연료 전지용 인터커넥트 및 그의 제조 방법 document_id A220623038053

고온과 부식성 환경에서 사용되는 연료 전지 구성품의 한 예는, 연료 전지 용 인터커넥트, 특히 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 용 인터커넥트이다. 연료 전지에 사용되는 인터커넥트 재료는 연료 전지의 집전기뿐만 아니라 연료측과 산소/공기 면 사이의 분리한 면으로서 작용을 해야한다. 인터커넥트 재료가 좋은 분리판이 되기 위해서, 그 재료는 이 재료를 통한 기체 확산을 피하기 위해 조밀해야 하고, 또한 좋은 집전기가 되기 위해서는 전기 전도성이 있어야 하고 표면에 절연 산화물 스케일을 형성하지 않아야 한다. 인터커넥트는 예컨대 흑연, 세라믹 또는 금속, 종종 스테인리스 강으로 만들어진다. 예를 들면, 페라이트계 크롬 강이 SOFC 에서 인터커넥트 재료로서 사용되고, 다음의 두 개의 논문이 그 예이다: 스위스 루체른에서의 5차 유럽 고체 산화물 연료 전지 포럼에서의 P.B. Friehling 과 S. Linderoth 에 의한 "다수의 SOFC 에서 인터커넥트 재료로서 페라이트 스테인리스 강의 평가" (J. Huijsmans 에 의해 편집 (2002)) 의 855 페이지; 스위스 루체른에서의 5차 유럽 고체 산화물 연료 전지 포럼에서의 T. Uehara, T. Ohno 와 A. Toji 에 의한 "SOFC 분리기를 위한 페라이트 철-크롬 합금의 발전" (J. Huijsmans 에 의해 편집 (2002)) 의 281 페이지. SOFC 에서 사용될 때, 인터커넥트 재료의 열 팽창은 연료 전지 스택에서 양극, 전해질과 음극으로 사용되는 전기 활성 세라믹 재료의 열 팽창과 크게 차이가 있어서는 안된다. 페라이트계 크롬 강은, 페라이트계 강의 열 팽창 계수 (TEC) 가 연료 전지에 사용되는 전기 활성 세라믹 재료의 열 팽창 계수와 비슷하기 때문에 이러한 용도에 매우 적합한 재료이다. 연료 전지의 인터커넥트는 작동 동안 산화에 노출된다. 특히 SOFC 의 경우, 이 산화는 연료전지의 효율성과 수명에 유해할 수 있다. 예컨대, 인터커넥트 재료의 표면에 형성된 산화물 스케일은 두꺼워질 수 있고 열적 사이클링에 의해 박리되거나 균열이 생길 수도 있다. 따라서, 산화물 스케일은 인터커넥트 재료에 좋은 부착성을 가져야 한다. 또한, 형성된 산화물 스케일은 좋은 전기 전도성을 가져야 하고, 너무 두꺼워지지 않아야 하는데, 두꺼운 산화물 스케일은 내부 저항의 증가를 일으키기 때문이다. 형성된 산화물 스케일은 SOFC 에서 연료로서 사용되는 가스에 대해 내 화학성이어야 하는데, 즉 크롬 수산화물과 같은 휘발성 금속 함유 종이 형성되지 않아야 한다. 크롬 수산화물과 같은 휘발성 화합물은 SOFC 스택에 있는 전기 활성 세라믹 물질을 오염시키고, 이어서 연료 전지의 효율성의 감소를 일으킬 것이다. 또한, 상기 인터커넥트가 스테인리스 강으로 만들어진 경우에, 강의 중심부에서 강의 표면에 형성된 크롬 산화물 스케일로 크롬이 확산됨으로 인해, 연료 전지의 수명 동안 강에서 크롬이 고갈될 위험이 있다. SOFC 에서 인터커넥트로서 통상적인 페라이트계 크롬 강을 사용하는 것과 관련한 한 문제점은, 페라이트계 크롬 강은 보통 소량의 알루미늄 및/또는 규소와 합금화 되어 있으며, 이 알루미늄과 규소는 SOFC 의 작동 온도에서 Al2O3 와 SiO2 를 각각 형성하게 된다는 것이다. 이러한 산화물은 모두 절연성으로 전지의 전기 저항을 증가시키게 되고, 이는 다시 연료 전지의 효율성의 저하로 이어진다. SOFC 용 인터커넥트 재료로서 페라이트계 강을 사용할 때 발생하는 문제들에 대한 한 방안은 절연성 산화물 층의 형성을 피하기 위해 매우 소량의 Si 와 Al 을 함유한 페라이트계 강을 사용하는 것이다. 이러한 강은 보통 망간과 La 와 같은 희토류 금속과도 또한 합금화 된다. 이것은 예를 들어, 특허 출원 US 2003/0059335 에 개시되어 있는데 여기서 강은 0.2 ~ 1.0 중량 % 의 Mn, 0.01 ~ 0.4 중량 % 의 La, 0.2 중량 % 이하의 Al 그리고 0.2 중량 % 의 Si 과 합금화 된다. 다른 예는 특허 출원 EP 1 298 228 A2 에 있는데, 여기서 강은 1.0 중량 % 이하의 Mn, 1.0 중량 % 이하의 Si, 1.0 중량 % 이하의 Al, 0.5 % 중량 이하의 Y, 및/또는 0.2 중량 % 이하의 희토류 금속 (REM) 과 합금화 된다. 특허 출원 US 6054231 에서는 오스테나이트계 스테인리스 강, 니켈과 크롬의 합금, 니켈계 합금 또는 코발트계 합금으로 정의되는 초합금이 먼저 Mn, Mg 또는 Zn 으로 코팅되고 그리고 그 후 Cu, Fe, Ni, Ag, Au, Pt, Pd, Ir 또는 Rh 족에서 선택된 추가 금속으로 된 25 ~ 125 ㎛ 의 두꺼운 층으로 코팅된다. Ni, Ag 또는 Au 과 같은 비싼 금속의 두꺼운 제 2 층의 코팅은 초합금과 같은 상대적으로 비싼 모재를 보호하는 경제적인 방법이 아니다. US2004/0058205 는 전기 접촉자로 사용되며 산화될 때 고 전도성 표면을 형성하는 금속 합금을 기재하고 있다. 이 합금은 강과 같은 기재에 적용될 수 있다. 상기 전도성 표면은 Ti 같은 금속을 Nb 이나 Ta 같은 다른 금속으로 도핑하여 얻어진다. 또한, US2004/0058205 에 따른 상기 합금은 한 단계에서 표면에 적용되고 그 후에 산화된다. 또한, 기재로부터 Cr 을 포함하는 고 전도성 복합 산화물 층을 형성하는 금속 산화물 또는 금속으로 코팅된 표면의 일부분을 포함하는 이극 (bipolar) 판이 DE 195 47 699 A1 에 기재되어 있다. DE 195 47 699 A1 의 발명은 전극 접촉자 표면 구역의 코발트, 니켈, 철 농축층과 합금을 형성하는 크롬 산화물로 구성된 판에 관한 것이다. 또한 DE 103 06 649 A1 에는, SOFC 에서 인터커넥트로 사용되는, 스피넬을 형성할 수 있는 요소를 포함한 층을 갖는 기재를 형성하는 Cr-산화물이 기재되어 있다. 언급된 상기 종래 기술 중 어떠한 것도 부식성 환경 및/또는 고온에서의 사용을 위해 비용-효율적인 방식과 전도성 표면의 질을 제어할 수 있는 높은 가능성으로 제조되는 만족스러운 연료 전지 구성품을 제공하지 못한다.