CuFe2O4/CuO 이중층 보호 코팅 증착
고체산화물연료전지용 SUS430 인터커넥트에 초음파 스프레이 방식으로 증착된 CuFe2O4/CuO 이중층 보호 코팅
청정에너지 분야에서 고체산화물연료전지(SOFC)는 발전 잠재력이 매우 큰 발전 장치입니다. 천연가스, 수소와 같은 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환할 수 있으며, 에너지 변환 효율이 기존 화력 발전보다 훨씬 높습니다. 또한, 저공해 및 저소음으로 작동하여 대규모 중앙 집중식 전력 공급 시나리오뿐만 아니라 산업 및 민간 부문에 서비스를 제공하는 분산형 전력원으로도 적합합니다. 현재 SOFC는 신에너지 기술 연구 개발의 핵심 방향 중 하나입니다.
단일 연료전지는 비교적 낮은 전압을 생성합니다. 실제 전력 수요를 충족하기 위해서는 다수의 개별 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 연료전지 스택을 구성해야 합니다. 개별 셀을 연결하는 금속 부품은 스택의 안정적인 작동을 보장하는 핵심 부품입니다. 현재 페라이트계 스테인리스강은 높은 기계적 강도와 저렴한 가격 때문에 연료전지 조립에 적합한 금속 부품으로 널리 사용되고 있습니다. 그러나 이 소재는 연료전지의 고온 산화 환경(약 800℃)에서 두 가지 치명적인 결함을 드러내어 배터리의 전체 수명을 크게 단축시킵니다.
첫째, 크롬 휘발로 인한 크롬 중독 문제가 있습니다. 스테인리스강 표면에는 자연적으로 보호 산화막이 형성됩니다. 고온의 산소가 풍부한 환경에서 이 산화크롬 층은 추가 반응을 일으켜 휘발성 기체 크롬 화합물을 생성합니다. 이러한 기체 물질은 공기 흐름을 따라 배터리의 음극 영역으로 이동하여 지속적으로 침착 및 축적되면서 전극의 반응성을 점차 저하시키고 배터리의 내부 저항을 증가시켜 궁극적으로 발전 효율을 지속적으로 떨어뜨립니다. 둘째, 금속 기판은 고온의 산화 분위기에 지속적으로 노출되어 산화층이 지속적으로 두꺼워집니다. 이는 부품 간 접촉 저항을 증가시킬 뿐만 아니라, 산화층과 스테인리스강 기판의 열팽창 특성 차이로 인해 반복적인 열 사이클 후 산화층이 벗겨지거나 균열이 발생하기 쉬워 배터리 성능 저하를 더욱 가속화합니다. 또한, 산소가 금속 내부로 침투하고 원소가 금속 내부에서 외부로 확산되는 양방향 물질 이동은 부품의 구조적 안정성을 지속적으로 저하시킵니다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 금속 커넥터 표면에 고성능 보호 코팅을 형성하는 것이 매우 중요합니다.
전도성과 차단 특성의 균형을 맞추기 위해 연구자들은 복합 산화물 코팅 재료에 주목해 왔습니다. 스피넬 산화물은 높은 전도성과 금속 기판에 대한 강력한 접착력을 가지고 있어 크롬 누출과 산소 침투를 일정 수준 차단할 수 있는 보호 코팅의 주재료로 자주 사용됩니다. 다양한 후보 재료 중에서도 구리-철 복합 스피넬 재료는 풍부하고 비용 효율적이며 스테인리스강과 유사한 높은 열팽창 계수를 가지며 우수한 전도성을 보여 이상적인 내부 코팅 재료입니다. 구리 산화물은 전기 전도성이 다소 낮지만 크롬 및 망간과 같은 원소의 확산을 차단하는 데 탁월한 특성을 제공합니다. 두 소재의 장점을 결합하여 업계에서는 이중층 복합 코팅 설계를 제안해 왔습니다. 내부층은 우수한 전도성을 지닌 구리-철 스피넬을 사용하여 부품의 전도성과 접착 강도를 확보하고, 외부층은 조밀한 확산 방지층 역할을 하는 산화구리로 구성하여 이중 작용을 통해 보호 효과를 극대화합니다.
기존 코팅 공정은 준비 방법에 있어 상당한 한계를 가지고 있습니다. 마그네트론 스퍼터링 장비는 고가이고 속도가 느려 대면적의 복잡한 형상 부품에 대한 대규모 처리가 어렵습니다. 전기 도금은 높은 증착 효율을 제공하지만 코팅 내 다양한 금속 원소의 비율을 정밀하게 제어하기 어려워 전체적인 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 반면, 스프레이 공정은 조작이 간편하고, 준비 조건이 온화하며, 원료 활용률이 높고, 코팅 조성을 유연하게 제어할 수 있습니다. 특히 초음파 스프레이 기술은 고주파 진동을 이용하여 슬러리를 균일한 크기의 초미세 입자로 분산시키는 방식으로 이러한 장점을 극대화합니다. 이 탁월한 액적 분산 특성 덕분에 부품 표면에 균일하고 조밀한 코팅이 형성되어 이중층 복합 코팅의 요구 조건에 완벽하게 부합합니다.
연구진은 초음파 분무 기술을 이용하여 스테인리스강 부품 표면에 구리-철 스피넬 내부층과 산화구리 외부층을 순차적으로 형성하여 완전한 이중층 보호 시스템을 구축했습니다. 이후 장기간 고온 산화 시험을 통해 이 코팅의 실용성을 충분히 검증했습니다. 800℃에서 1000시간 연속 작동 후, 보호되지 않은 스테인리스강 표면의 산화층은 지속적으로 두꺼워진 반면, 이중 코팅이 적용된 시료의 산화층 두께는 약 3마이크로미터에 불과했습니다. 이 데이터는 이 코팅이 스테인리스강의 산화 속도를 크게 줄여 86.6%의 보호 효율을 달성하고, 산화층의 지속적인 성장 문제를 효과적으로 억제할 수 있음을 보여줍니다.
연료전지 커넥터의 핵심 지표인 전도성은 이번 시험에서 매우 우수한 결과를 보여주었습니다. 100시간의 고온 작동 후에도 코팅된 부품의 표면 저항은 제곱센티미터당 2.4밀리옴에 불과했으며, 누적 1000시간 작동 후에도 제곱센티미터당 7.6밀리옴 미만의 저항값을 유지하며 탁월한 전도성을 입증했습니다. 전기화학적 시험을 통해 이중층 코팅이 크롬 이동을 효과적으로 차단하여 크롬 중독이 음극 반응에 미치는 악영향을 크게 완화하고, 전극 계면을 안정화하며, 배터리의 장기적인 전기화학적 성능 안정성을 보장함을 확인했습니다. 또한, 코팅은 기판을 완벽하게 덮고 강력한 접착력을 보여 수천 시간의 고온 시험 후에도 박리나 벗겨짐 현상이 나타나지 않아 뛰어난 구조적 안정성을 보여주었습니다.
단일 코팅 구조와 비교했을 때, 이 이중층 설계는 기능적 상호보완성을 제공합니다. 내부층은 전도성 기반을 강화하고, 외부층은 차단 기능을 향상시켜 금속 부품의 고온 산화, 크롬 휘발, 원소 간 상호 확산과 같은 여러 문제를 시너지 효과적으로 해결합니다. 또한, 초음파 분사 공정은 유연성과 뛰어난 확장성을 제공하여 기존 코팅 기술의 높은 비용과 낮은 적응성이라는 한계를 극복하고, 이러한 보호 코팅의 산업화를 위한 길을 열어줍니다.
본 연구는 고온 연료 전지의 금속 부품을 장기간 보호하는 새로운 해결책을 제시합니다. 향후 코팅 조성 및 분사 공정의 지속적인 최적화를 통해 이러한 이중층 보호 코팅은 전반적인 성능을 더욱 향상시켜 고체 산화물 연료 전지의 수명 연장, 안정성 향상, 비용 절감을 촉진하고, 이 청정 에너지 장치의 대규모 상용화를 가속화하여 에너지 전환 과정에서 더욱 중요한 역할을 수행할 수 있도록 할 것으로 기대됩니다.
치어소닉 소개
Cheersonic은 마이크로전자공학/전자공학, 대체 에너지, 의료 및 산업 시장을 위한 부품 및 구성 요소의 표면을 보호, 강화 또는 매끄럽게 하기 위해 정밀한 박막 코팅을 적용하기 위한 초음파 코팅 시스템의 선도적인 개발 및 제조업체입니다. 자동차.
당사의 코팅 솔루션은 환경 친화적이고 효율적이며 신뢰성이 높으며 과다 분무, 원료, 물 및 에너지 사용을 크게 줄이고 공정 반복성, 전달 효율성, 높은 균일성 및 배출량 감소를 제공합니다.
