KR100906619B1 - 고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 가열장치 및 이를 이용한 고체산화물 연료전지용 금속분리판의 열 플라즈마 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 플라즈마 코팅법을 이용하여 고체산화물형 연료전지용 금속분리판에 전도성 코팅재료를 코팅할 때 금속분리판과 코팅재료의 온도차에 따른 열충격을 저감할 수 있도록 금속분리판을 가열하는 장치 및 이를 이용한 금속분리판의 열 플라즈마 코팅방법에 관한 것이다.

본 발명은 고체산화물 연료전지용 금속분리판을 150∼300℃로 가열하는 것을 요지로 하며, 고체산화물형 연료전지용 금속분리판에 대한 열 플라즈마 코팅시 금속분리판과 코팅재료와의 온도차를 저감함으로써 열충격을 최소화하게 된다.

따라서, 본 발명에 따르면, 금속분리판의 표면에 미세 기공이나 미세 균열이 최소화된 치밀한 코팅층을 형성할 수 있게 되어, 고온에서 고체산화물 연료전지의 작동시 출력의 손실을 저감하게 되고, 금속분리판의 장기 내구성과 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.

열 플라즈마 코팅, 고체산화물형 연료전지, 금속분리판, 온도차, 가열

Description

고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 가열장치 및 이를 이용한 고체산화물 연료전지용 금속분리판의 열 플라즈마 코팅방법{Heating device of metallic interconnect for solid oxide fuel cell and coating method of the interconnect using the same}

본 발명은 고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 열 플라즈마 코팅에 관한 것으로서, 특히 열 플라즈마 코팅법을 이용하여 고체산화물형 연료전지용 금속분리판에 전도성 코팅재료를 코팅할 때 금속분리판과 코팅재료의 온도차에 따른 열충격을 저감할 수 있도록 금속분리판을 가열하는 장치 및 이를 이용한 금속분리판의 열 플라즈마 코팅방법에 관한 것이다.

최근 산업 발달과 경제 성장에 따라 전력 수요가 점차 증가하고 있는 추세에서, 전력 생산에 필요한 석유나 석탄과 같은 화석 연료의 사용으로 인해 대기오염과 기상이변 등의 환경 문제가 심각하게 대두되고 있는 실정이다. 특히, 화석 연료의 사용에 따른 이산화탄소의 배출은 지구 온난화와 각종 환경 오염의 주범으로 지 목되고 있기 때문에, 화석 연료를 대체할 청정 에너지원으로서 태양광/태양열 에너지, 바이오 에너지, 풍력 에너지, 수소 에너지에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 청정 에너지원 중에 수소를 연료로 하는 연료전지 분야에 대한 연구도 활발한데, 연료전지는 발전(發電)에 따른 공해물질의 배출이 없기 때문에 미래의 발전 기술로 평가되고 있으며, 발전소 건설에 필요한 부지 및 송/변전 시설이 요구되지 않아 우리나라의 실정에 매우 적합한 대체 에너지로 주목되고 있다.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC : Solid Acid Oxide Fuel Cell), 고체 고분자 전해질형(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell 또는 PEMFC : Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 등으로 분류되며, 그 작동 온도는 인산형이 약 200℃, 용융탄산염형이 약 650℃, 고체산화물형이 약 1000℃, 고체 고분자 전해질형이 약80℃ 전후이다.

이 가운데, 고체산화물형 연료전지는 산소 이온 전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는데, 연료전지로서의 효율이 가장 높을 뿐만 아니라, 가스 터빈과의 열병합 발전에 의한 발생열을 포함하여 효율을 85%까지 향상시킬 수 있으며, 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또, 고체산화물형 연료전지의 전해질은 고체상이기 때문에 전해질의 손실과 보충이 불필요하고, 귀금속 촉매를 사용할 필요가 없으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다.

이러한 고체산화물형 연료전지의 단전지(unit cell) 출력성능은, 여러 분극 손실(polarization loss) 등과 같은 원인에 의해 감소하기도 하고, 고체산화물 연료전지의 단전지를 분리판 사이로 여러 장 적층할 때 분리판과 전지와의 접촉 저항으로 인해 영향을 받기도 한다.

현재, 고체산화물 연료전지의 금속분리판 소재로는 STS430, STS444와 같은 스테인리스강이 사용되고 있는데, 새로이 개발된 크로퍼(Crofer 22 APU)가 사용될 수도 있지만 상용화시 요구되는 4만 시간까지의 내구성 발현이 매우 어려운 실정이며, 이를 위해 새로운 합금의 개발과 기존 소재의 표면에 전도성 세라믹을 코팅하는 기술의 연구가 필요하다.

고체산화물형 연료전지용 금속분리판에 전도성 세라믹을 코팅하는 방법으로는 습식 스프레이 코팅법(Wet spray coating), 열 플라즈마 코팅법(Thermal plasma process), 전기도금법(Electroplating), 화학기상증착법(CVD), 물리기상증착법(PVD) 등이 시도되고 있다.

특히, 최근에 시도되고 있는 열 플라즈마 코팅법은 고온의 플라즈마를 이용한 코팅법으로서, 코팅시 금속분리판(기판)과 코팅재료의 온도차로 인한 열충격에 의해 코팅층에 미세 균열 및 미세 기공이 형성되는 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은, 열 플라즈마를 이용한 고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 코팅시 금속분리판(기판)과 고온의 코팅재료와의 온도차를 저감함으로써 열충격을 최소화하여 치밀한 코팅층을 형성할 수 있는 고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 가열장치 및 이를 이용한 고체산화물 연료전지용 금속분리판의 열 플라즈마 코팅방법을 제공하는 데에 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고체산화물 연료전지용 금속분리판이 안착되는 평판형으로 이루어지며 상기 금속분리판을 150∼300℃로 가열하는 발열판과, 상기 발열판의 저면부에 위치하여 상기 발열판에 열을 제공하는 히터와 이 히터의 가열온도를 제어하는 제어부를 구비한 히팅수단과, 상기 히터의 저면부에서 상기 히터의 발열판과 접하지 않는 부위를 단열하는 단열부재와, 상기 발열판과 히터 및 단열부재를 수용하는 케이스 및, 상기 케이스의 외측에 설치되어 상기 금속분리판을 상기 발열판 상에 고정시키는 클램프를 포함하여 이루어진 고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 가열장치를 개시한다.

상기 히터와 상기 단열부재 사이에는 히터로부터 상기 발열판으로 균일한 온도구배로 열이 전달되도록 하기 위한 히터 보조패널이 더 구비될 수도 있다.

한편, 본 발명은, 상기 가열장치에 구비된 발열판 상에 금속분리판을 배치하고, 상기 발열판에 의해 상기 금속분리판을 150∼300℃의 온도로 가열하면서, 불활성 가스 분위기 하에서 상기 금속분리판의 표면에 열 플라즈마를 분사하여 전도성 코팅재료를 코팅하는 구성을 포함하는 가열장치를 이용한 고체산화물 연료전지용 금속분리판의 열 플라즈마 코팅방법을 개시한다.

상기 열 플라즈마의 분사는, 상기 금속분리판을 상대로 100∼200mm의 간격으로 배치되어 300∼400mm/s의 속도로 이동하는 스프레이 건에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 고체산화물형 연료전지용 금속분리판에 대한 열 플라즈마 코팅시 금속분리판과 코팅재료와의 온도차를 저감함으로써 열충격을 최소화하게 된다.

따라서, 금속분리판의 표면에 미세 기공이나 미세 균열이 최소화된 치밀한 코팅층을 형성할 수 있게 되어, 고온에서 고체산화물 연료전지의 작동시 출력의 손실을 저감하게 되고, 금속분리판의 장기 내구성과 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설 명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

첨부도면 도 1은 본 발명의 가열장치가 적용되는 고체산화물형 연료전지용 금속분리판을 나타낸 것으로서, 금속분리판(1)은 기계가공과 표면처리를 거쳐 열 플라즈마 코팅법과 같은 공정에 의해 표면이 전도성 재료(예컨대, 전도성 세라믹)로 코팅이 이루어지게 된다.

상기 금속분리판(1)의 형태와 사이즈는 기계가공에 의해 구성이 되며, 표면처리공정에서는 샌드블라스터(sandblaster)를 이용하여 파티클 사이즈 15∼45㎛의 산화알루미늄(Al₂O₃)과 같은 분사재에 의해 금속분리판(1)의 표면에 거칠기가 부여됨으로써 금속분리판(1)의 표면적이 증가하게 되어 코팅시 금속분리판(1)과 코팅재료의 접착력이 좋아지게 된다.

도 2는 상기와 같이 표면처리가 이루어진 금속분리판(1)을 상대로 열 플라즈마 코팅을 수행할 때 사용하기 위한 본 발명의 가열장치에 대한 실시예를 나타낸 사시도이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 가열장치는, 금속분리판(1)을 가열하기 위한 발열판(11)과, 이 발열판(11)에 열을 제공하는 히팅수단(12)과, 상 기 발열판(11) 이외의 부위에 대해 열전달을 차단하는 단열부재(13)와, 상기 구성 요소들을 수용하는 케이스(14), 그리고 이 케이스(14)에 설치되어 금속분리판(1)을 발열판(11)에 고정시키는 클램프(15)를 포함한 구성으로 이루어져 있다. 각 구성 요소별로 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 발열판(11)은 대략 150×200mm의 사이즈를 갖는 고체산화물 연료전지용 금속분리판(1)의 규격 보다 큰 평판형으로 이루어져, 금속분리판(1)이 안착될 수 있게 되어 있다. 발열판(11)은 SUS430과 같은 스테인레스강 등의 소재로 제작되며, 금속분리판(1)을 150∼300℃의 온도로 가열하게 된다.

상기 히팅수단(12)은 히터(12a)와 이 히터(12a)를 제어하는 통상적인 제어부(12b)로 구성되어 있는데, 히터(12a)는 SiC(Silicon Carbide)와 같은 저항체로 이루어진 플레이트 구조로 되어 발열판(11)의 저면부와 접하도록 배치된 상태에서 발열판(11)을 가열하게 된다. 제어부(12b)는 히터(12a)의 가열온도를 제어하는데, 발열판(11)에 의한 금속분리판(1)의 가열온도가 150∼300℃ 범위에서 벗어나지 않도록 히터(12a)의 승온/강온 한계를 제어한다.

상기 단열부재(13)는 히터(12a)의 저면부에서 발열판(11)에 접하지 않는 히터(12a)의 저면부나 측면부를 단열하게 된다. 단열부재(13)는 일반적인 내화벽돌로 구성되며, 열 플라즈마 코팅장치의 위치를 고려하여 적절한 높이와 면적으로 구축되는 것이 바람직하다.

상기 케이스(14)는 전술한 발열판(11)과 히터(12a) 및 단열부재(13)를 수용하게 되며, 후술하는 클램프(15)가 금속분리판(1)을 견고하게 고정시킬 수 있도록 안정성과 견고성을 갖춘 금속성 소재로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 클램프(15)는 케이스(14)의 외측 즉 좌·우 측단에 한 쌍이 설치됨으로써 금속분리판(1)을 발열판(11) 상에 고정시키는 역할을 한다. 이 클램프(15)는 케이스(14)의 측벽으로부터 수직하게 연장되면서 발열판(11)의 에지(edge) 부위 위로 수평하게 절곡된 구조의 브래킷(15a)과, 이 브래킷(15a)의 수평한 부위에 체결되어 발열판(11)의 에지 부위를 상대로 수직방향으로 작동하는 볼트(15b)로 구성되어 있다. 따라서, 발열판(11) 상에 금속분리판(1)이 놓여진 상태에서 브래킷(15a)에 조립된 볼트(15b)를 조이거나 푸는 조작에 의해 금속분리판(1)이 발열판(11) 상에 견고하게 고정되거나 자유롭게 된다.

한편, 히터(12a)와 단열부재(13) 사이에는 히터(12a)로부터 발열판(11)으로 균일한 온도구배로 열이 전달되도록 하기 위한 히터 보조패널(16)이 더 구비될 수 있다. 이 히터 보조패널(16)은 발열판(11)과 마찬가지로 SUS430과 같은 스테인레스강 등의 소재로 이루어진다.

위와 같이 구성된 본 발명의 금속분리판 가열장치를 이용하여 금속분리판(1)을 열 플라즈마 코팅하는 방법은 다음과 같이 이루어진다.

먼저, 가열장치에 구비된 발열판(11) 상에 금속분리판(1)을 견고하게 고정 배치한다. 그리고, 가열장치의 히팅수단(12)을 작동시켜 발열판(11)에 의해 금속분리판(1)을 150∼300℃로 가열한다. 금속분리판(1)의 가열온도가 150∼300℃의 범위를 벗어나게 되면 열 플라즈마에 의한 코팅층에 미세 기공이나 미세 균열이 발생하 게 되고, 이는 금속분리판(1)의 내산화 코팅에 적합하지 않게 된다. 즉, 고체산화물 연료전지는 고온영역(600∼800℃)에서 작동하기 때문에 금속분리판(1)의 고온 부식 방지가 매우 중요한데, 코팅층이 치밀해야 외부로부터 확산되는 산소를 차단하여 부식의 속도를 늦출 수 있고, 열화된 금속으로부터 휘발되는 원소의 이동을 억제할 수가 있다. 따라서, 금속분리판(1)의 가열온도는 상기 온도 범위를 만족하여야 한다.

한편, 금속분리판(1)에 대한 열 플라즈마 코팅 작업시 산화와 같은 화학반응을 방지할 수 있도록 불활성 가스 분위기를 조성하는 통상적인 가스 공급 수단(도시되지 않음)이 가열장치 외측에 배치된다. 상기 가스 공급 수단으로부터 공급되는 불활성 가스는 아르곤(Ar)의 경우 30∼40ℓ/분, 헬륨(He)의 경우 35∼45ℓ/분의 조건으로 공급되는 것이 바람직하다.

또, 금속분리판(1)의 위쪽으로는 금속분리판(1)의 표면에 열 플라즈마를 분사하기 위한 스프레이 건(spray gun : 도시되지 않음)이 배치되는데, 이 스프레이 건은 금속분리판(1)을 상대로 100∼200mm의 간격으로 배치되어 300∼400mm/s의 속도로 이동하면서 열 플라즈마를 분사한다. 스프레이 건과 금속분리판(1)의 간격, 그리고 스프레이 건의 이동속도가 상기 범위로 한정되어야 하는 것은, 반복 실험 결과 금속분리판(1)의 표면에 코팅재료가 균일하고 안정적으로 코팅되는 데에 가장 적합하기 때문이다.

이와 같이 본 발명에서는 발열판(11)에 의해 금속분리판(1)을 150∼300℃의 온도로 가열하면서, 불활성 가스 분위기 하에서 금속분리판(1)의 표면에 열 플라즈 마를 분사하여 전도성 코팅재료를 코팅하게 된다. 이때 전도성 코팅재료로는 (La_0.8Sr_0.2)MnO₃ 등이 사용된다.

도 3a는 금속분리판을 가열하지 않은 조건에서 열 플라즈마 코팅을 수행한 금속분리판의 코팅층에 대한 전자 현미경 사진이고, 도 3b는 본 발명에 따른 코팅방법에 의해 금속분리판을 가열한 조건에서 열 플라즈마 코팅을 수행한 금속분리판의 코팅층에 대한 전자 현미경 사진이다.

먼저, 도 3a와 같이 금속분리판을 가열하지 않은 상태로 열 플라즈마 코팅을 수행했을 경우, 미세한 기공들과 균열들이 발생하였음을 알 수 있다.

반면에, 도 3b와 같이 본 발명에 따라 금속분리판을 가열한 상태로 열 플라즈마 코팅을 수행했을 경우에는 코팅층의 결함이 현저히 감소하였음을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 코팅방법이 적용된 금속분리판의 전기적 특성을 고온에서 평가한 그래프이다.

금속분리판을 가열한 조건에서 금속분리판의 표면에 전도성 코팅재료인 (La_0.8Sr_0.2)MnO₃ 을 열 플라즈마 코팅하였을 때, 시편 a∼d의 면특성저항(area specific resistance)이 고온 내구성 실험 약 2000시간 동안 7∼10mΩ㎠의 낮은 값을 유지하는 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명의 가열장치가 적용되는 고체산화물형 연료전지용 금속분리판을 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 가열장치에 대한 실시예를 나타낸 사시도이다.

도 3a는 금속분리판을 가열하지 않은 조건에서 열 플라즈마 코팅을 수행한 금속분리판의 코팅층에 대한 전자 현미경 사진이다.

도 3b는 본 발명에 따른 코팅방법에 의해 금속분리판을 가열한 조건에서 열 플라즈마 코팅을 수행한 금속분리판의 코팅층에 대한 전자 현미경 사진이다.

도 4는 본 발명에 따른 코팅방법이 적용된 금속분리판의 전기적 특성을 고온에서 평가한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 금속분리판 11 : 발열판

12 : 히팅수단 12a : 히터

12b : 제어부 13 : 단열부재

14 : 케이스 15 : 클램프

15a : 브래킷 15b : 볼트

16 : 히터 보조패널

Claims (4)

1. 고체산화물 연료전지용 금속분리판이 안착되는 평판형으로 이루어지며 상기 금속분리판을 150∼300℃로 가열하는 발열판;

   상기 발열판의 저면부에 위치하여 상기 발열판에 열을 제공하는 히터와 이 히터의 가열온도를 제어하는 제어부를 구비한 히팅수단;

   상기 히터의 저면부에서 상기 히터의 발열판과 접하지 않는 부위를 단열하는 단열부재;

   상기 발열판과 히터 및 단열부재를 수용하는 케이스; 및

   상기 케이스의 외측에 설치되어 상기 금속분리판을 상기 발열판 상에 고정시키는 클램프를 포함하여 이루어지는 고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 가열장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 히터와 상기 단열부재 사이에는 히터로부터 상기 발열판으로 균일한 온도구배로 열이 전달되도록 하기 위한 히터 보조패널이 더 구비된 것을 특징으로 하는 고체산화물형 연료전지용 금속분리판의 가열장치.
3. 청구항 제1항의 가열장치에 구비된 발열판 상에 금속분리판을 배치하고,

   상기 발열판에 의해 상기 금속분리판을 150∼300℃의 온도로 가열하면서,

   불활성 가스 분위기 하에서 상기 금속분리판의 표면에 열 플라즈마를 분사하여 전도성 코팅재료를 코팅하는 구성을 포함하는 가열장치를 이용한 고체산화물 연료전지용 금속분리판의 열 플라즈마 코팅방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 열 플라즈마의 분사는, 상기 금속분리판을 상대로 100∼200mm의 간격으로 배치되어 300∼400mm/s의 속도로 이동하는 스프레이 건에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열장치를 이용한 고체산화물 연료전지용 금속분리판의 열 플라즈마 코팅방법.

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