고체산화물 연료전지 공기극의 Cr 피독을 막기 위한 인터코넥트 코팅 물질 연구

Abstract

SOFC(Solid oxide fuel clles)는 500-1000도 범위에서 작동하는 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환할 수 있는 고효율 장치이다. 최근에 많은 연구의 결과로 SOFC의 작동온도는 600-800도까지 떨어트릴 수 있었다, 낮은 작동온도가 가능해 짐으로써 기존의 세라믹으로 사용되던 SOFC Interconnect를 스테인리스 스틸과 같은 저렴한 재료로 대체하여 사용 할 수 있게 되었다. 그 중 Ferritic 계열의 스테인리스 스틸은 높은 강도와 전기전도도 그리고 매우 저렴한 가격으로 SOFC Interconnect에 가장 적합하다. 하지만 Ferratic 스테인리스 스틸의 경우 SOFC 작동온도인 600-800도에서 얇은 Cr 산화 막을 형성한다. 형성된 Cr 산화 막은 산소와 수증기와 반응해 기체상을 갖는 물질들을 형성하고 형성한 기체상들은 공기극과 전해질 계면의 활성영역을 피독하여 셀의 성능을 저감시키고 피독이 계속 진행 될 경우 공기극을 전해질에서 박리시킨다. 그렇기 때문에 공기극과 전해질 사이의 Cr 피독을 막기 위하여 Interconnect를 세라믹 계열의 재료로 코팅 하여 Cr 피독을 막는 방법이 연구되고 있다. 코팅 물질로는 Perovskite구조를 갖는 LSM, LSCF와 Spinel 구조를 갖는 (NiCo)3O4, (MnCo)3O4 가 주로 사용되고 있다. 하지만 Perovskite 구조를 갖는 세라믹의 경우 장시간 운전 시 금속과 세라믹간의 박리가 일어나고 밀도 있는 산화 막을 형성하지 못한다. 그에 반해 Spinel 계열의 경우 높은 전기전도도를 갖고 Perovskite와 비교하여 상대적으로 낮은 소결 온도를 갖기 때문에 Interconnect 코팅에 더욱 적합하다. PNNL의 Yang 교수에 의하면 Spinel 계열 중에 (MnCo)3O4가 가장 우수하고 Mn1.5Co1.5O4의 비율을 가질 때 가장 큰 전기전도도를 갖는다고 보고하였다. 하지만 (MnCo)3O4의 경우 1000도가 넘는 온도에서 소결이 되는 특성이 있기 때문에 치밀 막을 형성하고 금속의 보호를 위해 낮은 온도에서 장시간 소결 과정을 거쳐야 한다. 그렇기 때문에 본 연구에서는 Cr 피독을 막기위한 연구의 일환으로 Spinel 계열의 새로운 코팅 물질을 찾고 그 물질의 기본적인 특성을 평가하였다. 또한 장기 성능 평가를 통해 코팅 물질의 신뢰성을 확보 하였고, 나아가 3-전극법을 통해 Cr 피독의 유무를 확인 하였다.