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문제 정의
- 본 연구에서는 네 종류의 평판 음극 지지형 S0TC 스택을 설계, 제작, 운전하고 평가하였다. 모든 스택은 내부 매니폴드 형식 및 Cross flow 방식으로 설계되었다.
- 한다. 본 연구에서는 음극 지지형 단전지와 금속 연결 재를 사용하여 스택들을 개발하는 연구를 통하여 IkW 이상의 스택 제조기술을 확보함과 동시에 , 상 . 업화에 좀더 접근한 스택 제조가 가능함을 보였다.
제안 방법
- Indec ASC2를 단전지로 사용하였으며 , 유리질 밀봉재와 금속 연결재는 RIST 에서 자체적으로 개발하여 제작하였다. 1매, 3매, 8매, 16매의 단전지와 각종 구성요소를 조립하고 적층하여 각 스택들을 성공적으로 제작하였다. 운전 중에는 가스 유출이 전혀 검출되지 않았다.
- 1셀, 3셀 및 8셀 스택들에 대해서는 800℃에서 , 최종적인 16셀 스택 경우에는 820 ℃에서 밀봉 특성, 0CV, 최대출력 등을 측정하여 초기 성능평가를 실시하였다. 모든 스택이 스택 입구와 출구에서 동일한 가스유량을 나타내었고, 0CV 역시 밀봉이 유지되었을 때 예상되는 1.
- 8매셀 스택과 16매셀 스택에 사용된 bipolar와 end plate 의 매니폴드에는 공기/연료의 입/출부 4곳 크기가 각각 다른 비대칭 설계가 적용되었다. 8매셀 스택과 16매 셀 스택은 단전지-스택이나 3매셀 스택에 비해 가스유량이 크기 때문에, 입구의 출구의 압력 차를 고려하여 설계함으로써 가스흐름이 원활하게 이루어지도록 했다. 그리고 스택 내의 가스 온도를 측정하기 위하여 스택 내부 및 배관 내부에 열전대를 장착하였다
- 모든 스택은 내부 매니폴드 형식 및 Cross flow 방식으로 설계되었다. Indec ASC2를 단전지로 사용하였으며 , 유리질 밀봉재와 금속 연결재는 RIST 에서 자체적으로 개발하여 제작하였다. 1매, 3매, 8매, 16매의 단전지와 각종 구성요소를 조립하고 적층하여 각 스택들을 성공적으로 제작하였다.
- 스택 운전 초기에 0CV(open circuit voltage)를 측정하고, 가스유량과 온도 조건을 변화시키며 초기 최대출력을 측정하였다. 그리고 400mA의 전류부하를 가한 상태에서 750, 80 Or 온도에서 500시간 이내로 스택의 출력 감쇠율을 측정하여 장기성능평가를 실시하였다
- 8매셀 스택과 16매 셀 스택은 단전지-스택이나 3매셀 스택에 비해 가스유량이 크기 때문에, 입구의 출구의 압력 차를 고려하여 설계함으로써 가스흐름이 원활하게 이루어지도록 했다. 그리고 스택 내의 가스 온도를 측정하기 위하여 스택 내부 및 배관 내부에 열전대를 장착하였다
- 단전지 스택, 3매셀 스택, 8매셀 스택, 16매 셀 스택 순서로 스택을 제작하여 , 단계적으로 성능을 확인하는 방식으로 연구를 진행하였다.
- 구성되었다. 단전지의 반응 면적이 81cm2 임에 주의하며, 가급적 스택 전체의 단면적이 최소화될 수 있도록 연결재 형상을 설계하였다. 스택에서는 공기 및 연료(수소)가스가 하부 end plate에서 유입하여 다시 하부로 배출되고, 단 전지 상하에서 서로 cross flow가 되도록 가스 흐름 구조를 설계하였다.
- 또한 연화점이 약 870C이고 유리가 주원료인 밀봉재를 사용하고자 하였으며 그에 따라 분리판의 형상을 설계하였다.
- 먼저 스택을 구성하는 요소에 사양과 그에 따른 형상 설계를 실시하였다. 구성요소에는 단전지 , 밀봉재, 집전체, 그리고 bipolar 미ate, 상판 end plate, 하판 end 이ate가 포함된다.
- 등에 영향을 받는다. 본 연구에서는 장기성능평가를 위하여 400 mA/cm2 부하, 750 C 조건하에서 출력 감쇠율을 500시간 동안 측정하였다.
- 본 연구에서는 최종적으로 M 스택을 제작하기 위하여 1셀, 3셀, 8셀, 그리고 16셀 스택을 제작하고 평가하였다. 단계별로 제작된 스택의 특징을 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 평판형 음극 지지형 단전지와 금속 연결재를 사용하여, 운전온도 800±50℃에서 최대출력 lkW이 가능한 스택을 제작하고 운전하였다. 이를 위하여 각각 1매, 3매, 8매, 16매의 단 전지와 기타 구성요소가 포함되는 스택들을 설계하고 제작하였고, 초기 최대출력과 장기 출력감쇠율을 측정하여 스택 성능을 평 가하였다.
- 스택 가열 전기로와 가스유량 제어장치, 일축 압력 인가 장치와 데이터 수합 장치가 포함된 성능평가 장치를 자체적으로 구축하고 이용하였다.
- 스택 밀봉이 확인되면, 음극, 즉 연료극의 NiO를 환원하기 위하여 800C에서 음극 측에 N2 + %가스를 약 24시간 이상 통과시켰다. 스택 운전 초기에 0CV(open circuit voltage)를 측정하고, 가스유량과 온도 조건을 변화시키며 초기 최대출력을 측정하였다. 그리고 400mA의 전류부하를 가한 상태에서 750, 80 Or 온도에서 500시간 이내로 스택의 출력 감쇠율을 측정하여 장기성능평가를 실시하였다
- 단전지의 반응 면적이 81cm2 임에 주의하며, 가급적 스택 전체의 단면적이 최소화될 수 있도록 연결재 형상을 설계하였다. 스택에서는 공기 및 연료(수소)가스가 하부 end plate에서 유입하여 다시 하부로 배출되고, 단 전지 상하에서 서로 cross flow가 되도록 가스 흐름 구조를 설계하였다. 연결재 표면에는 부식방지를 위한 표면처리를 실시하였다.
- 스택에서는 공기 및 연료(수소)가스가 하부 end plate에서 유입하여 다시 하부로 배출되고, 단 전지 상하에서 서로 cross flow가 되도록 가스 흐름 구조를 설계하였다. 연결재 표면에는 부식방지를 위한 표면처리를 실시하였다.
- 한편 자체적으로 밀봉유리 판재를 개발하고 제조하여 밀봉재로 사용하였다. 연결재도 Bulk 금속을 기계 가공하여 제작하였으며, 부식방지를 위하여 표면처리를 실시하였다.
- 연결재인 bipolar plate와 end plate에 대해서는 내부 매니폴드 형태와 cross flow 형태를 기본으로 설정한 후에, 개별 구성요소의 조립과 가스밀봉이 용이하고 완벽하게 이루어질 수 있도록 설계하였다
- 이를 위하여 각각 1매, 3매, 8매, 16매의 단 전지와 기타 구성요소가 포함되는 스택들을 설계하고 제작하였고, 초기 최대출력과 장기 출력감쇠율을 측정하여 스택 성능을 평 가하였다.
- 조립된 스택을 전기로 안에 장착하고 일정 하중 을 가하면서, 스택을 밀봉재 연화점인 8700까지승온하고 약 24시간 동안 유지하여 밀봉하였다. 이 과정이 끝나면 스택 입출구의 질소 유량을 측정하여 밀봉 특성평가를 살시하였다.
대상 데이터
- 2는 8매셀 및 16매셀 스택의 사진이다. 8 매셀 스택에서는 연결재 소재로서 Inconel 600을, 16매셀 스택 경우에는 Hitachi금속에서 개발된 ZMG232L을 사용하였다. 8매셀 스택과 16매셀 스택에서는 평가장치 내부의 가스예열기와 전기로 내부의 가스배관을 통해 유입가스의 온도를 균일화하였다.
- 1에 나타내었다. 단 전지와 3매셀 스택의 연결재 재질은 STS 430이다. 이 스택들은 작동 시의 공기와 연료가스 유량이 작기 때문에 별도의 가스예열장치 없이, 전기로 안에 설치된 가스공급 파이프가 고온으로 유지되면서 자연스럽게 가스온도가 승온되도록 하였다.
- 단전지는 시판되는 10 cmXlO cmX0.6 mm(t) 의 크기 정사각형 제품으로 설정되었으며, 그에 따라 밀봉재 형상은 단전지 외주부를 2cm 정도 둘러싸는 정사각형 구조에 가스 입출구 매니폴드 (manifold)가 절취되는 구조로 설계되었다.
- 본 연구에 사용된 단전지는 Indec사의 ASC2이다. 한편 자체적으로 밀봉유리 판재를 개발하고 제조하여 밀봉재로 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 Indec사의 ASC2 단전지는 YSZ + NiO 복합체 음극 층, YSZ(yttria stabilized zirconia) 전해질 증, LSCF((La, Sr) (Co, Fe)03)와 YDC(yttria doped ceria) 양극 중으로 구성되어 있다. 이 전지의 전체 크기는10cmX 10cmX 이지만 실제 반응면적은 9cmX9cm 그 #이다.
- 본 연구에서 사용된 연결재는 동일한 재질의bipolar plate, 상부 end plate, 하부 end plate 3종으로 구성되었다. 단전지의 반응 면적이 81cm2 임에 주의하며, 가급적 스택 전체의 단면적이 최소화될 수 있도록 연결재 형상을 설계하였다.
- 연결재 소재로서 상용 STS 430과, SOFC 용으로 Hitachi 금속에서 개발된 ZMG 232L 팇, Inconel 600 등을 사용하는 것으로 설계하였다.
- 단계별로 제작된 스택의 특징을 Table 1에 나타내었다. 이들 스택 모두에는 전술한 Indec ASC2 단전지가 사용되었으며 , 밀봉재 또한 전술한 RIST자체 제작품을 사용하였다.
이론/모형
- 단전지는 금속연결재를 사용할 수 있는 800±5 or 에서 작동이 가능한 평판 음극지지형으로 설정하였다. 또한 연화점이 약 870C이고 유리가 주원료인 밀봉재를 사용하고자 하였으며 그에 따라 분리판의 형상을 설계하였다.
- 평가하였다. 모든 스택은 내부 매니폴드 형식 및 Cross flow 방식으로 설계되었다. Indec ASC2를 단전지로 사용하였으며 , 유리질 밀봉재와 금속 연결재는 RIST 에서 자체적으로 개발하여 제작하였다.
성능/효과
- 7#/cm2 이었다. 7501,500 시간, 400mA 부하 조건에서 출력 감쇠율이 2.25%인 장기성능을 보였다. 결과적으로 16매 셀 스택의 경우 초기와 장기의 전기적 출력 성능면에서 매우 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 그 판재를 분리판 형상에 맞추어 기계 가공하여 밀봉재를 완성하였다. 건조 후 단면 조직을 관찰한 결과, 기공의 크기는 균일하지 않았으나, 고온 연화시의 수축 비율 데이터로부터 사용될 밀봉재 두께를 결정할 수 있었다
- 25%인 장기성능을 보였다. 결과적으로 16매 셀 스택의 경우 초기와 장기의 전기적 출력 성능면에서 매우 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 적층셀수가 1, 3, 8, 16으로 증가함에 따라 0CV 는 1.08, 3.13, 8.36, 16.7 V로 증가하였다. 이를 단 전지 1매의 평균값으로 나타내면 1.
- 3은 측정온도 820연료와 공기가스 유량이 각각 24와 60 L/miri일 때의 초기 전류 전압 및 출력 특성이다. 측정기의 한계 때문에 999.99W 까지 측정되었으나, 출력 그래프의 형태로부터 강하게 추정할 수 있는 바와 같이 본 연구를 통해 개발된 16셀 스택은 1000W 이상의 출력을 나타낼 수 있었을 것으로 보인다. 16개의 각 셀은 출력 특성이 조금씩 달랐다.
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