KR100196008B1 - 용융탄산염 연료전지용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지용 분리판에 관한 것이다. 판상의 피처리물질에 Al_xNi_y합금금속(x=25-75atom%, y=25-75atom% x+y=100)을 코팅하여 된 것으로, 용융탄산염 연료전지용 분리판으로 사용할 때 용융탄산염에 대한 내식성을 갖게 한 것이다.

Description

용융탄산염 연료전지용 분리판

제1도는 본 발명이 적용되는 분리판-전극-맥트리스로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 단면도.

제2도는 제1도 표시의 음극쪽의 분리판에 대한 평면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10a,10b : 분리판 40 : 전해질을 지지하는 매트릭스

60 : A1-N:합금이 코팅된 스테인레스판

70 : Ni이 코팅된 스테인레스판

본 발명은 천연가스를 개질한 가스를 연료로 하고 공기를 산화재로 하는 용융탄산염 연료전지 분리판에 관한 것으로, 특히 저가로 제조할 수 있으며 용융탄산염에 내식성을 보이는 연료건전지 분리판에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지란 반응물의 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환시키는 고효율, 저공해의 발전장치이다. 연료전지 본체를 구성하는 구성요소로는 제1도에 표시된 도면을 참고하면, 전기화학반응이 일어나 전극들(30a,30b)와, 전해질인 용융탄산염을 지지하는 매트릭스(40)과 그리고 반응가스의 유출입 및 전기의 흐름을 연결시켜주는 분리판들(10a,10b)가 있다. 전극물질로는 Ni-Cr과 NiO를 사용하며, 전해질은 62㏖% Li₂Co₃-38㏖% K₂CO₃의 조성을 가지는 혼합탄산염을, 매트릭스는 LiAlO₂를 사용하며, 분리판의 재질은 스테인리스 스틸이다. 특히 용융탄산염 연료전지는 650℃의 고온에서 작동하기 때문에 전해질과 접촉하게 되는 이른바 습기씨일(wet-seal)(50)의 부식을 막기 위해 이 부위에 Al코팅을 하는 방법이 이용되고 있다. Al코팅의 일반적인 방법으로는 용융된 Al도가니에 분리판을 침적시키는 법(용융Al 도금), Al과 NH₄Cl, Al₂O₃등을 혼합하여 열처리 시켜 Al을 분리판에 확산시키는 방법(카로라이징) 또는 Al을 증기로 기화시켜 증착시키는 방법(물리증착법)과 Al을 모재(母材)에 분사시키는 방법(spray) 등이 있다. 이렇게 Al이 코팅된 모재에 확산층을 생성시키게 하기 위해 열처리 과정이 필요하다. 이때 열처리 온도는 대략 700∼1100℃이며 분위기는 20% 수소 -80% 불활성 기체이다. 확산열처리된 모재에는 Al-Fe과 미량의 Al-Ni 화합물이 생성되어 용융탄산염에 대한 부식을 일정동안 막아 주게 된다. 그러나, 일반적인 Al코팅방법으로 제조된 분리판은 용융탄산염에 대한 내식성이 충분하다고 할 수 없다. 그 이유는 Al코팅 후 확산처리된 분리판의 표면에 생기는 Al-Fe 화합물이 용융탄산염 속에서 장시간 내식성을 지속하지 못하기 때문이다. 또한 확산열처리에는 고가의 열처리로가 필요하기 때문에 저가의 분리판을 제조하는 데에 장해가 되며, 박판의 경우 고온의 열처리과정중에 변형될 위험이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 제결점들을 해소하고 판상의 피처리물에 Al과 Ni의 합금(이하“Al-Ni 합금”이라 한다)을 코팅 처리하여, 용융탄산염에 대한 내식성과 아울러 열처리공정의 생략으로 저가로 제조할 수 있도록 한 용융탄산염 연료전지용 분리판을 제고하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 연료전지용 분리판에 있어서, 소정넓이의 판상의 피처리물 및 피처리물에 소정의 두께로 코팅된 Al-Ni합금을 포함하는 용융탄산염 연료전지용 분리판에 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명의 분리판이 적용되는 용융탄산염전지의 단면도를, 제2도는 제1도 표시의 음극쪽의 분리판의 평면도를 각각 나타낸 것으로, 연료전지본체의 구성요소는 전기화학 반응이 일어나는 전극들(30a,30b)와, 이 전극들(30a,30b)의 사이에 위치된 전해질인 용융탄산염을 지지하는 매트릭스(40)과 그리고 반응가스의 유출입 및 전기의 흐름을 연결시켜 주는 분리판들(10a,10b)가 있다.

본 발명은 상기 분리판들(10a,10b)을 Al-Ni합금이 코팅된 분리판으로 제조하는 것으로, 제2도에 표시된 도면부호(60)이 스테인리스스틸에 Al-Ni합금이 코팅된 본 발명의 분리판을 나타낸 것이고, (70)은 Ni이 코팅된 스테인리스스틸판이다. 그러면, 이하에서 본 발명의 Al-Ni합금이 코팅된 분리판의 제조예를 설명한다.

분리판들의 모재(母材)인 소정넓이의 스테인리스스틸판에 Al-Ni합금을 코팅하여 일정두께의 도장층을 형성한다. 이 때 Al-Ni합금으로는 AlNi, Al₂Ni₃, Al₃Ni₂, Al₃Ni 등이 바람직하다. 코팅방법으로는 spray법이나 물리증착법(physical vapor deposition)등이 가능하다. 코팅층의 두께는 10㎛이상으로 하면 된다. 보통 spray법이나 물리증착법으로 Al코팅을 하게 되면 Al층과 모재 사이에 확산층을 생성시키게 하기 위해 열처리과정이 필요하다. 하지만 본 발명에서는 열처리 공정이 불필요하다. 그 이유는 Al-Ni합금이 코팅된 모재를 사용하여 용융탄산염 연료전지의 분리판으로 제작한 뒤 연료전지 조업과정에서 650℃의 열을 가하게 되면 분리판의 표면에 얇은 확산층이 생기게 되기 때문이다. 만약 Al-Ni합금이 아닌 Al만이 코팅된 분리판을 열처리하지 않고 용융탄산염 연료전지에서 사용하게 되면 Al의 융점이 660℃이므로 조업과정에 Al이 녹아버리고 만다. 그러나 본 발명에서 사용되는 Al-Ni합금은 용융탄산염에 대한 내부식성이 매우 높기 때문에 Al-Ni합금이 코팅된 스테인리스스틸을 분리판으로 사용하였을 때 용융탄산염속에서 장시간 내식성을 갖게 된다.

이에 대한 실시예들을 다음에 몇가지 기술하였다.

[실시예 1]

2㎜ 두께의 스테인리스스틸(이하 SUS라고 한다) 316L에 Al-Ni합금분말을 사용하여 flame spray 하였다. 모재의 전처리는 탈지 후 SUS의 변형을 최소화하기 위해 샌드 블라스트(sand blast)를 하였으며, 코팅의 두께는 약 70㎛으로 하였다. 이렇게 Al-Ni합금이 코팅된 시편위에 62㏖% Li₂CO₃-38㏖% K₂CO₃의 조성을 가지는 탄산염 가루를 올리고 CO₂분위기의 650℃의 로속에서 200시간 동안 부식시켰다. 부식실험 후의 시편을 주사전자현미경으로 관찰해 본 결과 모재의 부식은 없었다.

[실시예 2]

2㎜ 두께의 SUS 316L에 Al-Ni합금을 사용하여 진공로속에서 물리증착법의 일종인 이온 스퍼터링을 하였다. 모재의 전처리는 탈지 및 초음파세척 등을 행하였으며, 진공로의 진공도는 5×10^-6torr였다. 코팅의 두께는 약 30㎛으로 하였다. 이 시편을 실시예 1에서와 마찬가지의 방법으로 부식실험하였다. 부식실험 후의 시편을 주사전자현미경으로 관찰해 본 결과 모재의 부식은 없었다.

이상과 같이 Al과 Ni의 합금을 spray법이나 물리증착법 등으로 코팅히여 열처리하지 않고 용융탄산염 연료전지의 분리판의 재료로 사용하였다. 이 코팅된 재료는 열처리 공정이 필요하지 않기 때문에 고가의 열처리 장비를 사용할 필요가 없었으며 고온 열처리로 인한 모재의 변형을 방지할 수 있었다. 이 시편을 용융탄산염하에서 부식시켰을 때 모재의 부식도 관찰되지 않았다.

Claims (2)

1. 스테인레스 스틸에 Al-Ni합금이 코팅되는 용융탄산염 연료전지 분리판의 제조방법에 있어서, 코팅의 두께가 10㎛로 되게 스프레이에 의하여 코팅하며, 열처리를 하지 않는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서 전처리는 탈지 및 초음파세척을 하며, 진공도가 5×10^-6torr인 진공로속에서 이온 스퍼터링을 하는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료전지용 분리판 제조방법.