S i 기반 u-SOFC 성능 향상을 위한 반응 면적 최적화 설계 및 특성 연구
저자
발행사항
시흥 : 한국공학대학교 일반대학원, 2024
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한국공학대학교 일반대학원 : IT반도체융합공학과 2024. 2
발행연도
2024
작성언어
한국어
발행국(도시)
경기도
형태사항
; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김경국
UCI식별코드
I804:41069-200000738096
소장기관
The necessity of global carbon neutrality is emerging worldwide. In response, electricity is being generated through the reaction of hydrogen and oxygen, and the prospect of environmentally friendly fuel cells using water as a byproduct is increasing. In particular, solid oxide fuel cells are gaining attention due to their high-power density per unit mass and high output per unit cell.
However, a drawback of solid oxide fuel cells is that they operate in high-temperature environments. Therefore, micro fuel cells have been proposed to address this issue by reducing the electrolytes' and electrodes' thickness to achieve low resistance, enabling vigorous electrochemical reactions even at low temperatures. The mechanical and thermal stability of thin films is a challenge that needs to be addressed.
In this study, we have proposed a new design by distributing micro cells more widely and arranging cells with low stress at stress concentration position, thereby increasing the effective area. We researched to understand component characteristics and optimize efficiency. The stress analysis per unit area of micro-cell size was carried out through COMSOL simulation. The stress of hexagonal, rectangular, and circular shapes was also analyzed by COMSOL simulation.
The component design cases were set with the reference sample as (Case 1). (Case 2) involved an arrangement of 50μm circular cells up to a 6.3mm area. (Case 3) arranging circular cells up to a 6.3mm area with 30μm cells on the side. (Cases 4, 5) involved arranging rectangular and hexagonal cells in the same configuration as (Case 3). Additionally, optimization studies were conducted on the unit processes of Pt electrode film and YSZ electrolyte film.
It was confirmed that Peak Power increases with the effective area in the measurement environment. Consequently, a stable component case with a 69% increase in Peak Power compared to the reference sample was identified. Further research on electrolyte and electrode materials is believed to lead to superior component results.
전세계적으로 탄소중립에 관한 필요성이 대두되고 있다. 이에 수소와 산소의 반응을 통해 전기가 생산되며, 부산물이 물로 친환경적인 연료전지 시장 전망이 증가하고 있다. 특히, 고체산화물 연료전지는 높은 질량 당 Power 및 단위셀 당 고출력으로 인해 각광받고 있다.
하지만, 고체산화물 연료전지의 경우 고온의 환경에서 작동한다는 문제점이 있다. 따라서 전해질 및 전극의 두께를 감소시켜 낮은 저항으로, 낮은 온도에서도 전기화학적 반응이 활발하게 이뤄질 수 있는 마이크로 연료전지가 제시되게 되었고, 활발히 연구중에 있다. 이에 얇은 박막의 기계적, 열적 안정성을 확보해야하는 문제점이 있다.
이에 따라 더 나아가 본 연구에서는, micro cell을 더 넓게 분포시키고, 응력집중 위치에 응력이 작은 셀을 배열시킴으로써 유효면적을 키운 새로운 디자인 형태를 고안, 소자 특성 파악 및 효율 최적화 연구를 진행했다. COMSOL 시뮬레이션을 통해 마이크로 셀 크기당 응력 분석을 진행했으며. 육각형, 사각형, 원형에 대한 응력 또한 분석하였다. 소자 디자인 Case는 reference sample을 (case 1)으로 하여, (case 2)는 6.3mm 영역까지 50um 원형 cell을 배열시킨 소자, (case 3)는 6.3mm 영역까지 원형 셀을 배열시키되 side 영역에 30um cell을 배열한 소자, (case 4, 5)는 (case 3) 형태에서 사각형, 육각형 cell을 배열한 소자로 하였다. 또한, Pt 전극 박막 및 YSZ 전해질 박막 단위공정 최적화 연구를 진행했다.
본 측정 환경에서 Peak Power는 유효면적에 따라 증가하는 것을 확인했다. 이로써 reference sample 대비 Peak Power 값이 69% 증가한 안정적인 소자 case를 확인하였다. 추후 전해질 박막 물질 및 전극 물질 등의 추가 연구가 이루어진다면, 더 우수한 소자에 대한 결과를 얻을 수 있을 것이라고 생각한다.
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