr(중량%)＋Ni(중량%) ≥ 40의 식을 만족하는 모재를 마련한다.
다음에 상기 모재를 산세처리한다(S20).
상기 S10단계에서 마련된 모재의 표면에 형성된 산화물 피막이 제거되도록 10~20중량%, 바람직하게는 13~18중량%의 염산수용액 하에서 30~60℃의 온도로 30~250초 동안 산세처리한다. 이는 염산의 함량이 10중량% 미만이면, 모재의 표면에 형성된 산화물 피막, 즉 철산화물의 용해가 제대로 이루어지지 않아 산화물 피막의 제거가 어렵고, 20 중량%를 초과하면, 과도한 모재의 침식으로 인해 표면 거칠기가 증가하여 내식성에 유해할 수 있으므로 바람직하지 못하다. 또, 상기 온도가 30℃ 미만이면, 산세시 소요되는 시간이 길어지고, 60℃를 초과하면, 모재의 침식이 과하게 발생하며, 상기 산세처리시간을 30초 미만으로 실시하게 되면, 계면접촉저항이 높아 산화물 피막의 제거가 제대로 이루어지지 않고, 250초를 초과하게 되면, 모재에 손상을 줄 수 있다.
상기 산화물 피막은 철-크롬계 피막으로 철의 함량이 높고, 피막의 두께가 두꺼우며 접촉저항이 높아 연료전지용 분리판에 적용하기 적합하지 않으므로 산세처리하여 선택적으로 철산화물을 용해하여 제거하는 것이 바람직하다.
그 후, 상기 산세처리된 모재를 수세한다(S30).
상기 S20단계에서 산세처리가 완료된 모재의 표면에 존재하는 산 성분이 제거되도록 수세처리한다. 상기 수세가 완료되면, 표면에 존재하는 액체 즉, 수분이 제거될 때까지 건조한다.
다음에, 상기 수세 후 건조된 모재의 표면에 부동태 피막을 형성한다(S40).
상기 S30단계에서 수세 및 건조가 완료된 모재를 질산(HNO3) 및 불산(HF)의 혼산 수용액, 바람직하게는 질산(HNO3) 10~20중량%, 불산(HF) 2~8중량%, 및 물 75~85중량%로 이루어진 혼산 수용액에 40℃~70℃의 온도로 50초~200초 동안 침지시켜 부동태 피막을 형성한다. 상기 부동태 피막 형성시, 부동태 피막의 두께가 3nm 이하, 표층으로부터 0.5nm 지점 내에서의 부동태 피막 조성물 중 크롬수산화물(Cr hyroxide)/크롬산화물(Cr oxide)의 비가 0.3 이상이 되도록 제어한다. 상기 혼산 수용액의 온도가 40℃ 미만이면, 부동태 피막이 형성되는데 소요되는 시간이 길어지고, 70℃를 초과하면, 모재의 표면이 손상되어 접촉저항 및 내식성이 저하될 수 있다. 또 상기 질산(HNO3)이 10중량% 미만이면, 부동태화가 어렵고, 20중량%를 초과하면, 접촉저항의 저감 효과가 미미하게 나타나며, 상기 불산(HF)이 2중량% 미만이면, 부동태 피막이 불안정해질 수 있고, 8중량%를 초과하면, 모재 표면의 손상을 유발할 수 있다. 또한, 상기 혼산 수용액에 모재를 침지시키는 시간이 50초 미만이면, 부동태 피막의 박막화 및 크롬(Cr)수산화물 함량의 증가가 어렵고, 200초를 초과하면, 침지시간의 증가로 인해 공정비용이 상승함으로 바람직하지 못하다.
상술한 바와 같은 부동태 피막을 형성하는 단계(S40)가 완료되면, 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강(S50)이 얻어진다. 상기 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강은 도 4에 도시된 바와 같이 부동태 피막의 두께가 2.1nm이고, 접촉저항은 140N/㎠의 압력 하에서 10ｍΩ㎠이하이다.
실시예 1~3. 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강(AC1~AC3) 제조
하기 표 1에 개재된 강종 1~3의 성분 함량을 갖는 강을 진공용해설비 내에서(온도, 압력, 시간) 용해하여 50kg의 잉고트로 제조하였다. 상기 제조된 잉고트는 동일한 조건으로 열간압연(압연조건) 및 소둔열처리, 냉간압연 및 소둔열처리 공정을 실시하여 1mm 두께의 냉연판재를 제조하였다. 그 후, 상기 제조된 냉연판재를 13~18중량%의 염산수용액 하에서 30~60℃의 온도로 30~250초 동안 산세 및 수세처리한 후, 질산(HNO3) 10~20중량%, 불산(HF) 2~8중량%, 및 물 75~85중량%로 이루어진 혼산 수용액에 40℃~70℃의 온도로 50초~200초 동안 침지시켜 AC1~AC3을 수득하였다.
비교예 1~3. 오스테나이트계 스테인리스강( AC4 ~ AC6 ) 제조
하기 표 1에 개재된 강종 4~6의 성분 함량을 갖는 강을 진공용해설비 내에서(온도, 압력, 시간) 용해하여 50kg의 잉고트로 제조하였다. 상기 제조된 잉고트는 동일한 조건으로 열간압연(압연조건) 및 소둔열처리, 냉간압연 및 소둔열처리 공정을 실시하여 1mm 두께의 냉연판재를 제조하였다. 그 후, 상기 제조된 냉연판재를 제조하였다. 그 후, 상기 제조된 냉연판재를 13~18중량%의 염산수용액 하에서 30~60℃의 온도로 30~250초 동안 산세 및 수세처리한 후, 질산(HNO3) 10~20중량%, 불산(HF) 2~8중량%, 및 물 75~85중량%로 이루어진 혼산 수용액에 40℃~70℃의 온도로 50초~200초 동안 침지시켜 AC4~AC6을 수득하였다.
강종 Cr Ni Si Mn C N Mo 잔부 Fe
1 25 20 0.5 1.4 0.02 0.03 나머지 실시예 1(AC1)
2 27 13 0.5 0.5 0.015 0.05 나머지 실시예 2(AC2)
3 25 25 0.5 0.5 0.02 0.05 나머지 실시예 3(AC3)
4 18.5 9 0.5 1 0.03 0.05 2 나머지 비교예 1(AC4)
5 20 13 0.5 0.5 0.03 0.05 3 나머지 비교예 2(AC5)
6 24 15 0.4 1 0.03 0.1 나머지 비교예 3(AC6)
실험 예 1. 용출이온함량 및 표면부식측정
상기 실시예 1~3에서 수득된 본 발명에 따른 AC1~AC3의 연료전지 작동환경 조건 하에서 용출이온함량 및 표면부식 정도를 확인하기 위하여 하기와 같이 실험을 실시하였다.
AC1~AC6을 각각 #600 연마지로 연마하고, 이를 연료전지 모사환경인 80℃의 1몰 황산(H2SO4) 및 2ppm 불산(HF)의 혼산 수용액에 침지시키고 0.6V(포화 칼로멜 전극 기준)의 전압을 인가하여 10시간 동안 유지시킨 후, 용출된 Fe, Cr, Ni의 함량 및 표면부식여부를 관찰하였다.
상기 용액에 대한 용출이온은 ICP-MS(Incuctively Coupled Plasma Mass Spectroscopy, 유도플라즈마를 이용한 성분분석기)를 이용하여 측정하였다.
표 2는 실시예와 비교예의 용출이온의 합 및 표면부식정도를 개재한 표이고, 도 2는 실시예 1의 표면부식을 관찰한 SEM사진이며, 도 3은 비교예 1의 표면부식을 관찰한 SEM사진이다.
그 결과, 표 2 및 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 크롬과 니켈 함량의 합이 40중량% 미만인 경우, 용출이온 함량의 합이 0.15mg/L 이상으로 나타났으며, 표면부식이 발생함을 확인할 수 있었고, 크롬과 니켈 함량의 합이 40중량% 이상인 경우 용출이온 함량의 합이 0.05mg/L 이하로 낮게 나타났으며, 표면 부식도 관찰되지 않았다. 이에 연료전지 환경 내에서의 내식성을 확보하기 위해서는 상기 실시예 1~3의 조성 및 크롬과 니켈 함량의 합이 40중량% 이상 확보되어야 함을 알 수 있었다.
Cr+Ni 용출이온(Fe+Cr+Ni)의 합(mg/L) 표면부식정도
실시예 1(AC1) 45 0.03 부식없음
실시예 2(AC2) 40 0.05 부식없음
실시예 3(AC3) 50 0.012 부식없음
비교예 1(AC4) 27.5 0.45 전면부식
비교예 2(AC5) 33 0.25 전면부식
비교예 3(AC6) 39 0.15 전면부식
실험예 2. 물성측정
본 발명에 따른 제조방법의 우수성을 확인하기 위하여 하기와 같이 실험을 실시하였다.
우선, 상기 표 1에 기재된 강종 1의 성분을 포함하는 강을 하기 표 3에 개재된 조건 즉, 조성, 시간, 및 온도에 따라 제조하여 AC1'~AC10'를 수득한 후, 이들의 계면접촉저항, 부동태 피막 두께, 및 표층으로부터 0.5nm지점에서의 피막조성 등의 물성을 각각 측정하여 하기 표 3에 기재하였다. AC1'~AC4'는 본 발명의 제조 조건에 의해 제조된 실시예이고, AC5'~AC9'는 비교예이다.
상기 접촉저항은 스테인리스강재 두매를 겹치고, 사이에 가스확산층(SGL사 10BA)을 삽입한 후, 접촉압력 140N/cm2에서 전류를 인가하여 전압을 측정하는 4단자법을 사용하여 측정하였고, 부동태 피막의 두께는 XPS 분석 및 TEM분석을 통하여 피막두께를 측정하였다. 또한, 표층부의 부동태 피막조성은 XPS 분석을 이용하여, 표층부로부터 0.5nm 지점을 기준으로 하여 Cr수산화물/Cr산화물의 조성비를 구하였다.
도 4는 AC1'의 부동태 피막 두께를 관찰한 TEM사진이다.
그 결과, 표 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조조건에 의해 제조된 AC1'~AC4'에서만 계면접촉저항 10ｍΩ㎠ 이하, 부동태 피막 두께 3nm 이하, 및 표층으로부터 0.5nm지점에서의 Cr수산화물/Cr산화물 비가 0.3 이상으로 나타남을 확인할 수 있었다.
구분
 계면
접촉
저항		 부동태
피막
두께
(nm)		 표층으로부터 0.5nm지점에서의 피막조성
(Cr수산화물/Cr산화물)비
1단계
(산세처리)
용액조성
(%)		 2단계
(부동태 피막
형성)
용액조성(%)		 1단계
온도
(℃)		 1단계
시간
(초)		 2단계
온도
(℃)		 2단계 시간
(초)
HCl HNO3 HF
AC1' 15 15 5 50 60 70 120 5.5 2.1 0.4
AC2' 10 15 5 50 120 70 180 5.8 2.3 0.3
AC3' 15 10 - 50 120 70 120 5.7 2.4 0.35
AC4' 15 15 5 50 120 70 120 5.7 2.1 0.35
AC5' 5 7 - 50 60 30 30 18 4 0.1
AC6' - 15 5 - - 70 120 36 4.7 0.13
AC7' 15 - 5 50 120 - - 20 4.5 0.12
AC8' 15 - 5 50 30 70 120 32 4.8 0.1
AC9' 15 15 5 50 60 70 120 16 4.2 0.12
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

Claims (9)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.02, 질소(N): 0.03~0.05, 실리콘(Si): 0.3~0.7, 망간(Mn): 0.3~1.5, 크롬(Cr): 25~27, 니켈(Ni): 13~25, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
    Cr(중량%)＋Ni(중량%) ≥ 40 ……식(1)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강은 70~90℃ 온도의 황산 및 불산의 혼산에서 0.5~0.7ＶSCE의 전위로 10시간 동안 인가한 후, 용출된 이온함량은 0.05㎎/Ｌ이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용출된 이온은 철, 크롬, 또는 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 부동태 피막 두께는 3nm 이하이고, 표층으로부터 0.5nm 지점 내에서의 부동태 피막 조성물 중 크롬수산화물(Cr hyroxide)/크롬산화물(Cr oxide)의 비는 0.3 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 접촉저항은 140N/㎠의 압력 하에서 10ｍΩ㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 모재를 마련하는 단계,
    상기 모재를 10~20중량% 염산수용액에 30℃~60℃의 온도로 30초~250초 동안 침지시켜 산세하는 단계,
    상기 모재를 수세하는 단계,
    상기 모재를 질산 및 불산의 혼산 수용액에 40℃~70℃의 온도로 50초~200초 동안 침지시켜 부동태 피막을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 혼산 수용액은 질산 10~20중량%, 불산 2~8중량%, 및 물 75~85중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부동태 피막을 형성하는 단계에서 부동태 피막의 두께는 3nm 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 부동태 피막을 형성하는 단계에서 표층으로부터 0.5nm 지점 내에서의 부동태 피막 조성물 중 크롬수산화물(Cr hyroxide)/크롬산화물(Cr oxide)의 비는 0.3 이상으로 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 모재는 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.02, 질소(N): 0.03~0.05, 실리콘(Si): 0.3~0.7, 망간(Mn): 0.3~1.5, 크롬(Cr): 25~27, 니켈(Ni): 13~25, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
    Cr(중량%)＋Ni(중량%) ≥ 40 ……식(1)
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