KR20030023081A - Separartor for Molten Carbonate Fuel Cell and Method for heating thereof and Molten Carbonate Fuel Cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력용 발전설비 등에 사용되는 용융탄산염 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AlFe단상의 알루미늄 코팅층을 갖어 내식성이 우수한 연료전지의 분리판과 알루미늄 코팅층이 AlFe단상을 갖도록 하는 분리판의 열처리방법 및 이 분리판으로 구성되는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a molten carbonate fuel cell used in power generation equipment for power generation, and more particularly, a heat treatment of a separator plate of a fuel cell having an AlFe single phase aluminum coating layer and an aluminum coating layer having an AlFe single phase having excellent corrosion resistance. It relates to a method and a fuel cell composed of the separator.
연료전지는 연료가스(수소)와 산화제 가스(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 새로운 발전시스템이다. 연료전지는 전력용 발전설비, 항공우주기지의 전원, 해상 또는 해안에 있어서의 무인시설의 전원, 고정 또는 이동무전의 전원, 자동차용 전원, 가정용 전기기구의 전원 또는 레저용 전기기구의 전원 등으로 각 분야에서 관심 있게 검토되고 있다.A fuel cell is a new power generation system that converts energy generated by electrochemical reaction between fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (oxygen) directly into electrical energy. Fuel cells include power generation facilities, power from aerospace stations, power from unmanned facilities at sea or coast, power from fixed or mobile radios, power from automobiles, power from household appliances, and power from leisure electrical appliances. Interested review in each field.
연료전지를 구분하면, 고온(약 650℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 약 200℃ 근방에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 및 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 전해질형 연료전지 등이 있다.The fuel cell may be classified into a molten carbonate electrolyte fuel cell operating at a high temperature (about 650 ° C.), a phosphate electrolyte fuel cell operating at about 200 ° C., an alkaline electrolyte fuel cell operating at a temperature from about 100 ° C. or less, And solid electrolyte fuel cells operating at high temperatures of 1000 ° C. or higher.
이들 중, 현재 가장 실용화가 진전되어 있는 것은 인산 전해질형 연료전지이지만, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC)가 연료로서 수소와 함께 일산화탄소의 사용이 가능하고 고온에서 작동되므로 반응속도가 빠르고 백금 등의 고가의 촉매가 필요 없으며 다량의 폐열회수 및 그 이용이 가능하다는 면에서 장점을 가지고 있다. 또한 연료전지 내에서 천연가스의 개질을 시도할 수 있으며,천연가스, 나프타, 메탄올, 석탄기화가스 등으로 연료의 다변화를 도모할 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있다. 용융탄산염 연료전지는 4만 시간의 수명이 보장되어야 하므로, 연료전지에 사용되는 각종 재료의 부식문제가 가장 중요하게 거론되고 있다. 특히 용융탄산염 연료전지의 부품중 하나인 분리판의 내구성을 증가시켜야 4만 시간의 수명을 보장받을 수 있다.Among these, phosphate electrolyte fuel cells are the most advanced ones at present, but since molten carbonate fuel cells (MCFCs) can use carbon monoxide together with hydrogen as fuel and operate at high temperature, the reaction rate is high. It does not require fast and expensive catalysts such as platinum, and has a merit in that a large amount of waste heat recovery and its use are possible. In addition, the natural gas can be reformed in the fuel cell, and natural gas, naphtha, methanol, and coal vaporization gas can be used to diversify fuels. Since molten carbonate fuel cells have a guaranteed life of 40,000 hours, the corrosion problem of various materials used in fuel cells is most important. In particular, the durability of the separator, which is one of the components of the molten carbonate fuel cell, needs to be increased to guarantee a life of 40,000 hours.
도 1에 나타난 바와 같이, 용융탄산염 연료전지(100)은 단위전지(unit cell)를 적층하여 대용량의 전지가 되는데, 각 단위전지를 분리하는 역할을 하면서 반응가스의 통로역할을 하는 것이 분리판(50)이다. 즉, 단위전지는 분리판(50)의 사이의 중앙에 전해질판(30)이 위치하고, 전해질판(30)의 양측에 양전극(10)과 음전극(20)이 위치하며, 분리판(50)과 양전극(10) 및 음전극(20)사이의 각각에는 집전판(40)이 위치한 구조를 갖는다.As shown in FIG. 1, the molten carbonate fuel cell 100 becomes a large-capacity battery by stacking unit cells, which serves to separate each unit cell, and serves as a passage for the reaction gas. 50). That is, in the unit cell, the electrolyte plate 30 is positioned at the center between the separator plates 50, and the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are positioned at both sides of the electrolyte plate 30, and the separator plate 50 and Each of the positive electrode 10 and the negative electrode 20 has a structure in which a current collector plate 40 is located.
분리판(50)의 가장자리는 전해질판(30)과 집적적으로 접촉하는데, 이 전해질판에는 전해질로서 고온에서 작동하는 탄산염이 함침되어 있다. 따라서, 분리판의 가장자리는 고온(약 650℃)의 용융탄산염과 직접적으로 접촉하기 때문에 고온부식이 발생하여 내구성이 단축된다. 분리판에서 전해질판과 직접접촉하는 부위를 습식밀봉부(wet-seal area, 54)라 한다. 그리고, 분리판에는 집전판이 접촉하는 가스채널부(52)가 형성된다.The edge of the separator 50 is in contact with the electrolyte plate 30 in an integrated manner, which is impregnated with a carbonate that operates at high temperature as an electrolyte. Therefore, the edge of the separator is in direct contact with the molten carbonate at high temperature (about 650 ° C.), thereby causing high temperature corrosion and shortening durability. The area in direct contact with the electrolyte plate in the separator plate is called a wet-seal area (54). The separation plate is provided with a gas channel portion 52 in contact with the current collector plate.
일반적으로 분리판의 내구성을 확보하기 위하여 내부식성이 강한 스테인레스스틸로 제작된다. 분리판의 재료를 스테인레스 스틸로 하더라도 고온상태하에서 장시간 지속된 접촉에 의해 부식 생성물이 분리판의 표면에 부착된다. 이러한 문제를 야기시키는 분리판의 부식을 방지하기 위하여, 분리판의 소재로 내식성 합금을 적용하거나, 스테인레스 스틸의 표면에 내식성 금속이 코팅된 소재가 적용되기도 한다.In general, in order to secure the durability of the separator plate is made of stainless steel with high corrosion resistance. Even if the material of the separator plate is made of stainless steel, the corrosion products adhere to the surface of the separator plate by long-term contact under high temperature. In order to prevent corrosion of the separator, which causes such a problem, a corrosion resistant alloy may be applied as the material of the separator, or a material coated with a corrosion resistant metal may be applied to the surface of the stainless steel.
스테인레스 스틸에 대한 내식성 금속의 코팅방법으로는 전기도금법, 용융도금법, 확산 침투법, 용사법 등이 적용되고 있으며, 코팅소재로는 알루미늄을 주성분으로 하는 합금이 적용된다. 알루미늄을 코팅하는 이유는 알루미늄이 용융탄산염과 반응하여 내식성이 우수한 LiAlO2막을 형성하기 때문이다. 그러나, 알루미늄을 코팅하더라도 내구성은 만족할 만한 수준이 아니다.As a coating method of corrosion resistant metal on stainless steel, electroplating method, hot dip plating method, diffusion penetration method, thermal spraying method, etc. are applied, and as a coating material, an alloy mainly composed of aluminum is applied. The reason for coating aluminum is that aluminum reacts with the molten carbonate to form a LiAlO 2 film having excellent corrosion resistance. However, even if aluminum is coated, the durability is not satisfactory.
연료전지 분리판의 내구성을 확보하기 위한 기술로는 일본 공개특허공보 평2-82458호가 있다. 이 기술은 하층에 TiC 및 TiN을 코팅한 후, 상층에 Al2O3등을 코팅하는 법을 제시하였다. 한편 최근에는 하층에 Ni을 코팅한 후, Al을 코팅하는 Ni/Al 이층코팅방법도 제시되고 있으며, 하층에 TiN을 코팅한 후, 상층에 Al을 코팅하는 TiN/Al의 이층코팅 방법도 제시되고 있다.Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-82458 is a technique for securing the durability of a fuel cell separator. This technology proposed a method of coating Ti 2 and TiN on the lower layer and Al 2 O 3 on the upper layer. Recently, a Ni / Al two-layer coating method for coating Al on the lower layer and then Al coating has been proposed, and a TiN / Al two-layer coating method for coating Al on the lower layer after TiN is also proposed. have.
또 다른 기술로는 스테인레스강판에 Al을 코팅한 후, 700∼800℃에서 열처리를 실시하는 기술이 알려져 있다(일본 공개특허공보 평 6-260178, 7-70728, 소 59-75575호). 이들 기술도 분리판의 내식성을 만족할 정도로 확보하고 있지는 않다.As another technique, a technique of coating Al on a stainless steel sheet and then performing heat treatment at 700 to 800 ° C is known (Japanese Patent Laid-Open Nos. 6-260178, 7-70728, and 59-75575). These techniques are not secured enough to satisfy the corrosion resistance of the separator.
본 발명은 조직결함이 없고 용융탄산염 분위기에서 내식성이 우수한 최적의 알루미나이드층을 갖는 분리판과 열처리방법 및 이 분리판을 채용하는 연료전지를 제공하는데 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a separator having an optimal aluminide layer having no structure defects and excellent corrosion resistance in a molten carbonate atmosphere, a heat treatment method, and a fuel cell employing the separator.
도 1은 용융탄산염 연료전지의 개략도로서,1 is a schematic diagram of a molten carbonate fuel cell,
도 1a는 연료전지의 단면도이고1A is a cross-sectional view of a fuel cell
도 2a는 분리판의 상세도이다.2A is a detail of the separator.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10..... 양전극(도면에 번호가 없음) 20..... 음전극10 ..... positive electrode (no number in drawing) 20 ..... negative electrode
30..... 전해질판 40.....집전판30 ..... electrolyte 40 ..... current collector
50..... 분리판 52..... 가스채널50 ..... Separator 52 ..... Gas Channel
54..... 습식밀봉부 56.....가스입구54 ..... wet seal 56 ..... gas inlet
58..... 가스출구 100..... 연료전지58 ..... gas outlet 100 ..... fuel cell
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용융탄산염 연료전지용 분리판은, 스테인레스판에 가스채널부와 습식밀봉부가 형성되고, 이 습식밀봉부가 알루미늄 코팅층으로 형성되며 이 알루미늄 코팅층은 AlFe단상으로 이루어지는 것이다.In the molten carbonate fuel cell separator of the present invention for achieving the above object, a gas channel portion and a wet sealing portion is formed on a stainless plate, the wet sealing portion is formed of an aluminum coating layer, the aluminum coating layer is made of AlFe single phase.
또한, 본 발명의 연료전지용 분리판의 열처리방법은,In addition, the heat treatment method of the separator plate for fuel cells of the present invention,
스테인레스판의 습식밀봉부에 알루미늄을 코팅하는 단계,Coating aluminum on the wet seal of the stainless plate;
알루미늄이 코팅된 스테인레스판을 840~880℃의 온도에서 열처리하여 알루미늄 코팅층이 AlFe단상이 되도록 하는 단계를 포함하여 구성된다.It comprises a step of heat-treating the aluminum plate coated stainless plate at a temperature of 840 ~ 880 ℃ to make the aluminum coating layer AlFe single phase.
또한, 본 발명의 용융탄산염 연료전지는,In addition, the molten carbonate fuel cell of the present invention,
양전극(10)과 음전극(20)의 사이에 개재되는 전해질판(30)과,An electrolyte plate 30 interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20,
상기 양전극과 음전극에 면접하여 전극에서 생성된 전하를 포집하는 집전판(40)과 이 집전판에 밀착하여 단위전지를 분리하는 분리판(50)으로구성되며, 상기 분리판(50)은 스테인레스 재질로 습식밀봉부(54)가 알루미늄 코팅층으로 형성되고, 이 알루미늄 코팅층은 AlFe단상임을 포함하여 이루어진다.It consists of a current collector plate 40 for collecting charges generated at the electrode by interviewing the positive electrode and the negative electrode and a separator plate 50 to be in close contact with the current collector plate to separate the unit cell, the separator plate 50 is made of stainless The furnace wet sealing portion 54 is formed of an aluminum coating layer, which includes the AlFe single phase.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[용융탄산염 연료전지용 분리판][Molten Plate for Molten Carbonate Fuel Cell]
본 발명자들은 분리판의 습식밀봉부의 내식성을 개선하기 위하여 알루미늄 코팅층에 대한 열처리조건에 따른 알루미늄 코팅층의 조직에 대하여 연구실험을 행한 결과, 열처리온도에 따라 코팅층의 조직이 변화하며 이 조직특성에 따라 내식성에 차이가 발생한다는 것을 발견하였다.The present inventors conducted a research experiment on the structure of the aluminum coating layer according to the heat treatment conditions for the aluminum coating layer in order to improve the corrosion resistance of the wet sealing portion of the separator, the structure of the coating layer changes according to the heat treatment temperature and the corrosion resistance Was found to occur.
분리판의 습식밀봉부에 알루미늄 코팅처리하고 이 분리판을 열처리하면 코팅층의 알루미늄과 기판의 철성분이 반응하여 다양한 금속간화합물을 형성하게 된다. 즉, 코팅층의 알루미늄과 기판의 철성분이 상호확산하여 화합물을 형성하며, 가능한 금속간화합물에는 Al3Fe, Al5Fe2, AlFe, AlFe3등이 있다. 이들 금속간화합물에 대해서 내식성을 비교한 결과, 가장 내식성이 우수한 금속간화합물이 AlFe단상임을 알게 되었다.When the wet sealing part of the separator is coated with aluminum and the separator is subjected to heat treatment, aluminum of the coating layer and iron components of the substrate react to form various intermetallic compounds. That is, the aluminum of the coating layer and the iron component of the substrate are mutually diffused to form a compound, and possible intermetallic compounds include Al 3 Fe, Al 5 Fe 2 , AlFe, AlFe 3, and the like. As a result of comparing the corrosion resistance with respect to these intermetallic compounds, it was found that the intermetallic compound having the most corrosion resistance was AlFe single phase.
이러한 연구결과에 입각하여 완성된 본 발명에서는 스테인레스강판에 가스채널부(52)와 습식밀봉부(54)가 형성되는 분리판(50)에서 습식밀봉부가 알루미늄 코팅층으로 형성되고 이 알루미늄 코팅층은 AlFe단상으로 이루어지도록 하는데, 특징이 있다. 통상적으로 분리판에는 스테인레스강판이 사용되며, 이중에서도 오스테나이트계 스테인레스강판을 주로 사용하고 있다. 그 이유는 페라이트계 스테인레스강판이 저렴하지만 오스테나이트계 스테인레스강판 보다 내식성이 떨어지기 때문이다. 본 발명에 따르면 페라이트계 스테인레스강판을 사용하더라도 AlFe단상의 코팅층을 얻으면 내식성이 개선되므로 페라이트계 스테인레스강판도 사용 가능하다.In the present invention completed on the basis of the results of this study, the wet sealing part is formed of an aluminum coating layer in the separation plate 50 in which the gas channel part 52 and the wet sealing part 54 are formed on the stainless steel sheet, and the aluminum coating layer is formed of AlFe single phase. It is made of, there is a characteristic. In general, a stainless steel plate is used for the separation plate, and among these, an austenitic stainless steel plate is mainly used. The reason is that ferritic stainless steel sheet is cheaper but corrosion resistance is lower than that of austenitic stainless steel sheet. According to the present invention, even if a ferritic stainless steel sheet is used, a ferritic stainless steel sheet may be used since the corrosion resistance is improved when the AlFe single-phase coating layer is obtained.
[용융탄산염 연료전지용 분리판의 열처리방법][Heat Treatment Method of Molten Carbonate Fuel Cell Separator]
본 발명에 따라 습식밀봉부를 AlFe단상을 갖는 코팅층으로 하기 위해서는, 통상의 방법에 따라 분리판에 알루미늄 코팅을 하고 이 코팅층을 열처리하여 AlFe의 금속간화합물을 만들어야 한다.In order to make the wet sealing part according to the present invention a coating layer having an AlFe single phase, an aluminum coating is applied to the separator plate according to a conventional method and the coating layer is heat-treated to make an intermetallic compound of AlFe.
알루미늄 코팅층을 AlFe단상으로 만들기 위해서는 열처리온도의 제어가 가장 중요하다. 즉, 알루미늄을 코팅한 스테인레스강판의 열처리과정에서는 코팅층의 알루미늄과 기판의 철성분이 반응하여 다양한 금속간화합물이 형성되는데, 금속간화합물의 종류는 열처리온도에 의존한다.In order to make the aluminum coating layer into AlFe single phase, the control of heat treatment temperature is the most important. That is, in the heat treatment process of aluminum coated stainless steel sheet, various intermetallic compounds are formed by reacting the aluminum of the coating layer with the iron component of the substrate. The type of the intermetallic compound depends on the heat treatment temperature.
본 발명에서 원하는 AlFe단상을 얻기 위해서는 열처리온도를 840℃에서 880℃ 사이에서 실시하는 것이 바람직하다. 열처리 온도를 약 650℃ 정도에서 실시하면, 코팅층과 기판과의 충분한 상호확산이 진행되지 않아서 코팅층의 박리현상이 발견되었다. 또한, 열처리 온도를 700℃에서 820℃사이로 실시하면, 코팅층의 조직은 Al3Fe, Al5Fe2, AlFe등 다양한 금속간화합물이 혼합되어 존재하기 때문에, 조직이 불균일하고 부식거동도 불균일하게 나타났다. 결과적으로 무게증가속도도 크게 나타났다. 이에 반해 840~880℃의 사이에서 열처리하면 코팅층의 결함도 없고 AlFe단상이 얻어진다. 한편 열처리 온도가 880℃ 보다 높으면 단상의 AlFe조직이 형성되어 내식성도 우수하지만, 코팅층 단면에 크랙이 존재한다.In order to obtain the desired AlFe single phase in the present invention, the heat treatment temperature is preferably performed between 840 ° C and 880 ° C. When the heat treatment temperature was performed at about 650 ° C., sufficient interdiffusion between the coating layer and the substrate did not proceed and peeling of the coating layer was found. In addition, when the heat treatment temperature was performed between 700 and 820 ° C., the structure of the coating layer was mixed with various intermetallic compounds such as Al 3 Fe, Al 5 Fe 2 , and AlFe, resulting in uneven structure and uneven corrosion behavior. . As a result, the weight increase speed was also great. On the other hand, when heat-treated between 840-880 degreeC, defect of a coating layer is obtained and an AlFe single phase is obtained. On the other hand, when the heat treatment temperature is higher than 880 ° C, single-phase AlFe structure is formed and the corrosion resistance is excellent, but cracks are present on the cross section of the coating layer.
열처리온도를 제어하여 AlFe단상을 얻는 것과 함께 분리판에서는 표면상태도 중요하다. 본 발명자들은 불활성분위기(H2+N2)로 열처리하는 것 보다는 진공분위기로 할 때 균일한 표면층을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 열처리시 진공도가 10-4torr이상의 저진공으로 되면 코팅층 표면에 1㎛ 이상의 알루미나 산화물이 형성되어 용융탄산염 연료전지의 분리판으로서의 전기적 특성을 만족시키지 못한다. 습식밀봉부는 표면에 산화층이 형성되어도 연료전지의 전기적 특성에 영향을 주지 않으나, 코팅층 표면이 불균일하게 되면 다른 부분에서 산화층이 형성되어 전기저항이 발생됨으로써 원하는 출력을 얻을 수 없게 된다. 이뿐 아니라, 10-4torr 이상의 저진공에서는 열처리 노안에 존재하는 산소가 코팅층 안쪽을 침투하여 산화물을 형성하기 때문에 코팅층 표면에 박리현상을 유발하기 쉽다. 따라서 열처리시 진공도는 적어도 10-4torr 이하의 고진공에서 실시하는 것이 바람직하다.In addition to obtaining the AlFe single phase by controlling the heat treatment temperature, the surface state is also important in the separator. The present inventors have found that a uniform surface layer can be obtained in a vacuum atmosphere rather than heat treatment with an inert atmosphere (H 2 + N 2 ). If the vacuum degree during the heat treatment is a low vacuum of 10 -4 torr or more, alumina oxide of 1 µm or more is formed on the surface of the coating layer, thereby not satisfying the electrical characteristics as a separator of the molten carbonate fuel cell. The wet sealing part does not affect the electrical characteristics of the fuel cell even if the oxide layer is formed on the surface, but if the surface of the coating layer is uneven, the oxide layer is formed at other parts and thus the electrical resistance is generated so that the desired output cannot be obtained. In addition, in the low vacuum of 10 -4 torr or more, since the oxygen present in the heat treatment furnace penetrates the inside of the coating layer to form an oxide, it is easy to cause a peeling phenomenon on the surface of the coating layer. Therefore, the degree of vacuum during heat treatment is preferably carried out in a high vacuum of at least 10 -4 torr or less.
[용융탄산염 연료전지용 분리판][Molten Plate for Molten Carbonate Fuel Cell]
본 발명에서는 양전극(10)과 음전극(20)의 사이에 개재되는 전해질판(30)과, 상기 양전극(10)과 음전극(20)에 면접하여 전극에서 생성된 전하를 포집하는 집전판(40)과 이 집전판에 밀착하여 단위전지를 분리하는 분리판(50)으로 구성되는 연료전지에서 분리판(50)을 스테인레스 강판에 습식밀봉부가 알루미늄 코팅층으로 형성되고, 이 알루미늄 코팅층은 AlFe단상이 되도록 하는 것이다.In the present invention, the electrolyte plate 30 interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20, and the current collector plate 40 to interview the positive electrode 10 and the negative electrode 20 to collect the charge generated in the electrode In the fuel cell consisting of a separator plate 50 to be in close contact with the current collector plate to separate the unit cell, the wet plate of the separator plate 50 is formed of an aluminum coating layer on a stainless steel sheet, the aluminum coating layer is AlFe single phase will be.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[실시예1]Example 1
스테인레스판에 Al을 코팅하고 코팅된 시편을 여러 가지 조건에서 열처리 하여, 코팅 시험편의 품질특성을 다음과 같이 비교하여 평가하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.Al coated on a stainless steel plate and the coated specimen was heat treated under various conditions. The quality characteristics of the coated test specimen were compared and evaluated as follows, and the results are shown in Table 1.
(1) 코팅층 결함: 코팅층 단면을 전자주사 현미경(SEM)을 가지고 관찰한 후, 코팅층내 박리 및 크랙여부를 관찰하였다.(1) Coating layer defect: After the cross section of the coating layer was observed with an electron scanning microscope (SEM), peeling and cracking in the coating layer were observed.
(2) 코팅층 상관찰: XRD 분석기를 이용하여 코팅층의 상을 분석하여 명시하였다.(2) Coating layer correlation: The phase of the coating layer was analyzed and specified using the XRD analyzer.
(3) 표면산화: AUGER분석기기를 이용하여, 열처리 후 코팅층 표면에 형성된 알루미늄 산화물의 두께를 측정하였다.(3) Surface oxidation: The thickness of the aluminum oxide formed on the surface of the coating layer after the heat treatment was measured using an AUGER analyzer.
(4) 무게증가속도: 650℃의 용융탄산염(Li2CO3:K2CO3=62:38몰%)에서, 시편을 침적한 후, 침적시간에 따라 시편의 단위면적당 무게변화를 주기적으로 측정하였다. 최종적으로 √(hours)에 따른 단위면적당 무게증가(mg/cm2)를 무게증가속도로 표현하였다. 이때 단위는 [mg/cm2/hour0.5]이다.(4) Weight increase rate: After immersing the specimen in molten carbonate (Li 2 CO 3 : K 2 CO 3 = 62: 38 mol%) at 650 ° C, periodically change the weight change per unit area of the specimen according to the deposition time. Measured. Finally, the weight increase rate (mg / cm 2 ) per unit area according to √ (hours) is expressed as the weight increase rate. In this case, the unit is [mg / cm 2 / hour 0.5 ].
표 1에 나타난 바와 같이, 발명예(1∼3)은 용융탄산염 연료전지 분리판인 스테인레스강판(316L)위에, 전자빔 증착방법 기술을 이용하여 Al을 30㎛ 두께로 코팅한 후, 열처리 온도를 각각 840, 860, 880℃에서 3시간 동안 실시한 경우이다. 여기서 분위기는 5×10-5torr 이상의 진공중에서 실시하였다. 이 경우 코팅층의 상은 모두 AlFe로 변하였고, 코팅층 내부의 조직적인 결함도 발견되지 않았다. 또한 발명예(4)처럼 저가의 페라이트 스테인레스강판(409L)위에 알루미늄을 코팅하여 850℃에서 3시간 동안 실시한 경우도, 안정한 AlFe상을 만들었고, 내식성도 우수하였다.As shown in Table 1, Inventive Examples (1 to 3) coated Al on a stainless steel plate 316L, which is a molten carbonate fuel cell separator, by using an electron beam deposition method, to a thickness of 30 μm, and then heat-treated the temperature. This is the case when it is carried out for 3 hours at 840, 860, 880 ℃. The atmosphere was carried out in a vacuum of 5 × 10 −5 torr or more. In this case, all of the phases of the coating layer were changed to AlFe, and no systematic defects were found in the coating layer. In addition, when the aluminum was coated on a low-cost ferritic stainless steel sheet 409L as inventive example (4) for 3 hours at 850 ° C., a stable AlFe phase was produced and the corrosion resistance was also excellent.
비교예(1)은 용융탄산염 연료전지 분리판인 스테인레스강판(316L)에 Al을 코팅하지 않고, 그대로 내식성 실험을 한 경우이다. 비교예(2∼7) 발명예(1)처럼 Al을 코팅한 후, 열처리를 실시함에 있어서, 열처리 온도를 각각 650, 700, 750, 800, 900℃에서 실시한 경우이다.The comparative example (1) is a case where the corrosion resistance test was carried out as it is without coating Al on the stainless steel plate 316L which is a molten carbonate fuel cell separator. Comparative Examples (2 to 7) In the case of carrying out heat treatment after coating Al as in Inventive Example (1), the heat treatment temperatures were performed at 650, 700, 750, 800, and 900 ° C, respectively.
[실시예 2]Example 2
스테인레스강판(316L)에 Al을 30㎛ 두께로 코팅한 후, 860℃에서 열처리를 실시함에 있어서, 열처리 분위기에 따른 특성을 알아보았다.After coating Al to a thickness of 30 μm on the stainless steel sheet 316L, the heat treatment was performed at 860 ° C., and the characteristics according to the heat treatment atmosphere were examined.
발명예(4~6)은 열처리분위기를 각각 10-4, 5×10-5, 10-5torr의 진공도를 유지하면서 열처리를 실시한 경우로서 코팅층 결함도 없었으며 내식성도 우수함을 알 수 있었다.Inventive examples (4 to 6) were heat treated at 10 -4 , 5 × 10 -5 , and 10 -5 torr, respectively, while maintaining the degree of vacuum, and there was no coating layer defect and excellent corrosion resistance.
비교예(8)은 860℃에서 열처리를 실시함에 있어서, 열처리 분위기를 10-3torr 진공중에서 실시한 경우로서 부분박리가 일어났으며 내식성도 좋지 않았다. 비교예(9)는 60℃에서 열처리를 실시함에 있어서, 열처리 분위기를 공기중에서 실시한 경우로서 역시 내식성이 좋지 않았다.In Comparative Example (8), when the heat treatment was performed at 860 ° C., a partial peeling occurred when the heat treatment atmosphere was carried out in a vacuum of 10 −3 torr, and the corrosion resistance was also poor. In the comparative example (9), when heat-processing at 60 degreeC, when heat processing atmosphere was performed in air, corrosion resistance was also not good.
이상의 실시예에서 보면 열처리 온도는 Al코팅층이 균일한 AlFe상을 만들 수 있는 조건이어야 하며, 또한 조직결함이 없어야 하는데, 이러한 조건을 만족시키는 열처리 온도는 840℃에서 880℃사이에서 실시하여야 하며, 열처리 조건시 분위기는 10-4torr 이상의 고진공 상태에서 실시하여야함을 알 수 있다.In the above embodiment, the heat treatment temperature should be a condition in which the Al coating layer can make a uniform AlFe phase, and there should be no structure defects. The heat treatment temperature satisfying these conditions should be performed between 840 ° C and 880 ° C. Under the conditions, it can be seen that the atmosphere should be carried out at a high vacuum of 10 -4 torr or more.
상술한 바와 같이, 본 발명은 연료전지의 분리판의 습식밀봉부를 AlFe단상이 되도록 함으로써 연료전지의 내식성을 개선하고 또한, 저가의 페라이트계 스테인레스강판을 연료전지의 분리판으로 사용할 수 있는 계기를 제공하는 유용한 효과가 있는 것이다.As described above, the present invention improves the corrosion resistance of the fuel cell by making the wet sealing part of the separator plate of the fuel cell become AlFe single phase, and provides an instrument in which a low-cost ferritic stainless steel sheet can be used as the separator plate of the fuel cell. It has a useful effect.
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