Solid oxide fuel cell (SOFC) has received a lot of attention as a promising candidate of alternative energy sources. SOFC has many advantages such as high efficiency, fuel flexibility and usage of relatively cheap catalyst due to high operation temperature. However, its low mechanical strength, which is inevitable because all components are composed of ceramic materials, limits its range of application to stationary operation field. Metal-supported solid oxide fuel cell (MS-SOFC), which has improved mechanical strength by applying metal support, could be one way to widen its range of application. Increased robustness and tolerance to redox cycle and thermal cycling are expected to widen MS-SOFC’s applicability to portable and transportation applications. However, to be introduced in portable and transportation applications, in contrast with stationary power generation, high volumetric/gravimetric power density of metal-supported solid oxide fuel cell must be achieved.
In this study, a research was conducted to increase the volumetric power density of the metal-supported solid oxide fuel cell pre-developed by KAIST. To reduce the thickness of the single cell, a metal support of 100 μm thickness was applied instead of the 200 μm thick metal support. Although there was a technical issue that the cell warps due to the surface thermal stress generated during the heat treatment process, by applying the alnico magnet into the heat treatment process, the MS-SOFC was successfully fabricated. Also, another research was conducted to improve the electrochemical performance of the single cell. Because the electrochemical performance analysis of the pre-developed cell showed that the ohmic resistance was the highest among resistance components, it was tried to improve the performance by reducing the ohmic resistance. Through lowering the ohmic resistance by reducing the thickness of anode functional layer, about 30% improvement of electrochemical performance was achieved. Finally, a metal-supported solid oxide fuel cell with high volumetric power density of more than 95 % relative to the pre-developed cell was successfully developed.
고체산화물연료전지(SOFC)는 고온 작동형 연료전지로 효율이 높고 다양한 연료를 사용할 수 있으며 귀금속 촉매가 필요하지 않다는 장점을 기반으로 각광을 받고 있는 대체 에너지원 중 하나이다. 그러나 고체산화물연료전지는 모든 층이 세라믹 물질로 이루어져 있어 기계적 강도가 낮다는 한계점 때문에 정치형 발전 분야에 국한되어 활용되고 있는 실정이다. 금속지지체형 고체산화물연료전지(MS-SOFC)는 기존 세라믹지지체를 금속지지체로 변환한 차세대 연료전지로 높은 기계적 강도를 가지며 산화/환원 사이클 및 열 사이클에 강건하여 휴대용 및 운송 분야에도 활용될 수 있을 것이라는 기대를 받고 있다. 그러나 정치형 발전 분야에서 벗어나 휴대용 및 운송 분야에 활용되기 위해서는 금속지지체형 고체산화물연료전지의 높은 체적 전력 밀도가 달성되어야 한다.
본 연구에서는, KAIST에서 기 개발된 금속지지체형 고체산화물연료전지의 체적 전력 밀도를 향상시키는 것을 그 목표로 하였다. 단위 전지의 두께를 줄이기 위하여 기존 200 μm 두께의 금속 기판 대신 100 μm 두께의 금속 기판을 도입하였으며 열처리 공정에 알리코 자석을 도입함으로써 표면 열 응력에 의한 셀의 뒤틀림 현상을 성공적으로 억제하였다. 또한, 단위 전지의 전기화학적 성능을 높이기 위하여 오믹 저항을 감소시키는 연구 역시 수행되었다. 연료극기능층의 두께를 줄임으로써 오믹 저항을 기존 대비 60 % 수준으로 감소시키는데 성공하였으며 이를 통해 기존 대비 30 % 이상의 전기화학적 성능 증대를 이루었다. 결론적으로, 앞선 두가지 연구를 통해 금속지지체형 고체산화물연료전지 단위 전지의 체적 전력 밀도를 95 % 이상 향상시키는 것에 성공하였다.
