KR20170061142A

KR20170061142A - 양극성 연료 전지 플레이트

Info

Publication number: KR20170061142A
Application number: KR1020177010284A
Authority: KR
Inventors: 안나 이베르센; 안데르스 횔
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-06-02
Also published as: EP3198046A1; CN107075646A; JP2017534756A; US20170279128A1; WO2016046295A1

Abstract

하기의 원소들: 11-14 질량% 의 Cr; 7-11 질량% 의 Ni; 3-5 질량% 의 Mo; 0-2 질량% 의 Co; 0.5-4 질량% 의 Cu; 0.4-2.5 질량% 의 Ti; 5 질량% 미만의 Mn; 1.5 질량% 미만의 Si; 0.04 질량% 미만의 S; 0.05-1.0 질량% 의 Al; 0.05 질량% 미만의 N; 0.05 질량% 미만의 C; 잔부 Fe 및 불가피한 불순물들을 포함하는 스테인리스 강의 양극성 연료 전지 플레이트.

Description

양극성 연료 전지 플레이트{A BIPOLAR FUEL CELL PLATE}

본 발명은, 하기의 원소들: 11-14 질량% 의 Cr, 7-11 질량% 의 Ni, 3-5 질량% 의 Mo, 0-2 질량% 의 Co, 0.5-4 질량% 의 Cu, 0.4-2.5 질량% 의 Ti, 5 질량% 미만의 Mn, 1.5 질량% 미만의 Si, 0.04 질량% 미만의 S, 0.05-1 질량% 의 Al, 0.05 질량% 미만의 N, 0.05 질량% 미만의 C, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물들을 포함하는 스테인리스 강의 양극성 연료 전지 플레이트에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 본원에 따른 양극성 연료 전지 플레이트를 포함하는 양성자 교환 막 (PEM) 연료 전지에 관한 것이다.

스테인리스 강은 양극성 연료 전지 플레이트로서의 사용을 위해 종래 기술에 의해 제안되어 왔고, 또한 그의 대량 생산 능력, 성형성, 내부식성 및 코팅되지 않은 스테인리스 강이 적당한 비용으로 재활용될 수 있다는 사실로 인해 매력적인 것으로 간주되어 왔다. 대부분의 그레이드들의 스테인리스 강에 대한 한 가지 단점은, 연료 플레이트의 표면에서의 산화물 층의 형성으로 인해 연료 전지 플레이트로서의 이러한 그레이드의 사용 동안 증가하는 접촉 저항이었다. 다른 한편으로, 개선된 접촉 저항을 나타내는 그레이드가 접촉 저항을 향상시키기 위해 첨가된, 비교적 많은 양의 고가의 합금화 원소들, 예컨대 Ni 의 필요로 인해 너무 비싼 것으로 간주되었다.

EP 1　302　556 은 12.0-18.0 질량% 의 Cr, 4.0-10.0 질량% 의 Ni, 0.20 질량% 이하의 C, 1.0-5.0 질량% 의 Si, 5 질량% 이하의 Mn, 선택적으로 최대 3.5 질량% 의 Cu, 최대 5 질량% 의 Mo, 최대 0.15 질량% 의 N 으로부터 하나 이상의 선택된 것, 및 잔부 Fe 및 불가피한 불순물들로 이루어진 스테인리스 강 시트를 개시한다. 스테인리스 강은 오스테나이트-마텐자이트계이고, 스택의 별개의 연료 전지들을 물리적으로 분리하는데 사용되는 여러 적용들 중에서, 연료 전지 분리기 플레이트로서의 사용을 위해 제안된다.

US 5,512,237 은 10-14 질량% 의 Cr, 7-11 질량% 의 Ni, 0.5-6 질량% 의 Mo, 0-9 질량% 의 Co, 0.5-4 질량% 의 Cu, 0.4-1.4 질량% 의 Ti, 0.05-0.6 질량% 의 Al, 및 0.05 이하의 탄소 및 질소, 및 잔부 Fe 를 포함하는 고강도 및 고연성의 석출 경화된 마텐자이트계 스테인리스 강을 개시한다. 상기 재료는 주로 특정 제품 형태의 와이어, 바, 스트립 및 튜브에 대해서뿐만 아니라 의료, 치과 및 스프링 응용들에 사용하기 위해 제안된다.

JP 2012177157 은 고전위 구역에서도 낮은 접촉 저항을 가지는 연료 전지, 예컨대 고체 고분자 유형의 연료 전지에서의 사용을 위한 분리기용 스테인리스 강을 개시한다. 임의의 종래의 스테인리스 강, 예를 들어 페라이트, 오스테나이트, 마텐자이트 또는 이상 (dual phase) 유형이 사용될 수 있고, 스테인리스 강의 표면은 전도성의 금속간 Fe₂M 라베스상 (Laves phase) 에 노출된다.

본 발명의 양태는, 양극성 연료 전지 플레이트로서의 사용을 위해 허용가능하게 양호한 접촉 저항 및 부식 특성들을 나타내는 그레이드의 스테인리스 강을 포함하는 양극성 연료 전지 플레이트를 제공하는 것이고 또한 이는 경쟁력 있는 비용으로 제조할 수 있는 컴포지션을 가진다. 또한, 스테인리스 강은 충분한 성형성을 가져야 한다.

도 1 은 비교되는 세 개의 상이한 스테인리스 강 그레이드들의 저항률에 관한 테스트 결과들을 나타내는 다이어그램이다.
도 2 는 강 그레이드 (1) 에 대해 세 개의 상이한 연료 전지 테스트들에 대한 ICR 결과들을 나타내는 다이어그램이다.

위에서 언급된 양태는 하기의 원소들:

11-14 질량% 의 Cr;

7-11 질량% 의 Ni;

3-5 질량% 의 Mo;

0-2 질량% 의 Co;

0.5-4 질량% 의 Cu;

0.4-2.5 질량% 의 Ti;

5 질량% 미만의 Mn;

1.5 질량% 미만의 Si;

0.04 질량% 미만의 S;

0.05-1.0 질량% 의 Al;

0.05 질량% 미만의 N;

0.05 질량% 미만의 C;

잔부 Fe 및 불가피한 불순물들

을 포함하는 스테인리스 강의 양극성 연료 전지 플레이트를 제공하는 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명에서, "질량%" 및 "%" 는 교대가능하게 사용된다.

양극성 연료 전지 플레이트는 스택 내의 인접한 연료 전지 막 전극 어셈블리들 사이에서 전기가 전도될 수 있는 연료 전지 스택 구성 요소이다. 양극성 연료 전지 플레이트들은 연료 전지로 그리고 연료 전지로부터 열 및 가스들의 유동을 전달하도록 종종 디자인된다. 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강은 코팅되지 않을 양극성 연료 전지 플레이트들을 제공할 것이고, 따라서 상기 스테인리스 강은 부식성 매체에 노출되는 양극성 연료 전지 플레이트의 외부 표면을 형성할 것이고 또한 양극성 연료 전지 플레이트의 전기 저항 특성들에 대해 중요성을 가질 것이라는 것을 의미한다. 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강은 양극성 연료 전지 플레이트로서의 사용을 위해 DoE (미국 에너지부) 및 부식 특성들 (DoE 에 따라 부식 < 1㎂/㎠) 의 권고들에 근접한 20 mOhm·㎠ 바로 위의 양호한 접촉 저항 저항률 (ICR) 을 가지고 또한 경쟁력 있는 비용으로 제조할 수 있는 컴포지션을 가진다. 또한, 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강은 충분한 성형성 (파열 없이 40% 초과의 연신율) 을 가진다.

본원의 양극성 연료 전지 플레이트의 스테인리스 강의 특성들에 대한 컴포지션의 영향을 완전히 이해하기 위하여, 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강 내에 포함된 모든 원소들은 이하에서 개별적으로 논의된다. 모든 원소 함량들은 질량 퍼센트 (질량%) 이다.

탄소 (C) 는 여러모로 스테인리스 강에 영향을 미치는 강력한 원소이다. 높은 탄소 함량은 냉간 변형 시의 강도가 높아지고 따라서 스테인리스 강의 연성을 감소시키는 방식으로 변형 경화에 영향을 미칠 것이다. 또한, 탄소 함량이 증가함에 따라 크롬 탄화물의 침전 위험이 증가하므로, 높은 탄소 함량은 부식의 관점에서 불리하다. 그러므로, 탄소 함량은 약 0.05 질량% 이하, 예컨대 약 0.025 질량% 이하로 낮게 유지되어야 한다.

규소 (Si) 는 페라이트-형성 원소이고, 더 높은 함량에서 스테인리스 강의 열간 가공 특성들을 감소시킬 수도 있다. 그러므로, Si 의 함량은 약 1.5 질량% 이하, 예컨대 약 1.0 질량% 이하여야 한다. Si 는 약 0.5 질량% 이하, 예컨대 약 0.25 질량% 이하일 수도 있다.

망간 (Mn) 은 오스테나이트-형성 원소이고, 니켈과 유사한 방식으로 냉간 변형 시에 스테인리스 강이 마텐자이트 변태를 일으키기 어렵게 한다. 일 실시형태에 따라, 망간 범위는 약 0 내지 약 5 질량% 이다. 다른 실시형태에 따라, 본원에 따른 스테인리스 강의 망간의 최소 함량은 약 0.2 질량% 이다. 스테인리스 강이 침전 경화를 위해 상당한 양의 마텐자이트를 가져야 하므로, 망간 함량은 최대 약 5 질량%, 예컨대 최대 약 3 질량%, 예컨대 약 2.5 질량% 이하여야 한다. 망간은 황과 함께 예를 들어 기계가공 특성들에 유리한 연성의 비금속 개재물들을 형성할 것이다.

황 (S) 은 스테인리스 강 내에 황화물들을 형성하는 원소이다. 황화물은 내부식성의 관점에서 스테인리스 강 내에 취약한 영역들로서 역할을 할 수도 있다. 또한, 높은 함량의 황은 열간 가공 특성들에 해로울 수도 있다. 따라서, S 의 함량은 약 0.04 질량% 미만, 또는 심지어 약 0.005 질량% 미만이어야 한다. 본원에 따른 합금의 컴포지션은 합금이 황화 티탄을 포함하도록 선택된다. 황화 티탄은 TiS 또는 Ti₂S 형태로 스테인리스 강 내에 존재할 수도 있다.

크롬 (Cr) 은 내부식성에 필수적이고, 표면상의 산화 크롬에서 수동적 특성들을 얻고 또한 사용 중에 내마모성을 유지하기 위하여, 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강 내에서 적어도 약 11 질량% 의 함량으로 첨가되어야 한다. 하지만, 크롬은 강한 페라이트 형성제 (ferrite former) 이기도 하고, 더 높은 함량의 상기 페라이트 형성제는 변형시에 마텐자이트의 형성을 억제시킬 것이다. 그러므로, 크롬의 함량은 최대 약 14 질량%, 예컨대 최대 약 13 질량% 로 제한되어야 한다.

니켈 (Ni) 은 어닐링 (annealing) 시에 오스테나이트 구조를 얻기 위하여 페라이트 형성 원소들을 밸런싱하도록 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강에 첨가된다. 또한, 니켈은 냉간 변형으로부터의 경화를 완화시키는데 중요한 원소이고, 또한 티타늄 및 알루미늄과 같은 원소들과 함께 석출 경화에 기여할 것이다. 그러므로, 니켈의 최소 함량은 약 7 질량%, 예컨대 적어도 약 8 질량% 이다. 너무 높은 함량의 니켈은 변형시에 마텐자이트를 형성할 가능성을 제한할 것이다. 부가적으로, 니켈은 또한 값비싼 합금화 원소이다. 그러므로, 니켈의 함량은 약 11 질량% 까지 최대화된다.

몰리브덴 (Mo) 은 몰리브덴이 스테인리스 강의 내부식성에 기여하므로 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강에 필수적이다. 또한, 몰리브덴은 석출 경화 동안 활성 원소이다. 그러므로, 최소 함량은 약 3 질량% 이다. 그러나, 너무 높은 함량의 몰리브덴은 열간 가공 동안 문제를 유발할 수도 있는 함량까지 페라이트의 형성을 촉진할 것이고, 또한 냉간 변형 동안 마텐자이트 형성을 억제할 수도 있다. 추가로, 너무 높은 함량의 몰리브덴은 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강으로 만들어지는 연료 전지 플레이트의 접촉 저항에 부정적인 효과를 또한 가질 것이다. 그러므로, 몰리브덴의 함량은 약 5 질량%, 예컨대 약 4.2 질량% 까지 최대화된다.

텅스텐 (W; Wolfram) 은 현재 스테인리스 강에 첨가될 수도 있는 선택적 원소이다. 내부식성과 관련하여 텅스텐에 의해 몰리브덴 (Mo) 을 교환할 수 있다. W 가 Mo 로 치환될 경우, 그 양은 3-5 질량% 여야 한다. 그러므로, W 의 함량은 약 5 질량%, 예컨대 약 4.2 질량% 까지 최대화된다.

구리 (Cu) 는 오스테나이트 형성제이고, 니켈과 함께 원하는 오스테나이트 구조를 안정화시킬 것이다. 또한, 구리는 적당한 함량으로 연성을 증가시키는 원소이다. 구리는 본 발명의 스테인리스 강으로 만들어진 연료 전지 플레이트들의 접촉 저항에 긍정적은 효과를 가진다. 그러므로, 최소 함량은 약 0.5 질량% 이상이다. 하지만, 다른 한편으로, 높은 함량의 구리는, 구리 함량이 약 4 질량%, 예컨대 최대 약 3 질량%, 예컨대 최대 약 2 질량% 까지 최대화되기 때문에, 열간 가공성을 감소시킨다.

티타늄 (Ti) 은 여러 이유들로 인해 본원에서 필수적인 합금화 원소이다. Nb 는 탄화물 형성, 입계 부식 및 형성된 Cr-산화물의 안정화와 관련하여 Ti 와 등가이다. 첫째로, 티타늄은 석출 경화에 강력한 원소로서 사용되고, 따라서 최종 강도를 위해 스테인리스 강을 경화시킬 수 있도록 스테인리스 강 내에 존재해야 한다. 둘째로, 티타늄은 황과 함께 황화 티탄 (TiS 또는 가능하게는 Ti₂S) 을 형성할 것이다. 일반적으로, 티타늄은 망간보다 더 강력한 황화물 형성제이고, TiS 가 MnS 보다 전기화학적으로 불활성이므로, 증가된 기계가공성을 위해 MnS 를 이용하여 쾌삭 스테인리스 강 (free machining stainless steels) 에 대해 일반적인 경우인 내부식성의 저하 없이 개선된 기계가공 특성들을 달성할 수 있다. 그러므로, 티타늄의 최소 함량은 약 0.4 질량%, 예컨대 약 0.5 질량% 이다. 하지만, 너무 높은 티타늄 함량은 스테인리스 강 내에 페라이트 형성을 촉진시킬 것이고, 또한 성형성 특성을 감소시킬 뿐만 아니라 취성을 증가시킨다. 그러므로, 티타늄의 최대 함량은 약 2.5 질량%, 예컨대 약 2 질량%, 예컨대 약 1.5 질량% 이하로 제한되어야 한다. 0.7 V/Ag,AgCl (0.9 V/SHE) 의 연료 전지의 작동 전위에서 과도한 부식이나 입계 부식이 발생할 위험이 있다고 가정하는 것이 타당하다. 0.7 V/Ag,AgCl (0.9 V/SHE) 의 연료 전지의 작동 전위에서의 특히 더 높은 탄소 함량 (0.05 질량% 의 상한에 근접함) 에서 탄화 크롬 침전을 방지하기 위하여 Ti 가 재료 내에 존재해야 한다. 탄화 크롬 침전은 입계 부식을 초래할 수도 있다. 실시형태에 따라, Ti 의 함량 (질량% 로 표현됨) 은 Ti ≥ 6×C 즉, Ti 의 질량% 함량이 C 의 질량% 함량보다 적어도 6 배 더 크도록 되어 있다.

니오븀 (Nb) 은 현재 스테인리스 강에 첨가될 수도 있는 선택적 원소이다. 탄화물의 형성 시에 유사한 특성들과 메커니즘으로 인해 입계 부식에 대한 안정화와 관련하여 니오븀에 의해 티타늄 (Ti) 을 교환할 수 있다. Nb 가 Ti 를 치환하는 경우, 그 양은 0.4-2.5 질량% 여야 한다. 따라서, 니오븀의 최대 함량은 2.5 질량%, 예컨대 약 2 질량%, 예컨대 약 1.5 질량% 이하로 제한되어야 한다.

알루미늄 (Al) 은 열 처리시에 경화 효과를 향상시키기 위하여 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강에 첨가된다. 알루미늄은 Ni₃Al 및 NiAl 와 같이 니켈과 함께 금속간 화합물들을 형성하는 것으로 알려져 있다. 양호한 경화 반응 및 양호한 성형 특성들을 달성하기 위하여, 최소 함량이 약 0.05 % 이상, 예컨대 약 0.3 % 이상이어야 한다. 하지만, 알루미늄은 강력한 페라이트 형성제이므로, 최대 함량이 약 1 질량% 이하여야 한다. 따라서, 일 실시형태에 따라, Al 의 함량은 0.05 ~ 0.6 질량% 이다.

질소 (N) 는 질소가 변형 경화를 증가시킬 것이기 때문에 강력한 원소이다. 하지만, 질소는 냉간 성형 시에 마텐자이트 변태에 대해 오스테나이트를 또한 안정화시킬 것이다. 또한, 질소는 티타늄, 알루미늄 및 크롬과 같은 질화물 형성제들에 높은 친화성을 가진다. 질소 함량은 최대 약 0.05 질량% 로 제한될 수도 있다.

코발트 (Co) 는 특히 몰리브덴과 함께 템퍼링 반응을 향상시킬 수도 있는 선택적 원소이다. 하지만, 코발트의 단점은 가격이다. 또한, 코발트는 스테인리스 강 작업 시에 바람직하지 않은 원소이다. 그러므로, 비용 및 스테인리스 야금과 관련하여, 코발트와의 합금화를 회피하는 것이 바람직하다. 그러므로, 그 함량은 약 2 질량% 이하, 또는 심지어 약 1 질량% 이하, 예컨대 0.6 질량% 이하이다.

이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강은 최대 0.1 wt% 의 양으로 하기 원소들: V, Zr, Hf, Ta, Mg, Ca, La, Ce, Y 및 B 중 하나 이상을 선택적으로 포함할 수도 있다. 이러한 원소들은 예컨대 기계가공성과 같은 특정한 가공성 특성들을 향상시키기 위하여 첨가될 수도 있다.

본원에서 설명되는 바와 같은 용어 "불순물" 은, 스테인리스 강이 산업적으로 제조될 때에, 광석 및 스크랩과 같은 원료로 인해 그리고 제조 프로세스 내의 여러 다른 요인들로 인해 스테인리스 강을 오염시키는 물질을 의미하는 것으로 의도되고, 또한 상기 불순물은 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 오스테나이트계 스테인리스 강에 악영향을 미치지 않는 범위 내에서 오염시키도록 허용된다.

일 실시형태에 따라, Mo 및 Cr 의 함량은 24 ≤ 질량%Cr + 질량%Mo×4 ≤ 32 이도록 되어 있다. Cr 및 Mo 의 적합한 절대량을 선택함으로써 그리고 Cr 및 Mo 의 상대량을 밸런싱함으로써, 내부식성뿐만 아니라 낮은 접촉 저항이 이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강으로 제조된 양극성 연료 전지 플레이트들에 대해 얻어진다. 그러나, 몰리브덴과 크롬의 총량은 % 로 최소 함량에 있도록 허용되지 않고, 또한 몰리브덴과 크롬의 총량이 % 로 최대 함량에 있도록 허용되지 않는다.

본원의 다른 실시형태에 따라, Cr 및 Mo 의 합은 26 ≤ 질량%Cr + 질량%Mo×4, 예컨대 27 ≤ 질량%Cr + 질량%Mo×4 일 수도 있다. 이로 인해, 본원의 스테인리스 강으로 만들어진 양극서 연료 전지 플레이트의 추가로 향상된 내부식성이 달성된다.

추가의 다른 실시형태에 따라, Cr 및 Mo 의 합은 질량%Cr + 질량%Mo×4 ≤ 30 이도록, 예컨대 질량%Cr + 질량%Mo×4 ≤ 29 이도록 되어 있을 수도 있다. 이로 인해, 본원의 스테인리스 강으로 만들어진 양극성 연료 전지 플레이트의 표면에서 가능한 산화물의 형성이 추가로 억제되고, 플레이트의 접촉 저항은 낮아진다.

이전에 또는 이후에 규정되는 바와 같은 스테인리스 강은 오스테나이트 구조를 가진다. 본원의 스테인리스 강에서 비교적 높은 Ni 함량은 스테인리스 강이 수소 취화 및 이와 관련된 부식을 덜 일으키게 한다. 이는 수소 가스가 통과하는 양극성 연료 전지 플레이트의 양극 측면에서 특히 중요하다. 다른 한편으로, 마텐자이트 구조는 수소 취성과 관련된 그러한 부식이 훨씬 더 일어나기 쉽다.

또한, 본 발명은 양성자 교환 막 연료 전지에 관련되고, 이는 이전에 그리고/또는 이후에 규정되는 바와 같은 양극성 연료 전지 플레이트를 포함한다.

예를 들어, 양극성 연료 전지 플레이트는 스테인리스 강의 연속 주조의 사용에 의해, 후속하여 주조물의 열간 압연, 어닐링 및 피클링 (pickling), 중간 재결정 어닐링 단계들에 의한 추가의 냉간 압연 단계들, 및 양극성 연료 전지 플레이트의 의도된 형상으로의 절단 및 성형에 의해 제조될 수도 있다.

추가로, 본 발명은 하기의 비제한적인 실험들과 실시예들에 의해 설명된다.

실시예

실험 결과들은 도 1 및 도 2 를 참조하여 설명된다.

초기 테스트로부터의 이전 결과들은, 양극성 연료 전지 플레이트로서 사용된 스테인리스 강에 몰리브덴을 첨가하는 것은 양극성 연료 전지 플레이트에 보다 저항성의 부동 필름에 기여하고 또한 몰리브덴 함량과 결합된 높은 크롬 함량은 부동 필름의 저항성 (접촉 저항) 의 허용불가능한 증가에 대한 이유라는 것을 보여주었다. 크롬 함량이 본원에 의해 규정되는 바와 같은 추가의 합금화 원소들을 포함하는 스테인리스 강에서 미리 결정된 레벨의 미만인 경우, 허용가능한 접촉 저항이 얻어진다는 것을 보여주는 실험들이 수행되었다. 그러나, 내부식성이 이러한 합금 원소에 의해 크게 향상되므로 몰리브덴은 중요하다. 따라서, 본원에 따른 스테인리스 강의 크롬 및 몰리브덴 레벨의 적절한 밸런싱은 스테인리스 강으로 만들어진 양극성 연료 전지 플레이트의 허용가능한 접촉 저항 및 내부식성 모두를 달성하는데 가장 중요하다.

하기에서, 세 개의 상이한 스테인리스 강들의 비교로부터 얻어지는 테스트 데이터가 제시되고, 강 그레이드 1 이 본원에 따른 스테인리스 강이다. 강 그레이드 2 는, 양극성 연료 전지 플레이트만큼 재료의 기능성에 결정적인 것으로 주로 간주되는 합금화 원소들에 관하여, 배경기술에 언급된 문헌 EP 1　302　556 의 범위 내에 속하고 또한 다소 높은 함량의 Cr 과 결합되는 다소 낮은 함량의 Mo 를 가지는 스테인리스 강이다. 강 그레이드 3 은, 훨씬 더 높은 함량의 Ni 및 높은 함량의 Cr 에 의해 특징지어지고 또한 양극성 연료 전지 플레이트로서의 사용을 위해 허용가능한 내부식성 및 접착 저항 특성들을 가지지만 그의 합금화 원소들 Cr 및 Ni 의 높은 함량으로 인해 (표 1 참조) 값비싼 스테인리스 강의 실시예인 비교 스테인리스 강 샘플이다.

저항성

시뮬레이팅된 연료 전지 조건 하에서 각각의 스테인리스 강의 장기 거동을 파악하기 위하여 장기 정전위 (potentiostatic) 테스트 방법이 적용되었다. 정전위 테스트는 PEM 연료 전지의 작동의 시뮬레이션의 일반적인 방법으로서 간주되고 또한 당업자에게 충분히 공지되어 있다. 전위는 100 시간 대신에 1000 시간 동안 0.7 V/Ag,AgCl 로 설정되었고, 100 시간은 이전에 장시간 테스트로 간주되었다. 이 절차는 정전위 부하가 부동 필름을 강화시킨다는 가설로 인해 샘플들의 부동화로 불린다. 이러한 테스트의 목적은 접촉 저항 및 부동 필름이 이러한 상황들 하에서 접촉 저항의 저하, 유지 또는 허용불가능한 증가를 나타내는 지의 여부를 파악하는 것이었다.

PEM 연료 전지의 음극 측면을 시뮬레이팅하는 전해질은 436 g K₂SO₄ (0.5 M) (프로 분석), 0.0015 g KF (프로 분석) 를 포함하는 5 L 에 대해 준비되었다. pH 는 2.554 g 의 96% H₂SO₄ 를 첨가함으로써 황산 (H₂SO₄) 을 이용하여 pH=3 으로 조절되었다.

계면 접촉 저항이 측정되었다. 계면 접촉 저항, ICR 셋업은 0 ~ 20 bars 또는 0 ~ 200 N/㎠ 의 압력을 가하는 유압 피스톤으로 구성된다. 1.5 ㎝ 의 접촉 반경 또는 12.56 ㎠ 의 접촉 영역을 갖는 두 개의 금 도금된 홀더들이 사용되었다. 샘플은 두 개의 금 도금된 접촉 홀더들 사이에 위치되는 두 개의 가스 확산층, 즉 GDL 내에 배열되었다. 1 A/㎠ 의 전류 밀도를 초래한 12.56 A 의 일정 전류 공급이 가해졌다.

접촉 저항 측정들은 시뮬레이팅된 PEM 연료 전지 전해질에서의 테스트 전후에 수행되었다.

접촉 저항 측정들의 결과는 도 1 에 도시되어 있다. 도면은 동일 샘플에서의 순차적인 측정들 (A, B, C) 을 보여준다. 세 개의 측정들 (A, B, C) 은 전류가 각각의 스테인리스 강 그레이드의 플레이트를 통과하게 함으로써 수행되었고, 전류는 1 A/㎠ 이다. 이는 정전위 시험 (시험된 피클링 샘플) 을 받은 샘플에 대해 수행되고, 이전에 정전위 시험을 받지 않은 피클링 샘플 (즉, 도 1 의 "피클링 샘플") 과 비교하게 된다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 양자의 경우에, 본 발명에 따른 스테인리스 강 그레이드 1 의 성능은 비교 스테인리스 강 그레이드 2 및 3 의 성능보다 우수하다.

부식

436 g K₂SO₄ (0.5 M)(프로 분석), 0.0015 g KF (프로 분석) 를 포함하는 5 L 의 시뮬레이팅된 연료 전지 전해질에서 80 ℃ 에서 본원에 따른 스테인리스 강 그레이드 1 에 대해 부식 시험이 수행되었다. pH 는 2.554 g 의 96% 의 H₂SO₄ 를 첨가함으로써 황산 (H₂SO₄) 을 이용하여 pH=3 으로 조절되었다. PEM 양극성 연료 전지 거동의 시뮬레이션은 적용된 산화 전위 또는 작동 중에 PEM 양극성 연료 전지의 전위와 유사한 전위를 발생시키는 플레이트를 통과하는 전류에 의해 나타내어 진다.

시험 후 샘플 표면에는 부식이 발견되지 않았다.

부식 전류 밀도를 변환함으로써 질량 손실률의 계산이 Faradays 법칙을 이용하여 그리고 부식 전류와 금속 용해 속도 사이의 선형 관계를 가정하여 수행되었다. 계산은 표준 ASTM G 102-89 에서 설명되는 바와 같은 화학 당량 (equivalent weight) 을 이용하여 양자의 합금들에 대해 실시되었다.

Ew = (∑n_if_i/M_i)^-1

n_i = 합금 원소 i 의 원자가

f_i = 합금에서 원소 i 의 질량 분율

M_i = 합금에서 원소 i 의 원자량

순금속에 대한 부식 속도는:

부식 속도 = (K×M×i_corr)/(n×ρ) [㎜/year]

에 따라 계산될 수도 있다.

화학 당량 Ew 을 이용한 금속 합금에 대한 동일 방정식:

부식 속도 = K×Ew×i_corr/ρ [㎜/year]

M = 원자량

n = 원소의 원자가

i_corr = 부식 전류 밀도, ㎂/㎠

ρ = 재료의 밀도, g/㎤

K = (㎜ g/㎂㎝ y)

부식 속도의 계산은 표준 ASTM G 102-89 에서 설명되는 바와 같은 화학 당량을 이용하여 수행되었다.

Ew = (∑n_if_i/M_i)^-1

n_i = 합금 원소 i 의 원자가

f_i = 합금에서 원소 i 의 질량 분율

M_i = 합금에서 원소 i 의 원자량

평균 질량 밀도는 무시할 수 있는 부식 속도인 1.2 × 10^-5 ㎜/y 의 계산된 부식 속도를 설정하는 1.51 × 10^-9 A/㎠ 로 계산되었다.

상기에서 알 수 있듯이, 양극성 연료 전지 플레이트, 특히 PEM 양극성 연료 전지 플레이트로서 사용되도록 제안된 스테인리스 강은 종래 기술의 스테인리스 강보다 상기 적용에 더 적합하게 하는 특성들을 나타낸다. 또한, 본 발명에 따른 스테인리스 강은 놀랍게도 합금화 원소들의 총 함량이 낮고, 따라서 매우 경쟁력 있는 가격으로 이러한 결과들을 얻는다.

연료 전지 시험

양극성 플레이트들은 각각 15 분 동안 에탄올 및 탈이온수에서 초음파 세척을 이용하여 세척되었다. 연료 전지 셋업은 질소 가스의 유동 내에서 가열되었다. 작동 온도 (80℃) 에서, 가스는 수소 가스 및 산소 가스로 변경되었다. 양극성 플레이트를 제외한 연료 전지 구성 요소들의 재료는 상업용 백금, Pt 음극 및 백금루테늄 (platinumruthenium), Pt 양극이었다. 가스 확산층 (GDL) 은 Sigracet 25BC 였다. 활성화 시퀀스는 0.9-0.3-0.9V 사이의 분극 및 50 ㎷ 스텝에서 5 ㎷/s 의 스캔 속도에 의해 수행되었다. 연료 전지는 양극성 플레이트에 걸쳐 10 초당 측정 포인트 및 96 시간 동안 0.5 A/㎠ 의 정전류에서 작동되었다.

도 2 에서, 계면 접촉 저항이 연료 전지의 작동 조건의 균등화의 결과로서 증가하는 것으로 보여진다. 플레이트들 (A, B, C) 은 강 그레이드 1 에서 상이한 컴포지션의 플레이트로 구성된다.

강 그레이드 1 은 본원에 따른 컴포지션이다. 본 발명의 실시형태(들)가 그의 특정 양태들에 관련하여 설명되었지만, 여러 다른 변형들 및 수정들과 다른 용도들은 당업자에게 자명해질 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태(들)은 본 발명의 특정 개시에 의해서가 아니라 첨부된 청구항들에 의해서만 제한되는 것이 바람직하다.

표 1. 조사에서 사용된 재료들의 원소 분석 (질량%)

Claims

스테인리스 강을 포함하는 양극성 (bipolar) 연료 전지 플레이트로서,
상기 스테인리스 강은 하기의 원소들:
11-14 질량% 의 Cr;
7-11 질량% 의 Ni;
3-5 질량% 의 Mo;
0-2 질량% 의 Co;
0.5-4 질량% 의 Cu;
0.4-2.5 질량% 의 Ti;
5 질량% 미만의 Mn;
1.5 질량% 미만의 Si;
0.04 질량% 미만의 S;
0.05-1.0 질량% 의 Al;
0.05 질량% 미만의 N;
0.05 질량% 미만의 C;
잔부 Fe 및 불가피한 불순물들
을 포함하는, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항에 있어서,
24 ≤ 질량%Cr + 질량%Mo×4 ≤ 32 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 2 항에 있어서,
26 ≤ 질량%Cr + 질량%Mo×4 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
질량%Cr + 질량%Mo×4 ≤ 30 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Mo 이 3 ~ 4.2 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Cr 이 11 ~ 13 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Cu 가 0.5 ~ 2 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Si ≤ 0.5 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Si ≤ 0.25 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Al 이 0.05 ~ 0.6 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Co ≤ 0.6 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Ni 이 8 ~ 11 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량%Ti ≥ 6×질량%C 인, 양극성 연료 전지 플레이트.
양성자 교환 막 연료 전지로서,
상기 양성자 교환 막 연료 전지는 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 양극성 연료 전지 플레이트를 포함하는, 양성자 교환 막 연료 전지.