KR20220072655A - 접촉저항이 향상된 고분자 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법 - Google Patents

접촉저항이 향상된 고분자 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강에 대하여 개시한다.
개시되는 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강의 일 실시예에 따르면, 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), Si: 3.0% 이하(0은 제외), Mn: 3.0% 이하(0은 제외), Cr: 20 내지 30%, Ni: 8 내지 20%, S: 0.003% 이하, P: 0.03% 이하, Mo: 0.6% 이하(0은 제외), Cu: 0.8% 이하(0은 제외), N: 0.1 내지 0.3%, W: 2.0% 이하(0은 제외) 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

Description

접촉저항이 향상된 고분자 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법{AUSTENITIC STAINLESS STEEL FOR POLYMER FUEL CELL SEPARATOR WITH IMPROVED CONTACT RESISTANCE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고분자 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접촉저항이 향상된 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
고분자전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 고분자전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 장점이 있다.
고분자전해질 연료전지는 전해질, 전극, 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)을 포함한 막 전극 접합체(MEA: Membrance Electrode Assembly)와 분리판으로 구성된 단위전지로 이루어져 있으며, 이러한 단위전지 여러 개가 직렬로 연결되어 구성된 것을 연료전지 스택이라고 한다.
상기 분리판은 고분자전해질 연료전지 스택의 핵심부품으로서 한쪽 면에는 산화전극(또는 연료극)용 가스 유로가, 다른 쪽 면에는 환원전극(또는 공기극)용 가스 유로가 새겨져 있는 전기전도성 판이다.
분리판은 산화전극에서 생성된 전자를 다음 셀의 환원전극 쪽으로 전도해주는 집전판 역할을 하며, 막 전극 접합체를 지지해준다. 또한, 분리판은 연료전지　전극에 각각 연료(수소 혹은 개질 가스)와 산화제(산소와 공기)를 공급하는 동시에, 전지 운전 중에 생기는 물을 제거해주는 통로 역할을 한다.
이러한 분리판 소재로 종래에는 흑연을 기계적으로 가공하여 유로를 형성한 분리판이 대부분 사용되었다. 그러나 흑연은 가공이 어려워 가격이 비싸 대량생산에 적합하지 않은 단점이 있다. 이러한 이유로, 최근에는 제작비용 및 무게 등을 고려하여　스테인리스강을 많이 적용하고 있다. 고분자 연료전지의 분리판으로 스테인리스강을 사용할 경우, 일반적으로 0.1mm 두께의 스테인리스 강판을 사용한다.
상기 스테인리스 강판은 냉간압연 후 코일 장력제어의 어려움, 압입흠 등의 표면 결함 방지를 위하여 산화성 분위기에서 소둔하지 않고, 재결정 및 잔류응력 제거를 위하여 수소 및 질소 환경의 환원성 분위기에서 광휘소둔 하여 제조된다. 광휘소둔 시 형성되는 산화 피막은 자체 저항이 높기 때문에, 연료전지 분리판으로 사용하기 위해서는 계면 접촉저항을 향상시키는 후처리 공정이 필요하다.
후처리 공정으로는 금(Au)이나 탄소, 나이트라이드(nitride) 등의 전도성 물질을 코팅하는 공정이 제안되어 왔다. 그러나 상기와 같은 방법은 귀금속 등을 코팅하기 위한 추가 공정으로 인하여, 제조비용 및 제조시간이 증가되는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0073407호 (공개일자:2010년07월01일)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 오스테나이트계 스테인리스강에 별도의 코팅 등 부가적인 표면 처리 없이, 단시간의 교류 전해 처리공정만으로 향상된 계면접촉저항을 확보할 수 있는 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), Si: 3.0% 이하(0은 제외), Mn: 3.0% 이하(0은 제외), Cr: 20 내지 30%, Ni: 8 내지 20%, S: 0.003% 이하, P: 0.03% 이하, Mo: 0.6% 이하(0은 제외), Cu: 0.8% 이하(0은 제외), N: 0.1 내지 0.3%, W: 2.0% 이하(0은 제외) 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, W: 0.01 내지 0.5%를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 계면접촉저항이 10mΩcm2(100N/cm2) 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강 제조 방법은 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), Si: 3.0% 이하(0은 제외), Mn: 3.0% 이하(0은 제외), Cr: 20 내지 30%, Ni: 8 내지 20%, S: 0.003% 이하, P: 0.03% 이하, Mo: 0.6% 이하(0은 제외), Cu: 0.8% 이하(0은 제외), N: 0.1 내지 0.3%, W: 2.0% 이하(0은 제외) 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강 냉간 압연재를 광휘소둔하는 단계; 및 황산 용액에서, 상기 광휘소둔재를 교류 전해하는 단계;를 포함하고, 상기 교류 전해는 15 내지 30A/dm2의 전류밀도를 7초 내지 10초 동안 인가하여 수행된다.
또한, 본 발명에서 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, W: 0.01 내지 0.5%를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 광휘소둔 단계는 1050℃ 내지 1150℃의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 황산 용액의 온도는 40 내지 80℃일 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 황산 용액의 농도는 50 내지 300g/L일 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 교류의 주파수는 10 내지 120Hz일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전해 처리 조건을 최적화함으로써 접촉저항이 향상된 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명의 일 예에 따른 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), Si: 3.0% 이하(0은 제외), Mn: 3.0% 이하(0은 제외), Cr: 20 내지 30%, Ni: 8 내지 20%, S: 0.003% 이하, P: 0.03% 이하, Mo: 0.6% 이하(0은 제외), Cu: 0.8% 이하(0은 제외), N: 0.1 내지 0.3%, W: 2.0% 이하(0은 제외) 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 이하, 각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유를 이하에서 서술한다.
C의 함량은 0.1% 이하(0은 제외)이다.
탄소(C)는 저원가 오스테나이트 안정화원소이고, 델타(δ)-페라이트상의 생성을 효과적으로 억제한다. 또한, C는 침입형 원소로 고용강화효과에 의해 강재의 항복강도를 향상시킨다. 하지만, C의 함량이 과다하면 강재의 연성, 인성 및 내식성 등을 저하시키므로, 그 상한을 0.1%로 한다. 따라서, C의 함량은 0.1% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.
Si의 함량은 3.0% 이하(0은 제외)이다.
규소(Si)는 제강단계에서 탈산제로 첨가되는 성분이며, 일정량 첨가 시 광휘소둔 공정을 거치는 경우 부동태 피막에 Si-Oxide를 형성하여 강의 내식성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, Si의 함량이 과다하면 주조 시 δ-페라이트상 및 시그마상 같은 금속간 화합물 형성을 유발하여 강재의 열간 가공성, 연성 및 인성이 열위해질 우려가 있다. 따라서, Si의 함량은 3.0% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.
Mn의 함량은 3.0% 이하(0은 제외)이다.
망간(Mn)은 오스테나이트상 안정화 원소로 마르텐사이트 생성을 억제하는데 효과적이다. 또한, Mn은 원가가 Ni 대비 저렴하며, 강재의 냉간 가공성을 향상시킨다. 그러나, Mn의 함량이 과다하면 강재의 열간 가공성, 연성 및 인성을 저하시키는 개재물(MnS)이 다량으로 형성된다. 따라서, Mn의 함량은 3.0% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.
Cr의 함량은 20 내지 30%이다.
크롬(Cr)은 산화성 환경에서 부동태 피막을 형성하여 내식성을 향상시키는 원소로서 연료전지 환경에서의 내식성 확보를 위해서 20% 이상 첨가한다. 그러나 30%를 초과하여 과잉 첨가 시 슬라브 내 델타(δ) 페라이트 형성을 조장하여 강재의 열간 가공성이 저하될 수 있다. 또한, 오스테나이트가 불안정해져 상 안정성을 위해 다량의 Ni이 포함되어야 하므로 비용 증가의 원인이 될 수도 있다. 따라서, Cr의 성분범위를 20 내지 30%로 제어하는 것이 바람직하다.
Ni의 함량은 8 내지 20%이다.
니켈(Ni)은 오스테나이트상 안정화 원소로서 델타(δ)-페라이트상 형성을 억제하고, 열간 가공성과 냉간 가공성을 향상시키기 위해 8% 이상을 첨가한다. 다만, Ni은 고가의 원소로서 다량 첨가 시 원료 비용의 상승을 초래하므로, 그 상한을 20%로 한다.
P의 함량은 0.03% 이하, S의 함량은 0.003% 이하이다.
인(P)과 황(S)은 결정입계에 편석되어 내식성 및 열간 가공성을 저하시키는 유해원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 관리한다. 따라서, P의 함량은 0.03% 이하로, S의 함량은 0.003% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Mo의 함량은 0.6% 이하(0은 제외)이다.
몰리브덴(Mo)은 스테인리스강의 내부식성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 하지만, Mo은 고가의 원소로 원료비 상승을 초래하고, 다량 첨가 시 냉간가공성을 저하시킨다. 따라서, Mo의 함량은 0.6% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.
Cu의 함량은 0.8% 이하(0은 제외)이다.
구리(Cu)는 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이며, 마르텐사이트 생성을 억제하여 냉간 가공성을 향상시키고, 환원 환경에서 강재의 내부식성을 향상시키는데 효과적이다. 그러나, Cu의 함량이 과다하면 Cu의 응고 편석에 의해 열간 가공성이 열위해질 우려가 있다. 따라서, Cu의 성분범위를 0.8% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.
N의 함량은 0.1 내지 0.3%이다.
질소(N)는 첨가할수록 오스테나이트상을 안정화시키는 효과 및 재료의 강도를 향상시키므로 0.1% 이상 첨가한다. 그러나, 과잉 첨가 시 연신율을 저하시키므로, 그 상한을 0.3%로 한다. 따라서, N의 성분범위를 0.1 내지 0.3%로 제어하는 것이 바람직하다.
W의 함량은 2.0% 이하(0은 제외)이다.
텅스텐(W)은 연료전지가 작동되는 황산 분위기에서 내식성을 증가시키고 계면 접촉저항을 낮추는 효과가 있다. 특히, 황산이 응축된 환경에서는 W와 Cu를 동시에 첨가시키면 내식성을 극대화 시킬 수 있다. 그러나 과잉 첨가 시 고가의 원소로서 원가 비용의 상승을 초래하며, 소재의 연신율 저하시킨다. 따라서, W의 성분범위를 2.0% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다. W의 함유량의 더 바람직한 하한은 0.01%이며, 더 바람직한 상한은 0.5%이다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
연료전지 작동 시, 분리판은 각 전극에서 생성 및 소모되는 전자가 통과하는 전기적 경로의 역할을 하기 때문에, 분리판과 가스확산층간의 전기전도도가 양호해야한다. 즉, 분리판의 전기저항은 연료전지 성능에 밀접하게 영향을 미치므로, 분리판에 사용되는 소재의 계면접촉저항은 허용 수준 이하로 낮아야 한다.
이러한 분리판의 기능적 요구로, 미국에너지성(Department of Energy, DOE)은 분리판의 계면접촉저항 값에 대해서, 10mΩcm2 (100~150N/cm2)이하의 목표를 제시하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 계면 접촉저항이 10mΩcm2(100N/cm2) 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 다음과 같은 방법으로 제조된다.
중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), Si: 3.0% 이하(0은 제외), Mn: 3.0% 이하(0은 제외), Cr: 20 내지 30%, Ni: 8 내지 20%, S: 0.003% 이하, P: 0.03% 이하, Mo: 0.6% 이하(0은 제외), Cu: 0.8% 이하(0은 제외), N: 0.1 내지 0.3%, W: 2.0% 이하(0은 제외) 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강 냉간 압연재를 광휘소둔하는 단계를 포함하고, 황산 용액에서 상기 광휘소둔재에 대해 교류 전해 하는 단계를 포함하고, 상기 교류 전해는 15 내지 30A/dm2의 전류밀도를 7초 내지 10초 동안 인가하여 수행된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, W: 0.01 내지 0.5%를 포함할 수 있다.
각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유는 상술한 바와 같다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광휘소둔 단계는 1050℃ 내지 1150℃의 온도에서 수행될 수 있다.
광휘소둔(Bright Annealing)이란, 무산화성 분위기에서 소둔을 행하는 것을 의미한다. 통상적으로, 0.3mm 두께 이하의 코일의 경우 코일 장력 제어의 어려움 및 표면 결함을 방지하기 위해 수소 및 질소가 함유된 환원성 분위기에서 광휘소둔을 실시한다. 이 때 수소 함량은 70%이상인 것이 바람직하다. 또한, 열처리 과정에서 발생하는 오스테나이트계 스테인리스강의 냉간 압연재의 재산화를 방지하기 위하여, 광휘소둔의 온도는 1050~1150℃가 바람직하다.
광휘소둔은 환원성 분위기에서 실시되므로 매끄러운 표면 상태를 가지는 수 nm 두께의 부동태 피막이 형성될 수 있으며, 이러한 부동태 피막은 Cr-Fe 산화물, Mn 산화물, Si 산화물 등을 포함할 수 있다.
광휘소둔 단계를 거친 냉간 압연재는 그 표면에 형성된 수 nm 두께의 부동태 피막에 의해 계면 접촉 저항이 증가하게 된다. 따라서, 광휘소둔된 냉간 압연재를 연료전지 분리판으로 사용하기 위해서는, 표면에 존재하는 비전도성의 부동태 피막을 제거하고 전도성의 새로운 피막을 형성시켜야 한다.
한편, 전기의 흐름, 즉 전류는 크게 직류와 교류로 나눌 수 있다. 교류란 시간에 따라 흐르는 방향과 크기가 주기적으로 변하는 전기의 흐름을 말한다. 전해는 전해질의 용액에 전류를 통과시키면서 화학 변화를 일으켜, 물질이 분해하는 것을 말하며, 전기분해라고도 한다. 전해는 전원의 종류에 따라, 크게 직류전해와 교류전해로 나누어진다. 교류전해의 경우 전극은 어느 순간에 양극이 되고 다음 순간에는 음극이 되어, 산화 반응과 환원 반응이 하나의 전극에서 연달아 일어난다.
직류 전해를 적용하여 오스테나이트계 스테인리스강의 표면을 개질할 경우, 스테인리스강의 계면접촉저항이 높아 연료전지 분리판 소재로 사용시 어려움이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 제어 조건을 검토한 결과, 교류 인가 전원을 도입하게 되었다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광휘소둔된 오스테나이트계 스테인리스강 냉간 압연재를 황산 용액에서 교류 전해하여 부동태 피막을 제거하고, 계면접촉저항이 향상된 전도성 피막을 형성할 수 있다.
본 발명에서 교류 전원의 파형은 싸인파(sine wave), 구형파(square wave), 삼각파(triangle wave), 톱니파(sawtooth wave) 등의 모든 파형이 적용될 수 있다.
한편, 인가하는 전류 밀도가 15A/dm2 미만인 경우에는 광휘소둔 피막의 제거가 원활히 이루어지지 않는다. 전류밀도가 과도하게 인가되는 경우에는 부동태 피막 제거 효과가 포화되고, 산소 생성 반응 등의 부반응이 발생하거나, 과산세에 의한 표면 침식이 발생하는 문제가 있어, 인가 전류밀도는 15 내지 30A/dm2로 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인가하는 교류의 주파수는 10 내지 120Hz일 수 있다.
인가하는 교류의 주파수가 10Hz 미만에서는 개질 효율이 감소하기 때문에, 10 내지 120Hz 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 교류 전해는 7초 내지 10초 동안 수행될 수 있다. 교류 전해 시간이 7초 미만인 경우에는, 열연소둔 강판의 산세 효과를 확보할 수 없고, 교류 전해 시간이 10초를 초과하는 경우에는, 공정 효율을 확보할 수 없다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 황산 용액의 온도는 40 내지 80℃일 수 있다.
황산 용액의 온도가 40℃ 미만인 경우 부동태 피막 제거효율이 저하되며, 상한 온도는 안전성을 고려하여 80℃로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 황산 용액의 농도는 50 내지 300g/L일 수 있다.
황산 용액의 농도가 50g/L보다 작은 경우, 용액의 전도성 저하로 인하여 부동태 피막 제거가 불충분할 수 있다. 반면, 황산의 농도가 크게 증가하여도 부동태 피막 제거 효과는 포화하기 때문에, 전해 처리의 경제성을 고려하여 300g/L로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
{실시예}
하기 표 1에 나타낸 다양한 합금 성분범위에 대하여, 연주 공정(Continuous Casting)으로 슬라브를 제조하고, 1,250℃에서 2시간 가열한 후 열간압연을 진행 하였으며, 열간압연 이후 1,100℃에서 90초간 열연소둔을 진행하였다. 이후, 70%의 압하율로 냉간압연을 진행하였으며, 냉간압연 이후 1,050℃에서 광휘소둔을 진행하였다.
구분 C Si Mn Cr Ni Mo Cu N W
강종A 0.025 0.4 0.8 21.3 10.5 0.6 0.8 0.2 0.01
강종B 0.02 0.2 3 22 11 0.1 0.1 0.15 0.01
강종C 0.03 2 0.5 22 12.5 0.1 0.1 0.2 0.5
다음으로, 하기 표 2의 조건에 따라 전해를 실시하였으며, 조건에 따른 계면접촉저항 값을 측정하였다.
계면접촉저항 평가는 제조된 소재를 50cm2 면적으로 절단하여 2매 준비 후, 그 사이에 가스 확산층으로 사용되는 4cm2 면적의 카본 페이퍼(SGL-10BA)를 사이에 배치하여 접촉압력 100N/cm2에서의 계면접촉저항을 5회씩 평가하였다.
구분 강종 전해 단계 계면
접촉저항
(mΩcm2)
황산농도
(g/L)		 황산온도
(℃)		 인가전류밀도
(A/dm2)		 전류인가시간
(s)		 전류 주파수
(Hz)
실시예1 A 200 60 15 7 60 5.8
실시예2 B 200 60 15 7 60 6.8
실시예3 C 200 60 15 7 60 7.9
실시예4 C 200 60 15 7 30 9.2
실시예5 C 200 60 15 7 120 7.6
실시예6 C 200 60 30 7 60 8
실시예7 C 200 80 15 7 60 8.3
비교예1 C 200 60 20 7 5 25.5
비교예2 C 200 60 15 7 직류 52.5
비교예3 C 200 60 5 7 10 18.3
비교예4 C 200 60 10 7 60 53.1
비교예5 C 200 30 15 7 60 31.7
표 2를 참조하면, 본 발명이 제시하는 황산용액 및 인가하는 전류의 조건에서 전해가 진행된 경우, 계면접촉저항을 10mΩcm2 이하로 확보할 수 있었다.
이에 비해, 비교예 1은 인가되는 주파수가 5Hz로 표면 개질 효과가 감소하여, 계면접촉저항 값이 25.5mΩcm2 로 다소 높게 도출되었다.
비교예 2는 교류 전해가 아닌 직류 전해를 진행하여, 52.5mΩcm2 의 높은 계면접촉저항을 가진다.
비교예 3 및 4는 15A/dm2 보다 낮은 인가전류밀도로 인하여 광휘소둔 피막의 제거가 이루어지지 않아, 10mΩcm2 이상의 높은 계면접촉저항 값을 가진다. 비교예 5는 황산용액의 온도가 40
Figure pat00001
미만으로 광휘소둔 피막의 제거가 미진하여, 31.7mΩcm2 의 높은 계면접촉저항 값을 가진다.
개시된 실시예에 따르면, 별도의 코팅 등 부가적인 표면 처리 없이, 전해 처리 과정에서 전류밀도 및 주파수 조건을 최적화함으로써, 접촉저항을 10mΩcm2 이하로 확보하여 고분자 연료전지 분리판용 소재로 적용이 가능하다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), Si: 3.0% 이하(0은 제외), Mn: 3.0% 이하(0은 제외), Cr: 20 내지 30%, Ni: 8 내지 20%, S: 0.003% 이하, P: 0.03% 이하, Mo: 0.6% 이하(0은 제외), Cu: 0.8% 이하(0은 제외), N: 0.1 내지 0.3%, W: 2.0% 이하(0은 제외) 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, W: 0.01 내지 0.5%를 포함하는, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 계면접촉저항이 10mΩcm2(100N/cm2) 이하인, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), Si: 3.0% 이하(0은 제외), Mn: 3.0% 이하(0은 제외), Cr: 20 내지 30%, Ni: 8 내지 20%, S: 0.003% 이하, P: 0.03% 이하, Mo: 0.6% 이하(0은 제외), Cu: 0.8% 이하(0은 제외), N: 0.1 내지 0.3%, W: 2.0% 이하(0은 제외) 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강 냉간 압연재를 광휘소둔하는 단계; 및
    황산 용액에서, 상기 광휘소둔재를 교류 전해하는 단계;를 포함하고,
    상기 교류 전해는 15 내지 30A/dm2의 전류밀도를 7초 내지 10초 동안 인가하여 수행되는, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, W: 0.01 내지 0.5%를 포함하는, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 광휘소둔 단계는 1050℃ 내지 1150℃의 온도에서 수행되는, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 황산 용액의 온도는 40 내지 80℃인, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 황산 용액의 농도는 50 내지 300g/L인, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 교류의 주파수는 10 내지 120Hz인, 접촉저항이 향상된 연료전지 분리판용 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
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