KR19990011580A - 용융탄산염형 연료전지용 분리판에 대한 내식 처리방법 및 분리판 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법 및 분리판에 관한 것이다. 상기의 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법은 스테인리스 스틸로 구성된 분리판에서 유로부 등을 마스킹 하는 단계와, 습식부의 표면을 아연과 알루미늄으로 차례로 코팅하거나, 아연-알루미늄 합금으로 코팅하는 단계 및, 상기 단계 후의 분리판을 확산 열처리하는 단계를 포함한다. 상기의 과정으로 인해, 알루미늄만을 코팅하여 내식처리 했을 때보다 저온에서 열처리하므로 박판의 변형이 줄어들고 내식층 내에 탄화물 등의 내부 결함을 줄일 수 있다는 우수성이 있다.

Description

용융탄산염형 연료전지용 분리판에 대한 내식 처리방법 및 분리판.

본 발명은 열변형과 내부결함을 최소화하기 위해 저온에서 열처리함을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법 및 그에 따라 제조된 용융탄산염형 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

연료전지란 반응물의 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환시키는 고효율, 저공해의 발전장치이다. 연료전지 본체를 구성하는 구성요소로는, 도 1에 도시된 일반적인 용융탄산염형 연료전지의 단면도를 참고해서 보면, 전기화학 반응이 일어나는 애노드(10) 및 캐소드(70), 전해질인 혼합탄산염을 함유하고 있는 전해질 매트릭스(100), 애노드 및 캐소드에서 발생하는 전기를 집적하고 반응가스(80과 90)를 전극으로 원활하게 전달해 주는 역할을 하는 전류집전체(20과 60), 그리고 반응가스의 유출입 및 전기의 흐름을 연결시켜주는 분리판(40) 등이 있다.

애노드 물질로는 니켈-크롬의 합금을, 캐소드 물질로는 산화니켈을 사용하며, 전해질은 몰비로 62%의 리튬 카보네이트-38%의 포타슘 카보네이트의 조성을 가지는 혼합 탄산염을 사용하며, 전해질 매트릭스는 리튬 알루미네이트를 사용하며, 애노드 전류집전체는 애노드 분위기에 안정한 니켈 또는 인코넬을 사용하며, 캐소드 전류집전체는 스테인리스 스틸 316L을 사용한다. 그리고 분리판의 재질은 스테인리스 스틸 316L 또는 310S를 사용하는게 보통이다.

용융탄산염형 연료전지용 분리판의 이른바 습식밀봉부(wet-seal area)(110)는 용융된 탄산염이 바로 맞닿는 곳으로, 종래에는 스테인리스 스틸로 제작된 분리판에서 스테인리스 스틸 표면에 부식이 매우 심각하게 발생하였다. 스테인리스 스틸 분리판에 대한 부식의 결과로는 다음과 같은 것들이 있다. 첫째, 탄산염 전해질의 손실이 크게 발생하여 내부저항 증가에 따른 성능감소가 발생하고, 둘째, 부식에 의해 생성된 부식생성물이 누적이 될 경우, 이 부식생성물이 연결되는 소위 전기단락(short-circuit)이 발생하여 전지수명을 크게 단축시킬 가능성이 높다.

상기와 같은 분리판의 습식밀봉부에 대한 내식처리 방법으로는 알루미늄 코팅이 가장 좋은 것으로 알려져 있다.

알루미늄 코팅법에는 물리증착법(physical vapopr deposition), 메탈 스프레이법(metal spray),슬러리법(slury), 용융도금법(hot-dip), 그리고 카로라이징(calorizing or pack cementation) 등이 이용되고 있다. 이러한 알루미늄 코팅 후에는 반드시 확산열처리(diffusion heat-treatment)과정이 필요하게 된다. 이때 순수 알루미늄만을 코팅하였을 때의 확산열처리 온도는 보통 800-1000℃이며, 이렇게 확산처리 온도가 높을 경우, 박판의 분리판에 열변형이 생길 수 있으며, 코팅층내에 탄화물 등의 내부결함이 발생하여 내식효과를 감소시킬 우려가 있다.

본 발명의 목적은 박판의 분리판에 변형이 줄어들고, 내식층내에 탄화물 등의 내부 결함을 줄일 수 있는 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 방법에 의한 용융탄산염형 연료전지용 분리판을 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 용융탄산염형 연료전지의 단면도를 나타낸다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 애노드 20: 애노드 전류집전체

30: 애노드 유로부 40: 분리판

50: 캐소드 유로부 60: 캐소드 전류집전체

70: 캐소드 80: 애노드 가스

90: 캐소드 가스 100: 전해질 매트릭스

110: 습식밀봉부

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법은:

분리판에서 유로부등을 마스킹 하는 제 1단계; 상기의 유로부등을 제외한 습식밀봉부의 표면을 코팅하거나 아연 전기 도금과 알루미늄 증기를 증착하는 제 2단계 및; 확산 열처리하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기의 제조방법에 의해 제조된 용융탄산염형 연료전지용 분리판에 있다.

이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시례를 상세히 설명한다. 그러나 하기한 실시례는 본 발명의 구성 및 효과를 입증하기 위한 본 발명의 일실시례일 뿐 본 발명이 하기한 실시례에 한정되는 것으로 해석해서는 안 된다. 먼저 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 제조방법을 상술하고, 상기의 방법에 따라 제조된 용융탄산염형 연료전지용 분리판에 관해 설명하기로 한다.

본 발명은 분리판의 습식밀봉부에 대한 내식처리하는 방법으로 알루미늄 코팅 또는 도금을 이용하며, 저온에서 열처리하여 내식성을 보이기 위해서 아연을 사용하고 있다. 즉, 저온에서 열처리하여 내식성을 보이기 위해서는 순수한 알루미늄과 더불어 녹는점을 낮추어 주기 위한 제 2의 금속이 필요하기 때문에, 본 발명에서는 내식성이 우수하고 알루미늄과 합금형성이 용이한 아연을 제 2의 금속으로 설정하였다. 아연과 알루미늄은 약 382℃에서부터 열처리함을 특징으로 한다.

우선 본 발명의 바람직한 실시례에 따른 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법은 마스킹 단계와, 코팅 또는 도금 및 증기 증착 단계 및, 열처리 단계로 구별되어질 수 있다.

마스킹 단계는 도 1에서와 같은 형태의 스테인리스 스틸로 제작된 분리판에 있어서, 내식처리하고자 하는 습식밀봉부를 제외한 유로부등에 내열 테잎으로 마스킹을 한다. 분리판의 재질은 스테인리스 스틸 316L 또는 310S를 사용하는 것이 바람직하다.

상기의 마스킹 후 내식처리하고자 하는 습식밀봉부의 표면을 코팅하거나 전기 도금 및 증기 증착을 한다.

습식밀봉부의 표면 코팅은, 습식밀봉부의 표면을 산화알루미나로 가볍게 블라스트 처리한 후, 와이어용사기 또는 분말용사기를 이용하여, 아연을 용사하고 그 위에 알루미늄을 용사하거나, 또는 아연-알루미늄을 용사한다.

즉, 아연 와이어 용사 또는 미립 아연 분말 용사를 실시하고, 아연이 용사된 표면 위에 알루미늄 와이어 용사 또는 미립 알루미늄 분말 용사를 실시하거나, 또는 아연-알루미늄 합금 와이어 용사 또는 미립 분말 용사를 실시한다. 이때 아연-알루미늄 합금의 조성은 무게비로 20 내지 50%의 아연과 50 내지 80%의 알루미늄으로 구성된 것이 적당하다.

상기에서, 아연 용사층의 두께는 10 내지 50㎛가 바람직하며, 알루미늄 용사층의 두께는 30 내지 100㎛가 바람직하다. 또한 아연-알루미늄 합금 용사층의 두께는 30 내지 100㎛가 적당하다.

습식밀봉부 표면의 전기도금으로는 염화아연 또는 황산아연 욕조에서 아연 전기 도금을 실시하는 것이 바람직하다. 이때 아연 도금층의 두게는 10 내지 50㎛가 적당하다. 아연 전기 도금 후 진공로에서 물리증착법의 일종인 스퍼티링 방법으로 알루미늄 증기를 증착시킨다. 이때 알루미늄을 20 내지 80㎛ 두께로 진공증착하는 것이 적당하다.

상기의 코팅과 도금 및 증기 증착을 실시한 후, 분리판을 확산열처리한다. 분리판의 확산열처리는 수소가 10 내지 50% 함유된 질소분위기로에서 하는 것이 적 당하다. 이때 확산열처리는 400 내지 500℃에서 1내지 30시간 유지하고, 600 내지 800℃에서 2시간 내지 10시간 열처리하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법 및 분리판은 알루미늄만을 코팅하여 내식처리 하였을 때보다 저온에서 열처리하므로 박판의 면형이 줄어들고, 내식층내에 탄화물 등의 내부 결함을 줄일 수 있다는데 우수성이 있다.

Claims (6)

1. 스테인리스 스틸로 구성된 용융탄산염형 연료전지용 분리판에 대한 내식처리방법에 있어서:

   상기 분리판에서 유로부등을 마스킹 하는 제 1단계;

   상기의 유로부등을 제외한 습식부등의 표면을 아연과 알루미늄을 사용하여, 코팅하는 제 2단계 및;

   상기의 코팅 후 표면을 확산 열처리하는 제 3단계를 포함하는 용융탄산염형 연료전지용 분리판에 대한 내식처리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코팅 방법은 아연과 알루미늄을 각각 10 내지 50㎛와 30 내지 100㎛의 두께로 차례로 코팅하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 코팅 방법은 아연과 알루미늄이 무게비로 20 내지 50%와 30 내지 80%로 조성된 아연-알루미늄 합금을 30 내지 100㎛의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 코팅 방법은 염화아연 또는 황산아연 욕조에서 아연을 10 내지 50㎛의 두께로 전기 도금하고 알루미늄을 20 내지 80㎛의 두께로 진공 증착하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 3단계는 수소가 10 내지 50%함유된 질소분위기로에서, 400 내지 300℃에서 1시간 내지 30시간 유지하고, 600 내지 800℃에서 2시간 내지 10시간 열처리되는 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지용 분리판의 내식처리방법.
6. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 용융탄산염형 연료전지용 분리판.