KR20190048872A - Coating composition for interconnector surface treatment of solide oxide feul cell and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a coating composition for a solid oxide fuel cell metal separation plate and a manufacturing method thereof, which are a main component of the coating composition for a solid oxide fuel cell metal separation plate for manufacturing a metal separation plate having excellent corrosion resistance and low contact resistance. The present invention prevents dust from being generated and is possible to form a uniform coating layer when performing spray coating.

Description

고체산화물 연료전지 금속분리판용 코팅 조성물 및 그 제조방법{COATING COMPOSITION FOR INTERCONNECTOR SURFACE TREATMENT OF SOLIDE OXIDE FEUL CELL AND PREPARATION METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a coating composition for a solid oxide fuel cell metal separator,

본 발명은 고체산화물 연료전지 금속분리판용 코팅 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 내식성이 우수하고, 접촉 저항이 낮은 금속 분리판을 제조하기 위한 고체산화물 연료전지 금속분리판용 코팅 조성물의 주요 성분으로서, 분진이 발생하지 않고, 용사 코팅시 균일한 코팅막을 형성할 수 있는 플라즈마 용사 코팅용 분말 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a coating composition for a solid oxide fuel cell metal separator and a method of manufacturing the same, and is a main component of a coating composition for a solid oxide fuel cell metal separator for producing a metal separator having excellent corrosion resistance and low contact resistance, To a powder for plasma spray coating capable of forming a uniform coating film upon spray coating without generating dust, and a method for producing the same.

고체산화물 연료전지는 일반적으로 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ~ 1000 )에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구가 현재 활발히 이루어지고 있다.Solid oxide fuel cells generally operate at the highest temperature of the fuel cell (700-1000), and because all components are solid, they are simpler in structure than other fuel cells, and the electrolyte loss and replenishment and corrosion problems There is no noble metal catalyst, and it is easy to supply fuel through direct internal reforming. In addition, it has an advantage that it can generate thermal hybrid power using waste heat because it discharges gas at a high temperature. Due to these advantages, researches on solid oxide fuel cells are actively being carried out.

고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다. 그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 적층(스택)하여 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다. 상기 적층을 위해서, 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 금속분리판(seperator)이 사용된다.Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is an electrochemical energy conversion device composed of an oxygen ion conductive electrolyte, an air electrode (anode) and a fuel electrode (cathode) located on both sides thereof. In the air electrode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen move to the fuel electrode through the electrolyte and react with hydrogen supplied to the fuel electrode to generate water. At this time, electrons are generated in the fuel electrode and electrons are consumed in the air electrode. When the electrodes are connected to each other, electricity flows. However, since the electric power generated in one unit cell based on the air electrode, the electrolyte and the fuel electrode is considerably small, a large amount of electric power can be output by constructing the fuel cell by stacking (stacking) a plurality of unit cells, And can be applied to various power generation systems. For the stacking, it is necessary that the air electrode of one unit cell and the fuel electrode of another unit cell be electrically connected, and a metal separator is used for this purpose.

상기 금속분리판은 단위전지를 전기적으로 연결하면서 연료와 공기를 분리시키는 역할을 담당하는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)의 핵심 부품이다. SOFC용 금속분리판 소재는 높은 전자전도성, 산화/환원 분위기에서의 화학적 안정성, 다른 소재와의 낮은 반응성 및 유사한 열팽창 계수, 낮은 가스 투과도 등의 요구조건을 만족시켜야 한다. 금속분리판을 사용하게 되면 SOFC 작동온도인 600~800에서 기존 세라믹 접속자 소재인 LaCrO3를 대체할 수 있다. 금속분리판은 기계적 강도가 매우 우수하여 강도가 약한 세라믹 소재에게 우수한 지지체 역할이 가능하며, 전기전도도가 높으므로 SOFC 셀 및 스택의 저항을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 일반적으로 금속분리판 소재로서 크롬(Cr)이 함유된 금속이 선호되고 있는데, 이는 SOFC 작동 환경에서 금속분리판 표면에 전도성이 높은 크롬 산화물(Cr2O3)이 형성되기 때문이다.The metal separator is a core component of a solid oxide fuel cell (SOFC) that functions to separate fuel and air while electrically connecting unit cells. Metal separator plates for SOFCs must meet the requirements of high electronic conductivity, chemical stability in an oxidizing / reducing atmosphere, low reactivity with other materials, similar thermal expansion coefficient, low gas permeability. The use of metal separators can replace the existing ceramic interconnect material LaCrO 3 at SOFC operating temperatures of 600 to 800. The metal separator has an excellent mechanical strength and can serve as an excellent support for ceramic materials with low strength and has a high electrical conductivity, which can reduce the resistance of the SOFC cell and the stack. In general, metal containing chromium (Cr) is preferred as a metal separator because chromium oxide (Cr 2 O 3 ) having high conductivity is formed on the surface of the metal separator in an SOFC operating environment.

또한, 금속 분리판은 각 단위셀을 전기적으로 연결해주어야 하므로, 충분한 전도성을 구비해야 한다. 또한 연료 전지 내부의 환경은 수소 이온의 농도가 높고, 고온으로 부식이 쉬운 환경이므로, 금속 분리판은 충분한 내식성을 구비해야 한다. 이에, 일본 특허공개공보 2003-276249, 2003-272653은 비용 절감을 위해 금속 분리판의 표면에 매우 얇은 금 도금을 하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 금 도금 부분이 경도가 낮기 때문에 금속 분리판이 전극과 접촉할 경우 스크래치와 같은 손상이 발생하여 부식이 일어날 염려가 있었다.In addition, since the metal separator plate must electrically connect each unit cell, sufficient conductivity must be provided. Also, since the environment inside the fuel cell is an environment in which hydrogen ion concentration is high and is easily corroded at a high temperature, the metal separator plate should have sufficient corrosion resistance. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2003-276249 and 2003-272653 disclose a technique of performing very thin gold plating on the surface of a metal separator for cost reduction. However, since the gold-plated part has a low hardness, when the metal separator contacts the electrode, damage such as scratches may occur and corrosion may occur.

내식성이 우수하고, 접촉 저항이 낮으며, 생산성이 우수한 금속 분리판을 제조하기 위한 다른 방안으로 상기 금속 분리판을 적절한 나노 분말을 사용하여 플라즈마 용사 코팅을 하는 방법이 있다. 그러나 이 경우, 나노 분말의 물리적 성질에 따라 분진이 발생하거나 코팅시 균일하게 피딩 (feeding)이 되지 않아 결과적으로 균일한 코팅막이 형성되지 않는 문제점이 있었다.Another method for producing a metal separator having excellent corrosion resistance, low contact resistance, and high productivity is plasma spray coating of the metal separator using a suitable nano powder. However, in this case, depending on the physical properties of the nanopowder, there is a problem that dust is generated or that the nanopowder does not uniformly feed on the coating, resulting in a non-uniform coating film.

이에 본 연구자들은 상기 문제점을 해결할 수 있는 플라즈마 용사 코팅에 적용 가능한 나노 분말 및 이의 제조 방법에 대한 연구를 거듭한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have completed the present invention after having repeatedly studied nano powders applicable to plasma spray coating which can solve the above problems and their manufacturing methods.

본 발명의 목적은 내식성이 우수하고, 접촉 저항이 낮은 금속 분리판을 제조하기 위한 고체산화물 연료전지 금속분리판용 코팅 조성물에 관한 것이다.An object of the present invention is to provide a coating composition for a solid oxide fuel cell metal separator for producing a metal separator having excellent corrosion resistance and low contact resistance.

본 발명의 다른 목적은 고체산화물 연료전지 금속분리판용 코팅 조성물에 포함되는 플라즈마 용사 코팅용 분말에 관한 것이다.Another object of the present invention is a powder for plasma spray coating which is contained in a coating composition for a solid oxide fuel cell metal separator.

본 발명의 또다른 목적은 분진 발생이 적고 플라즈마 용사 코팅시 균일한 코팅막 형성이 가능한 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법에 관한 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for producing a plasma spray coating powder which is less dusty and can form a uniform coating film upon plasma spray coating.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 1) 망간화합물 및 구리화합물을 각각 증류수에 용해하여 Mn 수용액 및 Cu 수용액을 제조하는 단계; 2) 상기 Mn 수용액 및 Cu 수용액을 3:1 내지 1:1의 부피비율로 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 3) 상기 제1 혼합물을 무기염기 수용액에 첨가하는 단계; 4) 상기 3)단계에서 생성된 침전물을 여과하고 세척하여 건조시키는 단계; 5) 상기 4)단계에서 생성된 건조 분말을 450 내지 600 ℃에서 열처리하는 단계; 6) 상기 5)단계에서 생성된 하소 분말을 수용액에 혼합한 후 분쇄 및 슬러리를 제조하는 단계; 7) 슬러리를 분무 건조하여 구형 과립형 분말을 제조하는 단계; 및 8) 상기 7)단계에서 생성된 분말을 800 내지 900 ℃에서 열처리하여 소결시키는 단계를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for preparing an aqueous solution, comprising the steps of: 1) dissolving a manganese compound and a copper compound in distilled water to prepare a Mn aqueous solution and an aqueous Cu solution; 2) mixing the Mn aqueous solution and the Cu aqueous solution at a volume ratio of 3: 1 to 1: 1 to prepare a first mixture; 3) adding the first mixture to an inorganic base aqueous solution; 4) filtering, washing and drying the precipitate produced in step 3); 5) heat treating the dried powder produced in the step 4) at 450 to 600 ° C; 6) mixing the calcined powder produced in the step 5) with an aqueous solution, and then pulverizing and preparing a slurry; 7) spray drying the slurry to produce spherical granular powder; And 8) heat-treating the powder produced in the step 7) at a temperature of 800 to 900 ° C. and sintering the powder.

또한, 본 발명은 상기 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법에 의하여 제조된 플라즈마 용사 코팅용 분말 및 이를 포함하는 금속분리판용 코팅 조성물을 제공한다. 금속 재질의 분리판 모재에 상기 조성물로 코팅층을 형성시켜 바람직한 고체산화물 연료전지 금속 분리판을 제조할 수 있다.The present invention also provides a powder for plasma spray coating produced by the method for producing plasma spray coating powder and a coating composition for a metal separator comprising the same. A preferable solid oxide fuel cell metal separator can be manufactured by forming a coating layer with the above composition on a separator plate base made of metal.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the drawings, the thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term " and / or " includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise " and / or " comprising " when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 1) 망간화합물 및 구리화합물을 각각 증류수에 용해하여 Mn 수용액 및 Cu 수용액을 제조하는 단계; 2) 상기 Mn 수용액 및 Cu 수용액을 3:1 내지 1:1의 부피비율로 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 3) 상기 제1 혼합물을 무기염기 수용액에 첨가하는 단계; 4) 상기 3)단계에서 생성된 침전물을 여과하고 세척하여 건조시키는 단계; 5) 상기 4)단계에서 생성된 건조 분말을 450 내지 600 ℃에서 열처리하는 단계; 6) 상기 5)단계에서 생성된 하소 분말을 수용액에 혼합한 후 분쇄 및 슬러리를 제조하는 단계; 7) 슬러리를 분무 건조하여 구형 과립형 분말을 제조하는 단계; 및 8) 상기 7)단계에서 생성된 분말을 800 내지 900 ℃에서 열처리하여 소결시키는 단계를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a copper alloy, comprising the steps of: 1) dissolving a manganese compound and a copper compound in distilled water to prepare a Mn aqueous solution and an aqueous Cu solution; 2) mixing the Mn aqueous solution and the Cu aqueous solution at a volume ratio of 3: 1 to 1: 1 to prepare a first mixture; 3) adding the first mixture to an inorganic base aqueous solution; 4) filtering, washing and drying the precipitate produced in step 3); 5) heat treating the dried powder produced in the step 4) at 450 to 600 ° C; 6) mixing the calcined powder produced in the step 5) with an aqueous solution, and then pulverizing and preparing a slurry; 7) spray drying the slurry to produce spherical granular powder; And 8) heat-treating the powder produced in the step 7) at a temperature of 800 to 900 ° C. and sintering the powder.

상기 제조방법은 여러 나노 분말 생산 기술 중 경제성이 뛰어나고 공정 조절 및 제조가 용이한 공침법(Co-precipitation Method)을 근거로 한 것으로서, 본원발명은 상기 단계 중 소결 단계를 추가로 적용하는 것을 특징으로 한다.The manufacturing method is based on Co-precipitation method, which is excellent in economical efficiency among various nanopowder production technologies and can be easily controlled and manufactured. The present invention is further characterized in that a sintering step in the above step is further applied do.

상기 망간화합물 및 구리화합물의 금속원소는 내식성이 우수하고, 산소, 질소 및 탄소와 결합하기 쉽다. 또한 금속 기판과의 밀착성을 향상시키고, 고온, 산성 분위기에 있어서도 장기간 양호한 도전성과 내식성을 발휘할 수 있다. 또한 코팅 두께를 4nm 이상으로 형성함으로써, 핀 홀의 형성을 방지하고 기재의 부식이나 금속 용출도 방지할 수 있다.The metal elements of the manganese compound and the copper compound are excellent in corrosion resistance and easy to bond with oxygen, nitrogen and carbon. In addition, adhesion to a metal substrate is improved, and good conductivity and corrosion resistance can be exhibited for a long period even in a high temperature and acidic atmosphere. Further, by forming the coating to a thickness of 4 nm or more, it is possible to prevent formation of pinholes and prevent corrosion of the substrate and elution of the metal.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 망간화합물은 망간 황산염(MnSO4), 망간 염화물 (MnCl2), 망간 질산염(Mn(NO3)2) 및 망간 아세트산염(Mn(CH3COO)2으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 망간 염화물이다. 상업적 제조 형태에 따라 상기 망간 염화물의 수화물이 사용될 수 있다.According to one embodiment of the invention, as the manganese compound is manganese sulfate (MnSO 4), manganese chloride (MnCl 2), manganese nitrate (Mn (NO 3) 2), and manganese acetate (Mn (CH 3 COO) 2 Preferably, the manganese chloride is a hydrate of the manganese chloride according to a commercial production form.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구리화합물은 구리 황산염(CuSO4), 구리 염화물(CuCl2), 구리 질산염(Cu(NO3)2) 및 구리 아세트산염(Cu(CH3COO)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 구리 염화물이다. 상업적 제조 형태에 따라 상기 구리 염화물의 수화물이 사용될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the copper compound is copper sulfate (CuSO 4), copper chloride (CuCl 2), copper nitrate (Cu (NO 3) 2) and copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ) , And is preferably a copper chloride. The hydrate of the copper chloride may be used according to commercial production mode.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제조방법에서 Mn 수용액 및 Cu 수용액을 혼합하는 단계에서 Mn 수용액 대 Cu 수용액의 부피비율은 3:1 내지 1:1인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 3:2 내지 1:1이다. 상기 비율보다 망간 화합물이 적게 포함되는 경우, 안정한 표면 피막을 형성하지 못해 내식성에 문제가 발행할 수 있으며, 상기 비율보다 망간 화합물이 많게 포함될 경우에는 비용에 비해 그 기대 효과가 크지 않다. According to an embodiment of the present invention, the volume ratio of the Mn aqueous solution to the Cu aqueous solution in the step of mixing Mn aqueous solution and Cu aqueous solution is preferably 3: 1 to 1: 1, more preferably 3: 2 to 1: 1. If the amount of the manganese compound is less than the above ratio, a stable surface film can not be formed and a problem of corrosion resistance may be caused. If the amount of the manganese compound is larger than the above ratio, the expected effect is not large compared to the cost.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 5)단계의 열처리하는 단계는 2-4 시간 동안 열처리하는 것이 바람직하다. 또한, 본원 발명의 일 구체예에서, 상기 8)단계의 열처리하여 소결시키는 단계는 2-4 시간 동안 열처리하는 것이 바람직하다. 상기 시간을 초과하거나 상기 시간 미만으로 가열하는 경우, 경도 등을 포함하여 원하는 물리적 특성을 얻지 못할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of heat-treating in step 5) is preferably heat-treated for 2-4 hours. Further, in one embodiment of the present invention, the step of heat-treating and sintering in step 8) is preferably heat-treated for 2-4 hours. If the heating time is exceeded or less than the above-mentioned time, desired physical properties including hardness and the like may not be obtained.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 3)단계의 무기염기는, 제한되는 것은 아니지만, 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화칼륨(KOH)을 포함하는 알칼리 금속 수산화물, 암모늄 탄산염 또는 알칼리 금속 탄산염 등의 무기 염기(들)을 포함한다. 바람직한 무기염기는 소듐 바이카보네이트이지만, 이로 제한되는 것은 아니다. 소듐 바이카보네이트를 사용하는 경우, 공침 후 여과액에서 Cu 검출 비율이 현저히 낮았다. 여과액에서 Cu가 검출된다는 것은 Cu 부족으로 인해, Mn2CuO4가 아닌 Mn2O3가 생성된다는 것을 의미하며 이는 도2에서 도시한 XRD 결과로 확인할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the inorganic base in the step 3) includes, but is not limited to, alkali metal hydroxides including sodium hydroxide (NaOH) and potassium hydroxide (KOH), inorganic bases such as ammonium carbonate or alkali metal carbonate (S). A preferred inorganic base is sodium bicarbonate, but is not limited thereto. When sodium bicarbonate was used, the detection rate of Cu in the filtrate after coprecipitation was remarkably low. The detection of Cu in the filtrate means that Mn 2 O 3 is produced rather than Mn 2 CuO 4 due to the lack of Cu, which can be confirmed by the XRD results shown in FIG.

본 발명의 일 구체예에서, 본원 발명의 제조방법으로 제조된 플라즈마 용사 코팅용 분말은 1차 열처리 (하소 공정) 후 분쇄 및 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 분무 건조하여 과립형 분말을 제조하고, 이를 2차 열처리 (소결 공정)를 통해 경도를 높이므로 잘 깨지거나 작업시 분진이 발생하지 않고, 플라즈마 용사 코팅시 균일하게 피딩 (feeding)되어 균일한 분사를 가능하게 한다.In one embodiment of the present invention, the plasma spray coating powder produced by the method of the present invention is prepared by pulverization and slurry after the first heat treatment (calcining step), spray drying the slurry to prepare a granular powder, The hardness is increased through the secondary heat treatment (sintering process), so that it is not cracked or dust is generated during the operation, and uniform spraying is possible by feeding uniformly during plasma spray coating.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 재질의 분리판 모재; 및 상기 플라즈마 용사 코팅용 분말을 포함하는 고체산화물 연료전지 금속분리판용 코팅 조성물로 형성된 코팅층을 포함하는 고체산화물 연료전지 금속 분리판이 제공된다. According to an embodiment of the present invention, a separator plate material made of metal; And a coating layer formed of a coating composition for a solid oxide fuel cell metal separator including the powder for plasma spray coating.

분리판 모재의 소재로는 연료전지용 금속 분리판에 이용될 수 있는 것이라면 제한 없이 이용될 수 있고, 그 예로는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 티타늄 또는 니켈로 형성되거나, 알루미늄, 티타늄 및 니켈 중 1종 이상을 포함하는 합금 재질을 제시할 수 있다. 다만, 분리판 모재 자체는 연료전지의 고온 다습한 가혹한 환경 하에서는 내식성 및 전기 전도성 특성이 만족할만한 수준을 보이지 못하는 바, 본 발명에서는 이러한 점을 보완하기 위하여 고체산화물 연료전지 금속분리판용 코팅 조성물로 금속 모재 표면에 코팅층을 형성시킨다. 이러한 코팅을 통해 금속 분리판의 전기전도성, 내식성 등을 향상시킬 수 있다.As the material of the separator plate base material, any material that can be used for the metal separator plate for fuel cells can be used without limitation. Examples thereof include stainless steel, aluminum, titanium or nickel, or at least one of aluminum, May be provided. However, since the separator plate itself does not exhibit a satisfactory level of corrosion resistance and electrical conductivity characteristics in a harsh environment of high temperature and high humidity of the fuel cell, in order to compensate for this, in the coating composition for a solid oxide fuel cell metal separator, A coating layer is formed on the surface of the base material. This coating can improve the electrical conductivity, corrosion resistance, etc. of the metal separator.

본 발명의 의해 분진 발생이 적고 플라즈마 용사 코팅시 균일한 코팅막 형성이 가능한 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법이 제공되며, 이러한 제조방법에 의해 제조된 플라즈마 용사 코팅용 분말이 제공된다.The present invention provides a method for producing a plasma spray coating powder which is less dusty and capable of forming a uniform coating film upon plasma spray coating, and a powder for plasma spray coating produced by such a manufacturing method is provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 플라즈마 용사 코팅용 분말의 현미경 사진을 확대한 것으로 소결 전 분말 및 소결 후 분말을 비교한 것이다. (소결 전 분말(a), 소결 후 분말(b))
도 2는 공침단계에서 무기염기 성분을 달리한 실시예들의 XRD 데이터이다. (실시예1 : Sodium Bicarbonate, 실시예2 : Sodium Carbonate, 실시예3 : Ammonia Water, 실시예4 : Ammonium Bicarbonate, 실시예5 : Ammonium Carbonate)
FIG. 1 is an enlarged microphotograph of a powder for plasma spray coating produced by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention, which is a comparison between powder before sintering and powder after sintering. (Powder (a) before sintering, powder (b) after sintering)
2 is XRD data of embodiments in which the inorganic base component is different in the coprecipitation step. (Example 1: Sodium Bicarbonate, Example 2: Sodium Carbonate, Example 3: Ammonia Water, Example 4: Ammonium Bicarbonate, Example 5: Ammonium Carbonate)

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 실시적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood that both the foregoing description and the following detailed description are exemplary, explanatory and are intended to be illustrative, and not restrictive. The scope of the invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description. will be.

실시예 1 소결 처리된 플라즈마 용사 코팅용 Mn2CuO4 스피넬 소재 분말의 제조 방법. Example 1 Sintered Process for producing Mn 2 CuO 4 spinel material powder for plasma spray coating.

구리염화물 이수화물 (Copper(II)-chloride dehydrate)과 망간염화물 사수화물 (Manganese(II)-chloride tetrahydrate)을 각각 증류수에 50% 용액으로 용해시켰다. Cu 수용액을 Mn 수용액 대비 40-45%로 두 수용액을 혼합시킨 후, 원료 용액 대비 5-7배 되는 소듐 바이카보네이트 7-9% 수용액에 원료 용액을 투입하였다. 생성된 침전물을 여과하고 세척한 후 건조시켰다 (90-110℃ 8시간). 건조된 분말을 1차 열처리(450-600℃ 2시간)한 후, 하소 분말을 증류수에 40-55% 수용액으로 혼합하여 볼밀로 분쇄하여 슬러리를 제조하였다. 볼을 걸러내고 슬러리를 분무건조 하여 구형 과립형 분말을 제조(Granulation)하였다. 상기 분말을 800-900℃에서 2시간동안 2차 열처리 (소결)한 후, 소결된 분말을 얻었다. Copper (II) -chloride dehydrate and Manganese (II) -chloride tetrahydrate were each dissolved in distilled water in 50% solution. Cu aqueous solution was mixed with 40-45% of the aqueous solution of Mn, and then the raw material solution was added to a 7-9% aqueous solution of sodium bicarbonate 5-7 times as much as the raw material solution. The resulting precipitate was filtered, washed and dried (90-110 DEG C for 8 hours). The dried powder was subjected to a first heat treatment (450-600 DEG C for 2 hours), and the calcined powder was mixed with distilled water in a 40-55% aqueous solution and ground by a ball mill to prepare a slurry. The balls were filtered and the slurry was spray dried to produce spherical granular powder. The powder was subjected to a secondary heat treatment (sintering) at 800-900 ° C for 2 hours to obtain a sintered powder.

실시예 2 소결 처리된 플라즈마 용사 코팅용 Mn2CuO4 스피넬 소재 분말의 제조 방법. Example 2 Sintered Process for producing Mn 2 CuO 4 spinel material powder for plasma spray coating.

상기 실시예 1의 3단계에서 무기염기로 소듐 카보네이트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that sodium carbonate was used as an inorganic base in Step 3 of Example 1 above.

실시예 3 소결 처리된 플라즈마 용사 코팅용 Mn2CuO4 스피넬 소재 분말의 제조 방법. Example 3 Sintered Process for producing Mn 2 CuO 4 spinel material powder for plasma spray coating.

상기 실시예 1의 3단계에서 염기로 암모니아수를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that ammonia water was used as a base in the third step of Example 1 above.

실시예 4 소결 처리된 플라즈마 용사 코팅용 Mn2CuO4 스피넬 소재 분말의 제조 방법. Example 4 Sintered Process for producing Mn 2 CuO 4 spinel material powder for plasma spray coating.

상기 실시예 1의 3단계에서 무기염기로 암모늄 바이카보네이트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.Was prepared in the same manner as in Example 1, except that ammonium bicarbonate was used as an inorganic base in Step 3 of Example 1 above.

실시예 5 소결 처리된 플라즈마 용사 코팅용 Mn2CuO4 스피넬 소재 분말의 제조 방법. Example 5 Sintered Process for producing Mn 2 CuO 4 spinel material powder for plasma spray coating.

상기 실시예 1의 3단계에서 무기염기로 암모늄 카보네이트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that ammonium carbonate was used as an inorganic base in Step 3 of Example 1 above.

비교 실시예 1 플라즈마 용사 코팅용 Mn2CuO4 스피넬 소재 분말의 제조 방법. Comparative Example 1 Process for producing Mn 2 CuO 4 spinel material powder for plasma spray coating.

상기 제2 열처리 단계를 실시하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1의 제조방법과 동일한 방법으로 분말을 제조하였다. A powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that the second heat treatment step was not carried out.

도 2는 상기 실시예 1 내지 5에서 제조한 실시예의 XRD 결과이다. 실시예 1을 제외한 다른 실시예에서는 공침 이후 여과액에서 Cu 검출량이 상대적으로 높은데, 이는 Cu 부족으로 인해, Mn2CuO4가 아닌 Mn2O3가 상대적으로 많이 생성된다는 것을 의미하며, 이러한 결과는 이후 금속분리판의 제조시 금속분리판의 물성에 영향을 줄 수 있다.Fig. 2 shows the XRD results of the examples prepared in Examples 1 to 5 above. Example 1 In a further embodiment, except for nopeunde in after co-precipitation filtrate by the relatively Cu detected amount, which means that due to a Cu deficiency, the Mn 2 O 3 instead of Mn 2 CuO 4 that the relatively more generated, these results It may affect the physical properties of the metal separator during the manufacture of the metal separator.

[ 제조예 1] 금속분리판의 제조 [ Manufacturing Example 1] Production of metal separator

1) 분리판 1) Separation plate 모재의Of base metal 제조 Produce

분리판 시편 모재로서 스테인리스 스틸(316L, 두께 0.1mm)을 사용하여 연료전지용 금속 분리판을 제조하였다. 연료전지용 금속 분리판을 제조함에 있어, 먼저 아세톤을 이용하여 5분동안 습식 세정한 후, 에탄올을 이용하여 5분동안 습식 세정을 실시하고, 아르곤 가스를 이용하는 플라즈마 에칭을 이용하여 건식세정을 실시하였다.A metal separator for fuel cells was fabricated by using stainless steel (316L, thickness 0.1mm) as a separator plate specimen base material. In preparing the metal separator for fuel cells, wet cleaning was first performed using acetone for 5 minutes, wet cleaning was performed using ethanol for 5 minutes, and dry cleaning was performed using plasma etching using argon gas .

2) 코팅2) Coating

1)의 분리판 모재에 실시예 1로부터 제조된 분말을 포함하는 코팅 조성물을 스프레이 코팅 방법을 이용하여 스테인레스 표면에 코팅하고, 이를 180에서 10초간 건조과정을 거친 뒤, 수소가스 환원분위기에서 800의 온도로 10분간 열처리하였다.The coating composition including the powder prepared in Example 1 was coated on the stainless steel surface using a spray coating method and dried at 180 for 10 seconds. Lt; / RTI > for 10 minutes.

[ 비교예 1] 금속분리판의 제조 [ Comparative Example 1] Production of metal separator plate

상기 제조예 1의 코팅 조성물에 실시예 1로부터 제조된 분말 대신에 비교실시예 1로부터 제조된 분말을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방식으로 금속분리판을 제조하였다.A metal separator was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the powder prepared in Comparative Example 1 was used in place of the powder prepared in Example 1.

실험예Experimental Example 1  One 접촉 저항 측정Contact resistance measurement

연료전지용 금속 분리판의 접촉저항 측정을 위해 셀 체결을 위한 최적화된 상수를 얻기 위해 수정된 데이비드 방법(Davies method)으로 금속 분리판과 카본 페이퍼 사이의 접촉저항을 측정하기 위해 접촉저항측정장치를 사용하였다.A contact resistance measurement device was used to measure the contact resistance between the metal separator plate and the carbon paper by the modified Davies method to obtain an optimized constant for cell clamping to measure the contact resistance of the metal separator for fuel cells. Respectively.

접촉저항(㏁㎠)Contact Resistance (㏁㎠) 제조예 1Production Example 1 20.620.6 비교예 1Comparative Example 1 16.116.1

금속원소의 포함여부에 따른, 접촉 저항을 측정하기 위한 접촉 저항 측정 실험에서, 제조예 1은 20.6 ㏁cm2 을 나타내었지만, 비교예 1은 16.1 ㏁cm2 로, 제조예 1에 비해 16 내지 22% 정도 감소된 수치를 나타내었다. In the contact resistance measurement experiment for measuring the contact resistance according to the presence or absence of the metal element, Production Example 1 was performed at 20.6 ㏁ cm 2 , But Comparative Example 1 shows 16.1 MΩcm 2 , Which is a value decreased by 16 to 22% as compared with that of Production Example 1.

실험예Experimental Example 2  2 부식 전류의 측정Measurement of corrosion current

부식전류를 측정하기 위한 측정장비로는 EG&G 273A을 사용하였다. 부식 내구성 실험은 PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 구동 분위기와 유사한 cathode 환경의 0.6V vs SCE(Saturated Calomel Electrode)의 부식전류 데이터를 통하여 비교 평가하였다.EG & G 273A was used as a measuring device to measure the corrosion current. The corrosion durability test was compared and evaluated by the corrosion current data of 0.6V vs SCE (Saturated Calomel Electrode) in a cathode environment similar to the driving atmosphere of PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell).

부식전류(㎃/㎠)Corrosion current (mA / cm 2) 제조예 1Production Example 1 2.42.4 비교예 1Comparative Example 1 8.18.1

제조예 1에 의해 제조한 금속 분리판은 2.4의 낮은 부식전류 값을 가지지만, 비교예 1의 경우, 8.1로 높은 부식전류 값을 나타내었다. 부식전류 값이 높다는 것은 비교예 1에 비해 제조예 1의 금속 분리판이 높은 내식성을 가진다고 이해될 수 있다.The metal separator prepared in Preparation Example 1 had a low corrosion current value of 2.4, but in Comparative Example 1, it showed a high corrosion current value of 8.1. It can be understood that the metal separator of Production Example 1 has higher corrosion resistance than Comparative Example 1 that the corrosion current value is high.

Claims (12)

1) 망간화합물 및 구리화합물을 각각 증류수에 용해하여 Mn 수용액 및 Cu 수용액을 제조하는 단계;
2) 상기 Mn 수용액 및 Cu 수용액을 3:1 내지 1:1의 부피비율로 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계;
3) 상기 제1 혼합물을 무기염기 수용액에 첨가하는 단계;
4) 상기 3)단계에서 생성된 침전물을 여과하고 세척하여 건조시키는 단계;
5) 상기 4)단계에서 생성된 건조 분말을 450 내지 600 ℃에서 열처리하는 단계;
6) 상기 5)단계에서 생성된 하소 분말을 수용액에 혼합한 후 분쇄 및 슬러리를 제조하는 단계;
7) 슬러리를 분무 건조하여 구형 과립형 분말을 제조하는 단계; 및
8) 상기 7)단계에서 생성된 분말을 800 내지 900 ℃에서 열처리하여 소결시키는 단계를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
1) preparing a Mn aqueous solution and an aqueous Cu solution by dissolving a manganese compound and a copper compound in distilled water, respectively;
2) mixing the Mn aqueous solution and the Cu aqueous solution at a volume ratio of 3: 1 to 1: 1 to prepare a first mixture;
3) adding the first mixture to an inorganic base aqueous solution;
4) filtering, washing and drying the precipitate produced in step 3);
5) heat treating the dried powder produced in the step 4) at 450 to 600 ° C;
6) mixing the calcined powder produced in the step 5) with an aqueous solution, and then pulverizing and preparing a slurry;
7) spray drying the slurry to produce spherical granular powder; And
8) heat-treating the powder produced in the step 7) at 800 to 900 ° C. and sintering the powder.
제 1항에 있어서,
상기 망간화합물은 망간 황산염(MnSO4), 망간 염화물 (MnCl2), 망간 질산염(Mn(NO3)2) 및 망간 아세트산염(Mn(CH3COO)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
The method according to claim 1,
The manganese compound being selected from the group consisting of manganese sulfate (MnSO 4), manganese chloride (MnCl 2), manganese nitrate (Mn (NO 3) 2), and manganese acetate (Mn (CH 3 COO) 2 ) Wherein the plasma spray coating method comprises the steps of:
제 1항에 있어서,
상기 구리화합물을 구리 황산염(CuSO4), 구리 염화물(CuCl2), 구리 질산염(Cu(NO3)2) 및 구리 아세트산염(Cu(CH3COO)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
The method according to claim 1,
It is selected from the group consisting of the above copper compound with copper sulfate (CuSO 4), copper chloride (CuCl 2), copper nitrate (Cu (NO 3) 2) and copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ) Wherein the plasma spray coating method comprises the steps of:
제 1항에 있어서,
상기 제 2단계의 Mn 수용액 및 Cu 수용액의 부피비율이 3:2 내지 1:1인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the volume ratio of the Mn aqueous solution and the Cu aqueous solution in the second step is 3: 2 to 1: 1.
제 1항에 있어서,
상기 5)단계의 열처리하는 단계는 2-4 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of heat treating in step 5) is heat-treated for 2-4 hours.
제 1항에 있어서,
상기 8)단계의 열처리하여 소결시키는 단계는 2-4 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of heat-treating and sintering in step 8) is heat-treated for 2 to 4 hours.
제 1항에 있어서,
상기 3)단계의 무기염기가 소듐 바이카보네이트인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the inorganic base in step 3) is sodium bicarbonate.
제 2항에 있어서,
상기 망간화합물이 망간 염화물 (MnCl2)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the manganese compound is manganese chloride (MnCl 2 ).
제 3항에 있어서,
상기 구리화합물이 구리 염화물(CuCl2)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the copper compound is copper chloride (CuCl 2 ).
상기 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 플라즈마 용사 코팅용 분말의 제조방법에 의하여 제조된 플라즈마 용사 코팅용 분말.The powder for plasma spray coating according to any one of claims 1 to 9, which is produced by the process for producing a plasma spray coating powder. 제10항에 따른 플라즈마 용사 코팅용 분말을 포함하는 금속분리판용 코팅 조성물.11. A coating composition for a metal separator comprising a powder for plasma spray coating according to claim 10. 금속 재질의 분리판 모재; 및
상기 제11항에 따른 금속분리판용 코팅 조성물로 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 금속 분리판.
Separating plate base material made of metal; And
And a coating layer formed from the coating composition for a metal separator according to claim 11.
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