KR20030052106A - 고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자에 관한 것으로, 전해질 재료와 열팽창 계수가 유사하고 가공이 용이하며 고융점, 크립 저항성, 고온부식 저항성, 내산화 특성이 뛰어난 β상 NiAl 금속간 화합물을 기지로 하고, 여기에 LMO(LaMnO: Lanthanum Mangnese Oxide)로 표면 코팅을 하여 접속자를 제조함으로써, 종래의 금속간 접속자보다 간단하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 이보다 뛰어난 물성치를 얻을 수 있는 고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자를 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 금속 Ni과 Al을 다음과 같이 조성하여 β상 NiAl 금속간 화합물을 형성하고,

NI_xAl_(1-x), 여기서 x는 0.45 ∼ 0.55

이 금속간 화합물의 표면에 다음과 같은 조성을 갖는 LMO를 코팅처리하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

La_(1-x)MnO₃, 여기서 x는 0.01 ∼ 0.05

Description

고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자{Matal interconnector for SOFC}

본 발명은 고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SOFC 전지에서 요구되는 물성치에 적합한 금속 합금을 기지로 그 표면에 Cr₂O₃산화물 코팅 처리를 함으로써, 내산화 특성이 좋으면서 양극 및 음극 재료와의 화학적인 안정성이 뛰어나고 우수한 전도성과 이온 전도도를 갖는 고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자에 관한 것이다.

일반적으로 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 수소와 산소의 화학 반응을 이용하여 전기적 에너지를 얻는 것으로, 온도 800 ∼ 1000 ℃에서 반응하는 고온 발전형 연료 전지이다.

이러한 연료 전지는 소정의 전압을 발생시키는 여러개의 단전자를 적층하여 스택(stack) 형태로 제작하여 사용하게 되는데, 상기 단전자는 전해질(YSZ: yittria stabilized zirconia)과 음극 그리고 양극(LSM)으로 형성되어 있다.

특히, 상기 단전자와 단전자 사이에는 단위 단전자의 연결과 단전자에서 발생되는 전류를 모으기 위해 금속간 화합물 접속자(metal interconnector)가 삽입되어 있다. 상기 접속자는 세라믹 또는 금속 합금으로 연료인 수소와 공기에 함유된 산소 공급을 위한 유로 제공, 단전자간의 연결, 양극과 음극 사이에 위치하여 각 단전자로부터 발생된 전류를 모아주게 되는데, 이러한 역할에 적합하도록 다음과 같은 성질을 필요로 하게 된다.

1) 높은 전자 전도성

2) 낮은 이온 전도성

3) 우수한 기계적 강도(내크립(creep) 특성)

4) 양극에서 화학적으로 분해되지 안는 안정성

5) 단전자의 재질과 비슷한 열팽창 계수

6) SOFC 시스템의 작동 온도에서 고온강도 및 내부식성

이와 같은 성질들을 모두 만족하는 소재로서 고온에서 화학적으로 안정적이고 전자전도성 및 다른 셀 구성요소와 열적·화학적 적합성이 뛰어난 LaCrO₃이 많이 사용되어 왔다. 또한, Cr을 기지로 하는 ODS 합금(독일, Ducrolloy, Cr₅Fe₁Y₂O₃)이 개발되어 사용되고 있으며, 이외에도 Inconel 600, 601, HA230 등 상용 고온 합금이 많이 연구되고 있다.

그러나, 종래의 Cr 기지 ODS 합금의 경우 SOFC의 전해진 소재인 YSZ와 열팽창 계수가 비슷하고 전기전도도가 비교적 좋은 Cr₂O₃으로 산화막을 형성하여 접속자로서 접합한 성질을 가지고 있으나 제조 원가가 $1,100/Kw로 높아 SOFC 시스템의 원가 절반에 해당하여 제조경비가 많이 드는 문제가 발생하게 되었다. 또한, Inconel 300, 601, HA230 등은 SOFC 단전지 성분과 비교해 볼 때에 열팽창계수의 차이가 많이 나서 접속자로서 적합하지 않으며, 대부분 산화 분위기에 노출되면 산화가 이루어지고 산화피막이 증가하는등 장기적으로 볼때 안정성을 갖는 못하게 되어 이에 대한 개선이 필요하게 되었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 전해질 재료와 열팽창 계수가 유사하고 가공이 용이하며 고융점, 크립 저항성, 고온부식 저항성, 내산화 특성이 뛰어난 β상 NiAl 금속간 화합물을 기지로 하고, 여기에 LMO(LaMnO: Lanthanum Mangnese Oxide)로 표면 코팅을 하여 접속자를 제조함으로써, 종래의 금속간 접속자보다 간단하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 이보다 뛰어난 물성치를 얻을 수 있는 고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자를 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 금속 Ni과 Al을 다음과 같이 조성하여 β상 NiAl 금속간 화합물을 형성하고,

NI_xAl_(1-x), 여기서 x는 0.45 ∼ 0.55

이 금속간 화합물의 표면에 다음과 같은 조성을 갖는 LMO를 코팅처리하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자.

La_(1-x)MnO₃, 여기서 x는 0.01 ∼ 0.05

이하, 본 발명의 구성 및 작용 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 Ni과 Al을 소정의 비율로 혼합하여 금속간 화합물을 형성하여 이를 기재로 사용하게 된다. 이때, 상기 Ni과 Al의 혼합 비율은 Ni_xAl_(1-x), 여기서 x는 0.45 ∼ 0.55로 금속간 화합물을 얻게 되며, 이때의 화합물은 상기 금속 성분인 Ni과 Al의 결정 구조인 면심 입방 구조와는 결정학적 구조가 전혀 다른 규칙화된 체심 입방 구조 B2를 가지게 된다.

상기 Ni_xAl_(1-x)금속간 화합물은 순수 금속 Ni와 순수 금속 Al을 각각 45∼55의 비율로 섞어 용융 합금 하여 제작하거나 분말을 이용하여 기계적 합금 후 소결 제조하여 얻을 수 있다.

이러한 상기 기재용 금속간 화합물은 열팽창 계수가 α_NiAl= 11.6 × 10-6/K이며, 용융점이 1638 ℃이다. 상기의 열팽창 계수 및 용융점은 통상이 재료 시험 방법으로 계측될 수 있다.

이는 SOFC 시스템에서 전해질로 사용되는 YSZ 및 양극 재료인 LS(G)M의 열팽창 계수 α_YSZ= 10 ∼ 11 × 10-6/K 및 α_LS(G)M= 11.4 ∼ 11.8 × 10-6/K와 비슷한 값을 갖게 되며, 상기 SOFC 시스템의 운전 온도인 800 ∼ 1000 ℃보다 높은 용융점을 갖게 된다.

이에 따라 상기 금속간 화합물은 시스템의 운전 온도가 높아지더라도 용융점이 더 높기 때문에 크립 저항성이 우수하고, 또한 전해질과 양극 전극과 유사한 열팽창 계수를 가지게 되어 이들 양극 전극과 유사한 물성값을 가지게 되어 안정성을 도모할 수 있게 된다.

본 발명에서는 상술한 바와 같이 이루어진 금속간 화합물의 외표면에 코팅층을 형성하게 된다. 상기 코팅층은 LMO(LaMnO: Lanthanum Manganese Oxide)로 다음과 같은 조성을 갖는다.

La_(1-x)MnO₃, 여기서 x는 0.01 ∼ 0.05

이와 같은 조성의 코팅층은 졸 상태의 LMO를 접속자에 딥코팅(dip coating)을 한 다음 50 ∼ 80 ℃로 오븐에서 건조 하여 냉각시켜 겔 상태로 만들게 되고, 이 겔상태의 조성물을 산화 분위기 800 ℃에서 열처리해서 산화막(LMO)을 얻는 방법과 동일한 방법으로 실시하게 된다.

따라서, 본 발명에 따르는 금속간 화합물은 SOFC 시스템의 운용 온도보다 약 200 ℃이상 높고 열팽창 계수가 비슷한 합금을 얻을 수 있게 된다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 NI_xAl_(1-x)(여기서 x는 0.45 ∼ 0.55) 비율로 제조된 금속간 화합물의 외주면에 La_(1-x)MnO₃(여기서 x는 0.01 ∼ 0.05) 비율를 갖는 LMO 코팅층을 형성함으로써 다음과 같은 효과를 얻게 된다.

1) 기존의 접속자로 사용되는 세라믹 접속자 및 상용 초내열 합금 접속자에 비해 가공이 쉽고, 또한 주조 및 기계가공을 통해 정밀 가공이 가능하게 된다.

2) 용융점이 SOFC 시스템의 운용 온도보다 약 200℃이상 높기 때문에 이 시스템이 작동중에도 재료가 열화되는 현상을 막아 주게 되어 크립(creep) 저항성을 높일 수 있게 된다.

3) 전해질 재료 및 양극 재료와 비슷한 열팽창계수를 가지게 되어 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

4) 상온에서 용융점까지 단일상으로 유지되기 때문에 SOFC 시스템의 운용온도에 도달하더라도 상 전이(phase transition)에 의한 재료의 열화 현상을 없앨 수 있게 된다.

5) 대부분의 상용 금속 합금에 비해 밀도가 2/3 정도로 가벼워 SOFC 시스템의 전체 중량을 줄일 수 있게 되고, 이러한 자중에 의한 압력 부담이 줄고 이 시스템을 적용하는 차량을 경량화할 수 있게 된다.

6) 열전달 계수가 높아 기존의 금속 및 세라믹 접속자 재료에서 발생되는 불균일한 열 분포 현상을 없애고 접속자의 휨 현상과 이로 인해 발생되는 가스의 누출 및 스택 성능의 저하 현상을 줄여주게 된다.

7) 코팅재로 사용된 LMO는 치밀한 보호피막을 형성하여 모재의 산화 생성물인 Al₂O₃형성에 따른 전기 전도도 감소를 막아 줄 뿐만 아니라 SOFC 운전 온도에서 피막 자체의 전기 전도도가 높아지게 된다.

Claims (1)

1. 금속 Ni과 Al을 다음과 같이 조성하여 β상 NiAl 금속간 화합물을 형성하고,

   NI_xAl_(1-x), 여기서 x는 0.45 ∼ 0.55

   이 금속간 화합물의 표면에 다음과 같은 조성을 갖는 LMO를 코팅처리하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지용 금속간 화합물 접속자.

   La_(1-x)MnO₃, 여기서 x는 0.01 ∼ 0.05