플라즈마 용사 코팅을 이용한 고체산화물 연료전지용 금속연결재의 La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)/Ag 내산화막 제조 및 코팅 특성 평가

Abstract

본 연구에서는 고체산화물 연료전지 연결재용 고전도도 및 내산화성 피막을 제조하기 위하여 플라즈마 용사코팅을 이용하여 페라이트계 스테인리스스틸 (STS430) 모재 위에 spray-drying한 La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)(LSCF)분말을 사용하여 피막을 제조하였다. 열용사 공정으로 제조된 세라믹 피막은 금속 분말을 사용한 피막 보다 더 많은 미세균열을 내포하게 된다. 이러한 미세균열은 고체산화물 연료전지의 장기적인 특성을 저해하는 요인이 되기 때문에 이러한 피막 내의 미 세 균열을 줄이고자 LSCF 분말에 25 wt.% Ag(5 vol.%)분말을 혼합 시킨 분말을 사용하였다. 열 플라즈마 용사 공정 변수로는 아르곤 가스 유량은 100 SCFH로 고정하고 열원의 enthalpy를 변화시키고자 2차 가스인 수소 유량을 5, 10, 15 SCFH로 변화시켰다. 초기 분말 및 코팅 층의 미세구조는 SEM, XRD를 통해 실시 하였으며, 코팅 특성 평가는 기공율, 미소경도, 접합강도, 내열 응력성, 가스투 과도, 내산화성, 전기전도도 등을 측정하여 분석하였다. Ag가 첨가된 LSCF/Ag 피막은 피막 내에 기공, 미세균열 등이 줄어듦으로써 LSCF 피막 보다 더 치밀한 조직이 형성되어 적층효율, 접합강도 등의 기계적 특 성이 향상되었다. 또한 Ag는 피막 내에서 LSCF와 LSCF splat 사이에 위치함으로 써 균열의 전파를 막는 역할을 하였다. 이는 열충격시험 및 가스투과도를 측정 하여 정성, 정량적으로 확인할 수 있었다. LSCF 및 LSCF/Ag가 코팅된 시편의 전 기전도도는 모재(STS430)에 비해 거의 2 order 이상 높은 것으로 나타났다. 초 기 시편의 전기전도도는 LSCF 코팅 시편이 LSCF/Ag 코팅 시편 보다 약간 높았 다. 하지만 시간에 따른 전기전도도 감소량이 LSCF/Ag가 코팅된 시편이 LSCF가 코팅된 시편 보다 작았다. 이는 Ag가 미세균열의 성장을 막아 모재와 코팅층 계 면에서의 산화물 성장을 막음으로써 STS430/LSCF 시편 보다 전기전도도의 감소 정도가 줄어들었다. 고체산화물 연료전지의 장기적인 측면으로 볼 때 STS430/LSCF-Ag가 STS430/LSCF보다 우수한 특성을 가지는 것으로 보인다. 결과 적으로 LSCF/Ag가 코팅된 시편은 LSCF에 비해 기계적 특성, 내산화성 및 장기적 인 특성이 우수한 것으로 관찰되었다.; Interconnect layers for solid oxide fuel cell (SOFC) were built up from spray-dried La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ) (LSCF) and blended LSCF-Ag composites on ferritic stainless steel substrate (STS430) by atmospheric plasma spraying (APS). Microstructure and phase of each coatings were analyzed through scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) respectively. Furthermore, bond strength, micro-hardness, thermal cycle test, oxidation test and electrical conductivity were measured and compared. The coatings prepared from spray-dried LSCF have higher porosity and cracks at inter-particle/inter-splat boundaries. However, the coatings prepared from LSCF-Ag reduced cracks and porosity due to relatively high ductility of silver. After oxidation test at 800℃ for 200 h, weight change of SUS430, LSCF and LSCF-Ag coated alloy were 0.06833, 0.01950, 0.01656 mg/cm2 respectively. Electrical conductivity of LSCF and LSCF/Ag coatings were higher than that of the STS430 by 2 order.