(MnCo)3O4 코팅을 통한 Crofer계 SOFC 분리판의 표면부식 억제연구.

Abstract

Ferrite 금속계 분리판(STS4XX; ferritic stainless steel)은 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)의 분리판 소재로서 기존에 사용되던 세라믹소재에 비해 가격이 저렴하고 가공성이 좋아 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 stainless steel의 경우 Cr이 다량 포함되어 있어 SOFC의 작동 온도인 800℃에서 쉽게 Cr 산화물을 형성하여 내부저항 손실을 증가시키며 anode의 환원분위기 하에서도 H2O와 반응하여 휘발성이 강한 Cr2(OH)2(g), CrO2(OH)(g) 등을 형성해 전극에서의 오버포텐셜을 증대시켜 SOFC의 출력성능을 떨어뜨린다. 본 연구에서는 이러한 금속분리판의 부식에 의한 전기전도도의 감소와 Cr 성분 휘발에 의한 성능저하를 막기 위해 Stainless steel에 (MnCo)3O4를 스크린 프린팅법으로 6μm 두께로 코팅한 후, 결함없는 미세구조를 얻기 위한 공정제어를 통해 효과적인 보호막을 형성하였다. 이후 작동 환경에서 Cr 휘발량 및 전기전도도를 측정하고 그 상관관계를 규명하여 실제로 SOFC의 분리판에 적용가능한지 여부를 알아보았다. 본 연구에서는 SOFC 분리판에 범용적으로 적용되고 있는 Crofer22APU 소재를 기판으로 사용하였다. 우선 (MnCo)3O4 보호막이 코팅되지 않은 bare Crofer의 경우, 800℃에서 약 600시간동안 산소 분위기에서 산화시킨 결과 상대 전도도 (relative conductivity)값이 초기전도도 값인 에 비해 으로 약 88%의 감소율을 전도도 감소를 나타내었다. 그러나 (MnCo)3O4 보호막을 코팅한 시편의 경우 전도도 감소는 거의 일어나지 않았다. 또한 bare Crofer의 경우 800℃ 대기 분위기에서 약 400시간동안 산화시킨 결과 보호막이 코팅된 다른 시편에 비해 산화층 스케일이 상당히 두꺼운 것을 알 수 있었다. 반면 MCO 보호막을 코팅한 세 시편의 경우 800℃에서 약 600시간 산화시킨 결과 ASR의 크기가 약 80 mΩcm2 정도로 초기치에 비해 크게 변하지 않았으며 ASR 절대값 또한 접촉저항을 고려한 실험 오차 범위내에서 bare Crofer와 큰 차이를 보이지 않아 실제스택에 적용 시 bare Crofer22 소재보다 장기안정성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다. MCO 보호막을 코팅한 세 시편 모두 장시간 동안 열화없이 전도도값이 유지될 수 있었던 이유는 MCO 코팅층이 표면으로의 Cr 확산을 억제하였을 뿐만 아니라 외부로부터의 산소의 유입을 용이하게 막았기 때문으로 보인다. 반면 bare Crofer의 경우 Cr, Mn 성분이 O2와 쉽게 반응해 ASR을 증대시킬 수 있는 (Mn,Cr)3O4, Cr2O3같은 산화물을 생성하여 초기 전도도에 비해 약 88%의 성능감소율을 나타내었다. 이로부터 Crofer22 모재에 MCO 보호막을 코팅하는 것이 분리판의 전기전도도 감소를 막을 수 있음은 물론 Cr 휘발에 의한 전극에서의 Cr-poisoning을 감소시켜 연료전지의 장기안정성 향상을 꾀할 수 있는 효과적인 방법임을 알 수 있었다.