In recent years, efforts to increase the rate of using renewable energy sources are increasing to reduce CO2 emissions by fossil fuels. Solid oxide fuel cells (SOFCs) receive much attention as eco-friendly power converting system. Metal-supported solid oxide fuel cells (MS-SOFCs) are a type of SOFC and have advantage of potential application in transportation as well as stationary power generation. In order to utilize the SOFCs in real life, several unit cells must be stacked for available level of power output. In the SOFC stack, the stacked unit cells must be electrically connected, and the anode and cathode, and the interior and exterior of the stack must be completely sealed. Currently, the SOFC stack is in the initial stage of commercialization, but most stack suppliers and research institutes only disclose the electrochemical performance, durability and efficiency of the stack and not the core stacking technologies. In this study, core technologies for the development of metal-supported SOFC stack were developed. Metal-based SOFC was proposed by bonding a metal substrate and a conventional ceramic cell using a silver bonding layer. This sinter-joining process has the advantage that sufficient sintering of the cathode is possible at 1,100 °C by performing all cell fabrication processes in an oxidizing atmosphere, which can achieve low area specific resistance. A prototype 3-cells metal-based SOFC stack was successfully developed based on the large-area metal-based SOFC cells fabricated by a sinter-joining process. After evaluation of the stack performance, the causes of low electrochemical performance and degradation were analyzed through post-mortem analysis. Based on the results of post-mortem analysis, the study focused on retaining reliable sealing, and preventing oxidation of metallic interconnect and suppressing chromium volatilization by protective coating of the metallic interconnect. Through the computational analysis based on finite element method (FEM), the stack was designed to achieve stable sealing performance by retaining sufficient compressive stress on the surface of the sealing gasket, and bolt-spring system and hydraulic compression system were analyzed as the stack compression system. In order to maintain the compression and insulation of the stack, a hot box was designed based on various mechanical properties such as thermogravimetric properties and shrinkage behavior of sealing gaskets and ceramic fiber insulators. In addition, Mn-Co spinel oxide was selected as the protective coating layer material for the metallic interconnect. Coating methods and heat treatment conditions were selected to produce a protective coating layer with dense internal structure and high connectivity with the metallic interconnect. Finally, metal-supported SOFC stack was developed by applying the modified design based on the post-mortem analysis. The 1-cell stack with sputtering-based thin film metal-supported SOFC showed an open circuit voltage of 1.1 V and a maximum power density of 80 mW cm$^{-2}$ at 650 °C. The sealing rates of both the anode and the cathode sides were 100% at the initial stage and after 500 h, and cross-leak was not observed. The 5-cells stack with commercial anode-supported SOFC showed an open circuit voltage of 5.5 V and a maximum power density of 430 mW cm$^{-2}$ at 800 °C. As a result, a stack with reliable sealing and improved electrochemical performance was successfully developed based on the design modifications through the post-mortem analysis. Through this study, it is possible to develop a reliable SOFC stack along with a comprehensive understanding of stack design and development.
최근 화석연료 사용으로 인한 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 신재생 에너지원 사용 비율을 높이고자 하는 노력이 지속되면서 고체산화물 연료전지에 대한 관심 또한 증대되고 있다. 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 정치형 발전뿐만 아니라 운송 분야에서의 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있기에 큰 관심을 받고 있다. 고체산화물 연료전지를 실생활에 사용하기 위해서는 단위전지를 여러 개 적층하여 스택 형태로 제작되어야 한다. 고체산화물 연료전지 스택은 적층된 단위전지들이 전기적으로 연결되어 있어야 하고 연료극과 공기극, 스택 내부와 외부가 완벽히 밀봉 되어야 한다. 현재 고체산화물 연료전지 스택 상용화의 초기 단계에 있으나, 대부분의 스택 공급 업체 및 연구 기관들은 스택의 전기화학적 성능, 내구성, 효율 정도만 공개할 뿐, 핵심적인 스택 제작 기술은 공개하지 않고 있다. 본 연구에서는 금속지지체형 고체산화물 연료전지 스택 개발을 위한 핵심 요소기술들을 개발하고자 한다. 사후 분석에 기반한 신뢰성 있는 스택 기술 개발을 통하여 고체산화물 연료전지 스택 제작 기술을 국산화 및 내재화 하고자 한다. 본 연구에서는 먼저 은 접합층을 사용하여 금속판과 종래의 세라믹 셀을 접합함으로써 제작하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 제안하였다. 이 소결-접합 공정은 모든 셀 제작 공정을 산화 분위기에서 진행하여 1,100 ℃에서 공기극의 충분한 소결이 가능하다는 이점을 가지며, 이는 공기극의 성능 향상을 통하여 낮은 면적 비저항 달성이 가능하다. 소결-접합 공정에 의해 제작된 대면적 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 기반으로 프로토타입 3-셀 스택을 성공적으로 개발하였다. 스택 성능 평가 후 사후 분석을 통하여 낮은 전기 화학적 성능 및 열화의 원인을 분석하였다. 사후 분석에 결과에 기반하여 신뢰성 있는 밀봉 확보와 금속 분리판 코팅을 통한 금속 분리판 산화 방지 및 크롬 휘발 억제에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 유한 요소법에 기초한 전산 해석을 통하여 밀봉 개스킷의 표면에 충분한 압축 응력을 확보하여 안정적인 밀봉 성능 달성을 위한 스택 설계를 진행하였으며, 스택 체결을 위한 볼트-스프링 시스템과 유압 압축 시스템의 적용 가능성을 분석하였다. 스택의 압축 및 단열을 유지하기 위해 밀봉 개스킷과 세라믹 섬유 절연체의 열 중량 특성, 수축 거동 등 다양한 기계적 특성을 기반으로 핫박스를 설계하였다. 또한 Mn-Co 스피넬 산화물을 금속 분리판 코팅 소재로 선정하고 코팅층의 코팅 방법과 열처리 조건을 변경하여 내부 구조가 치밀하고 분리판과의 높은 연결성을 가지는 분리판 코팅층을 제작하였다. 사후 분석을 기반으로 변경된 설계안을 적용하여 최종적으로 금속지지체형 고체산화물 연료전지 스택을 개발하였다. 스퍼터링 기반의 박막 금속지지체형 고체산화물 연료전지 1-셀 스택 평가 결과 650 ℃에서 1.1 V의 개회로전압 및 80 mW cm$^{-2}$의 최대전력밀도를 나타내었다. 스택의 밀봉률 평가 결과, 초기 및 500시간 후 연료극 및 공기극 측 모두 100%의 밀봉률을 보였고 cross-leak은 존재하지 않았다. 같은 크기의 상용 연료극지지체형 고체산화물 연료전지 5-셀 스택 평가 결과, 800 ℃에서 5.5 V의 개회로전압 및 430 mW cm$^{-2}$의 최대전력밀도를 나타내었다. 결과적으로 사후 분석을 통하여 변경된 설계에 기초하여 신뢰성 있는 밀봉과 향상된 전기화학적 성능을 가지는 스택을 성공적으로 개발하였고, 본 연구를 통하여 스택 설계 및 개발에 대한 포괄적인 이해와 함께 신뢰성 있는 스택 개발이 가능할 것으로 생각한다.
