Solid oxide fuel cells are high-temperature fuel cells which offer several advantages: high efficiency, fuel flexibility, high-quality waste heat, and the use of non-noble metal catalysts. Metal-supported solid oxide fuel cells, in which the ceramic mechanical support layer is replaced with the metal support, are considered as next-generation solid oxide fuel cells because of their enhanced mechanical/thermal ruggedness compared to conventional ceramic-supported solid oxide fuel cells.
Generally, fuel cells are appropriately stacked and used as a stack to produce a suitable output for a purpose, rather than being used as a single unit cell. Metal-supported solid oxide fuel cells must be scaled up from lab-scale cell to appropriate size in order to be used in a fuel cell stack. Also, it is known that high-precision manufacturing and assembly of stack components are crucial for reliability of solid oxide fuel cell stacks. Likewise, a single unit cell must be manufactured accurately as designed.
In this study, causes of cell warpage are identified, and the design that can minimize cell warpage is suggested for successful scale-up of metal-supported solid oxide fuel cells. Through thermomechanical analysis and residual stress analysis for electrode materials and metal substrate coated with these materials, it is found that residual stress derived from coefficient of thermal expansion mismatch between electrode layers and the metal substrate is the main cause of the warpage of metal-supported solid oxide fuel cells.
Based on these results, a novel design that has thicker metal protection layer on the opposite side of the electrolyte is proposed for minimizing cell warpage due to residual stress. Through the design modification, vertical deformation of 2-inch metal-supported solid oxide fuel cell can be successfully controlled to 17.36 % of the previous design. Furthermore, electrochemical evaluation showed a 21 % decrease in ohmic ASR and a 25 % increase in peak power density after the design modification, implicating reduction of contact resistance as a result of increased contact area by enhanced flatness.
고체 산화물 연료전지는 고온에서 작동하는 연료전지로 효율이 높고, 귀금속 촉매를 사용할 필요가 없으며 연료의 유연성을 가지고 양질의 폐열을 배출하는 장점이 있다. 금속 지지체형 고체 산화물 연료전지는 단위 전지의 기계적 지지를 위한 영역을 금속 지지체로 대체한 형태로, 세라믹 지지형 고체 산화물 연료전지의 단점인 기계적/열적 충격에 대한 취약성을 해결해 줄 차세대 고체 산화물 연료전지로 기대되고 있다.
연료전지는 단위 전지 하나만으로 사용되는 경우는 없고, 목적에 맞는 출력을 낼 수 있도록 적절히 적층되어 스택 형태로 사용된다. 연료전지 스택에 금속 지지체형 고체 산화물 연료전지가 적용되려면 랩 스케일의 사이즈에서 적절한 크기로 대면적화 되어야 한다. 또한 고체 산화물 연료전지 스택의 성능 및 신뢰성을 향상시키려면, 각 구성 요소들의 정밀 가공과 조립이 중요하다고 알려져 있는데, 이는 단위 전지도 마찬가지로 설계한 대로 정확하게 제작되어야 한다.
본 연구에서는, 금속 지지체형 고체 산화물 연료전지의 성공적인 대면적화를 위해서 휨(warpage) 현상이 발생하는 원인을 밝혀내고, 휨을 최소화할 수 있는 방법을 제안하였다. 전극 물질 그 자체와 전극 물질로 코팅된 금속 기판의 열기계적 특성 분석 및 잔류응력 분석을 통해서, 전극층과 금속 기판의 열팽창계수 불일치로 인한 잔류응력이 금속 지지체형 고체 산화물 연료전지가 휘게 하는 주요한 원인이라는 사실을 밝혀냈다.
이 사실을 바탕으로, 잔류 응력에 의한 휨을 최소화시키기 위해 전해질 반대편의 금속보호층을 보다 두껍게 제작하는 디자인이 제안되었다. 디자인 변경을 통해 휨의 정도가 기존의 17.36 % 수준으로 감소하였다. 또한 전기화학 평가 결과 휨이 개선되면서 오믹 ASR은 21 % 감소하고, 최대 전력밀도는 25 % 증가하였는데, 이는 단위 전지의 평탄도가 향상되면서 실 접촉 면적이 증가하여 접촉 저항이 감소한 결과로 판단된다.
