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핵심기술
나노 산화 분말과 SUS430 분말 혼합기술, 나노 산화 분말이 첨가된 Fe 기저 금속분리판 합금의 성형 기술, 나노 산화물 첨가 Fe 합금의 열팽창계수 제어 기술 및 기계강도 고도화 기술, 나노 산화물 첨가 Fe합금의 면저항 저감 기술 및 내구성 고도화기술

최종목표

1. 면저항 (mΩ.㎠) : 50(1차년도), 30(2차년도)
2. 면저항증가속도(수명평가) (mΩ.㎠/1kh) : 60(1차년도), 30(2차년도)
3. 열사이클 (회) : 5(1차년도), 10(2차년도)
4.

핵심기술
나노 산화 분말과 SUS430 분말 혼합기술, 나노 산화 분말이 첨가된 Fe 기저 금속분리판 합금의 성형 기술, 나노 산화물 첨가 Fe 합금의 열팽창계수 제어 기술 및 기계강도 고도화 기술, 나노 산화물 첨가 Fe합금의 면저항 저감 기술 및 내구성 고도화기술

최종목표

1. 면저항 (mΩ.㎠) : 50(1차년도), 30(2차년도)
2. 면저항증가속도(수명평가) (mΩ.㎠/1kh) : 60(1차년도), 30(2차년도)
3. 열사이클 (회) : 5(1차년도), 10(2차년도)
4. 열팽창계수 (10^-6m/m.K) : -(1차년도), 10-13(2차년도)
5. 기계강도 (MPa) : -(1차년도), > 300(2차년도)

개발내용 및 결과
o Fe 기저 합금에 나노 산화물 입자가 균일 혼합 기술 개발
o 나노 산화물 입자 분산 Fe합금의 열팽창계수 제어 및 거동 연구
o 나노 산화물 종류에 따른 Fe 기저합금의 면저항, 소결밀도 특성 연구
o 나노 산화물 입자의 농도에 따른 Fe기저합금의 내산화성 및 면저항 특성 거동 연구 및 개선
o 나노 산화물 입자 분산된 Fe합금의 금속 분리판 최적 조성 확립
o 나노 산화물 분산 금속 분리판 소재의 산화기구 규명
o 개발된 나노산화물 분산 Fe기저 금속분리판 금속 소재의 대표적인 특성은 다음과 같으며, 목표 요구 조건을 모두 만족하였음

1. 면저항 (초기면저항)
SUS430-5wt.% La₂O₃ 기준 = 10.45 mΩ.㎠

2. 면저항증가속도(수명평가)
SUS430-5wt.% La₂O₃ 기준 = 5.78 mΩ.㎠/1kh

3. 열사이클 (10회 열사이클 간 면저항 증가량)
SUS430-5wt.% La₂O₃ 기준 = 0.19 mΩ.㎠/10times

4. 열팽창계수
SUS430-5wt.% La₂O₃ 기준 = 12.32 × 10^-6m/m.K

5. 기계강도
SUS430-5wt.% La₂O₃ 기준 10개 시료 평가
최대 409.2 Mpa, 평균 365.62 Mpa,
최소 312.1 Mpa

기술개발 배경
o 최근 연료전지, 고온 수전해에 의한 수소 생산, 고온 전해반응 합성가스생산 등 고온 전해반응 기술이 급속히 확대되고 있으며, 특히 2013년 세계 연료전지 시장은 2조 3천억 원을 형성하였다. 국내에서는 2013년 약 4천억 원의 연료전지가 판매 설치되었다. 이러한 속도록 연료전지가 시장에 보급될 경우 2020년이후에는 약 20조원의 실질적인 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다. 그러나 현재 보급되고 있는 연료전지, 고온 수소생산, 고온 전해 합성가스 생산 기술은 kW당 500만원으로 가격이 매우 높아 시장 진입의 걸림돌이 된다. 그 이유는 고온 전해 반응의 핵심 부품인 금속 분리판의 높은 가격이 커다란 요인이 된다.

o 고온 전해반응은 700 ℃이상의 고온에서 전기화학반응으로 전기를 생산(연료전지), 수소 생산(고온수전해), 이산화탄소 및 물 동시 전해반응에 의한 합성가스 생산이 주된 제품 기술 군에 해당된다. 전해반응의 핵심 부품은 셀과 금속 분리판으로 대별되며, 이 두 부품에 사용되는 소재 가격이 부품 가격의 80% 이상을 차지하고 있다. 하지만 현재까지 셀에 대한 지원이 많이 있어 왔으나, 고온 금속분리판 소재 기술의 국가 지원이 미비했다.

o 국내외를 통틀어 현재까지 무코팅 상태에서 SOFC 및 SOEC 등의 고온전해반응용 스택에 적용 가능한 분리판 소재는 아직 개발되지 않은 상태이며, 코팅에 사용되는 소재가 고가이고, 플라즈마 코팅 공정 등에 소요되는 공정비용 저감을 위해서는 코팅을 하지 않고 사용할 수 있는 무코팅 금속 분리판 소재 개발이 요구된다.

o 차세대 연료전지 시스템인 SOFC 시스템 및 차세대 수전해 시스템인 SOEC 시스템은 현재 시장이 급속히 확대되고 있는 기술 분야이며, 해당 기술의 조기 상용화 및 국산화를 위해서는 SOFC 및 SOEC 스택의 가격과 수명을 결정하는 핵심기술인 무코팅 금속분리판 개발이 요구된다.

핵심개발 기술의 의의
o 금속 분리판 소재는 저가의 소재를 기반으로 개발되어야 한다. 본 연구에서는 저가의 페라이트계 Fe합금인 SUS 430소재를 기반으로 고성능 금속 분리판 기술을 개발하였다. 또한 기존 공정인 VIM 대비 가격이 저렴한 대기중 금속 분리판 성형 공정을 개발하여 SOFC 및 SOEC 상용화의 큰 걸림돌인 경제성 문제를 해결하였다.

o 상용 저가의 SUS 430 소재는 그 자체로는 내산화성 및 고온 전기전도성, 열팽창 특성 등이 나빠서 금속분리판 소재로 사용될 수 없다. 본 연구에서는 희트류계 나노 산화물 입자를 균일 분산시킴으로써, 전기전도성 산화물 개발 및 산화물 구조 개선을 통해 금속 분리판에 요구되는 물리화학적 특성을 해결하였다. 산화 거동은 계면 밀착성 향상, 산화층 성장률 감소 및 산화층 형상을 향상시킬 수 있는 희토류 원소(Rare earth)의 첨가로 개선될 수 있다. 예를 들어 금속분리판에 널리 쓰이는 Crofer 22 APU 및 ZMG232등과 같은 합금은 스케일 조성 및 전도도를 제어하기 위해 개발되어왔다. 또한, 이들 금속 합금의 표면 개질 방법 및 세라믹 코팅의 사용은 낮은 전기 저항 및 낮은 Cr의 증발을 유지하는 유익한 방법으로 입증되었다.

o 이러한 가운데 희토류산화물이 분산된(oxide dispersed, ODS) 합금은 최근 몇 년 동안 많은 관심이 제기되고 있다.
분산된 희토류 산화물 입자는 기저 금속에 산화물 층의 밀착성을 향상시키고 계면에서 양이온의 확산을 지연시킴에 따라 기저 합금의 내산화성을 개선함에 매우 유익하다. 또한 산화물 입자에 의한 전위의 연동(interlocking) 현상 때문에 높은 강도를 나타내게 된다. 본 기술개발의 신소재(SUS430-희토류산화물)는 Crofer 22APU에 비해 상용 SUS430의 비용 효율이 높고 저렴한 분리판 재료이며, SOFC의 작동 중에 산화 방지, 전자 전도 및 Cr 보존성 향상으로 금속 분리판의 전기적 특성 열화를 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

o 본 연구에서 개발된 합금은 1,000시간 산화시험 결과, 통상적으로 사용되는 Crofer22APU와 필적하는 면저항(ASR)을 갖춤으로써, SUS430의 내산화 특성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 SOFC 구성품들과의 열팽창계수의 부합성이 높음으로 확인되어, SOFC 분리판 소재로 훌륭한 소재임을 입증하였다.

적용 분야
o 고온 합성가스 생산용 분리판 소재, 고온 연료전지 발전기의 핵심 부품 소재, 고온 수전해 수소 생산 설비의 핵심 부품, 고온 이산화탄소/물 동시 분해 장치의 핵심 부품, 전력저장용 고온 전지(NaS) 핵심 소재 등.

(출처 : 최종보고서 초록 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 11
• 목차 ... 18
• 제 1 장 서론 ... 20
• 제 1 절 과제의 개요 ... 20
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 23
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 23
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 26
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 28
• 제 4 절 수행 결과의 보안 등급 ... 32
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 33
• 제 3 장 결과 ... 34
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 34
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 34
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 35
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 222
• 1. 각 기관별 역할 및 추진 체계 ... 222
• 2. 각 기관별 추진 내역 ... 223
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 227
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 228
• 제 4 장 사업화 계획 ... 229
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 229
• 제 2 절 사업화 계획 ... 232
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 ... 233
• 끝페이지 ... 234