[논문]박막 코팅을 이용한 SOFC 분리판 재료의 내산화성 향상

이창보; 배중면

doi:10.3795/ksme-b.2006.30.12.1211

[국내논문] 박막 코팅을 이용한 SOFC 분리판 재료의 내산화성 향상
Improvement of Oxidation-resisting Characteristic for SOFC Interconnect Material by Use of Thin Film Coating 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.30 no.12 = no.255, 2006년, pp.1211 - 1217

이창보 (한국과학기술원 기계공학과) , 배중면 (한국과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is focused on oxidation prevention of STS430, which is generally used as solid oxide fuel cell(SOFC) interconnect at intermediate operating temperatures with oxidation-proof coatings. Inconel, $La_{0.6}Sr_{0.4}CoO_3(LSCo)$ and $La_{0.6}Sr_{0.4}CoO_3(LSCr)$ were chosen as coating materials. Using a radio frequency magnetron sputtering method, each target material was deposited as thin film on STS430 and was analyzed to find out favorable conditions. In this study, LSCr-coated STS430 can reduce electrical resistance to 1/3 level, compared with uncoated STS430. Also, long-term durability test at $700^{\circ}C$ for 1000 hours tells that LSCr thin layer performs an important role to prohibit serious degradations. Superior oxidation-resistant characteristic of LSCr-coated STS430 is attributed to the inhibition of spinel structure formation such as $MnCr_2O_4$.

주제어

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문제 정의

하지만 상용 스테인리스스틸조차도 연료전지 작동온도 범위에서 산화 특성이 좋지 않아 스택의 저항 손실을 크게 하므로 금속 분리판의 내산화성을 향상시키려는 연구가 많이 진행되고 있다. 크게 분리판 신재료 개발과 내산 화 막 코팅기술이라는 두 개의 연구방향으로 접근되고 있으며, 본 연구에서 다루게 될 내산 화 막 코팅을 이용하는 방법에 대해 간단히 소개하기로 한다. 고전적인 고체산화물연료전지의 작동온도는 대략 900~1000℃ 이며, 따라서 분리판 재료로서 전기전도도가 좋으면서도 내산화성이 좋은 재료가 이용되었다.

제안 방법

4Cr03(LSCr) 를 각각 박막 코팅한 후 전도 특성을 살펴보았다. 그리고 연료전지 장기특성 모사를 위해 700℃ 에서 1000 시간 동안 산화 특성을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 SOFC 분리판 재료로 쓰이는 STS430 금속에 스퍼터링 증착방법을 이용하여Inconel625, La0.6Sro.4Co03 (LSCo), La0.6Sro.4Cr03(LSCr) 를 각각 박막 코팅한 후 전도 특성을 살펴보았다. 그리고 연료전지 장기특성 모사를 위해 700℃ 에서 1000 시간 동안 산화 특성을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 스퍼터링 방법을 이용하여 전기 전도성이 좋은 재료를 SOFC 분리판 재료인 STS430 에 박막 코팅하여 저항 특성 향상을 도모하였다. 각 시편에 대해 온도에 따른 저항 특성과 장 기 산화 특성을 살펴보았고, 다음과 같은 몇 가지 결론을 내릴 수 있다.
양 표면에 증착한 이유는 4 단자 법을 이용해 저항을 측정하기 위함이다. 시편에 증착 재료가 잘 증착되었는지 확인하기 위해 Fig. 1 과 같이 미세 구조사 진을 주사 전자 현 미 경(Scanning Electron Microscope)으로 촬영하였다. Inconel625(Table 2 의 Experimental No.
이와 같이 증착된 시편을 각각 900℃ 까지 승온시켜 30분이 지난 후 4 단자 법을 이용해 저항을 측정하였으며, 차례로 온도를 내려가며 500℃ 까지 측정하였다. 이렇게 측정된 시편 중 아무것도 코팅되지 않은 STS430 과 LSCr 이 코팅된 STS430 의 경우 장기특성을 비교하기 위해 중저온형 SOFC 작동온도인 700℃ 로 맞춘 후 1000 시간 동안 저항 특성을 살펴보고, 산화된 시편의 상분석을 실시하였다.
5/mi의 치밀한 박막이 증착된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 증착된 시편을 각각 900℃ 까지 승온시켜 30분이 지난 후 4 단자 법을 이용해 저항을 측정하였으며, 차례로 온도를 내려가며 500℃ 까지 측정하였다. 이렇게 측정된 시편 중 아무것도 코팅되지 않은 STS430 과 LSCr 이 코팅된 STS430 의 경우 장기특성을 비교하기 위해 중저온형 SOFC 작동온도인 700℃ 로 맞춘 후 1000 시간 동안 저항 특성을 살펴보고, 산화된 시편의 상분석을 실시하였다.

대상 데이터

면적 비저항(Area Specific Resistance)의 평준화를 위해 lOxlOmn? 의 면적에 1mm 두께로 가공된 STS430 시편을 준비하였다. 또한 Inconel625, LSCo, LSCr 재료에 대해 각각 3inch 직경의 스퍼터 타겟 을 제작하였다. Table 1 에 STS430 과 Inconel625 의 조성을 각각 나타내고 있다.
참고로 Inconel625 는 초저온에서 약 1000℃ 까지 이르는 넓은 온도 범 위에서 고인장력 및 인성을 보유하며 내산화성, 피로 강도 및 내식성이 좋아 핵 반응기, 해양설비, 항공기 부품 등 극한적인 환경에 쓰이는 것으로 알려져 있다. 선정된 재료를 Table 2 에 정리한 바와 같은 조건으로 STS나30 시편 양 표면에 증착하였다. 양 표면에 증착한 이유는 4 단자 법을 이용해 저항을 측정하기 위함이다.
면적 비저항(Area Specific Resistance)의 평준화를 위해 lOxlOmn? 의 면적에 1mm 두께로 가공된 STS430 시편을 준비하였다. 또한 Inconel625, LSCo, LSCr 재료에 대해 각각 3inch 직경의 스퍼터 타겟 을 제작하였다.

데이터처리

위와 같은 결과를 뒷받침하기 위해 장기특성 실 험후 시편에 대해 박막 X-선 회절 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 5 에 나타내었다. Uncoated STS430 은 주요 상으로서 Mn3.

성능/효과

- 본 연구에서 제작된 LSCr-coated STS430 은 uncoated STS430 에 비해 저항 특성치를 1/3 정도 줄일 수 있다.

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