SOFC 분리판용 Ferritic STS의 전기전도도와 고온 산화 거동에 미치는 Co 코팅의 영향

Abstract

금속계 분리판(STS4XX; ferritic stainless steel)은 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)의 분리판 소재로서 기존에 사용되던 세라믹소재를 대신하여 가격이 저렴하고 가공하기가 용이하므로 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 stainless steel의 경우 Cr이 다량 포함된 합금이므로 SOFC의 작동 온도인 800℃에서 H2O와 반응하여 Cr2(OH)2(g), CrO2(OH)(g) 등이 만들어져 휘발되고, 이는 수소분위기의 anode에서 환원이 일어나게 되어 출력 효율을 떨어뜨린다. 본 연구에서는 Cr의 휘발을 막고 전기전도도를 향상시키기 위해 stainless steel에 Co를 무전해도금법으로 2μm 도금한 후, 작동 환경에서 Cr 휘발량 및 전기전도도를 측정하고 그 상관관계를 규명하여 실제로 SOFC의 분리판에 적용 여부를 판단하였다. 실험 시편으로는 STS430, STS430Ti, STS445NF, STS444, STS446M와 Crofer22가 사용되었다. 우선 Co가 도금되지 않은 bare 시편의 경우, 800℃에서 약 400시간동안 대기 분위기에서 산화시킨 결과 STS430, STS445NF의 면저항(area specific resistance, ASR) 값이 각각 150, 220mΩcm2으로 나머지 시편들의 30～70 mΩcm2 에 비해 상당히 높게 나왔다. 또한 STS430Ti, STS445NF의 경우 800℃에서 약 400시간동안 대기 분위기에서 산화시킨 후 단면을 보면 다른 시편에 비해 스케일이 상당히 두꺼운 것을 알 수 있다. 이는 합금 내에 있는 Ti이 산화 초기에 결정립계를 따라 표면으로 급속하게 확산되어 산화물을 형성하기 때문이다. 앞선 실험에서 ASR과 산화스케일의 두께에서 상대적으로 우수했던 STS444, STS446M와 Crofer22를 무전해도금법으로 Co를 2μm 도금하였다. 세 시편 모두 800℃에서 약 400시간이 경과한 후 10 mΩcm2이하의 ASR값을 보였는데 이는 모두 실험 오차 내에 들어오는 값이므로 실제 스택에 적용 시 Crofer22을 대신하여 경제적으로 STS444, STS446M을 사용할 수 있다. Co 도금을 한 후의 산화실험에서 ASR값이 좋아진 이유는 스케일 층 내부에 상대적으로 Cr2O3에 비해 전기전도도가 우수한 Co3O4와 (Co,Mn,Fe)3O4 형태의 Spinel형 구조가 형성되어 전기전도도에 좋은 영향을 준 것으로 보여진다. 또한 Crofer22의 경우, Co 도금층이 표면으로의 Cr diffusion을 억제하여 Co가 도금되지 않았을 때보다 Cr-poisoning을 상당량 감소시켰는데, 이는 표면에 생성될 수 있는 Cr2O3의 형성을 Co가 방지하였기 때문이다. 따라서 STS444, STS446M과 Crofer22의 경우 Co 도금을 함으로써 전기전도도를 향상시키고 Cr-poisoning을 감소시켜 연료전지의 분리판으로써의 성능향상을 기대할 수 있었다.