KR20220073889A - 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치 - Google Patents

고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치에 관한 것으로, 제1 및 제2 전해질층 물질들을 순차적으로 적층한 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들에 관한 제1 및 제2 열팽창 계수들을 각각 획득하는 단계, 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 간의 초기 두께 비율을 결정하는 단계, 소결 온도를 선정하는 단계, 상기 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 소결 온도를 기초로 열-구조 연성 해석 기반의 두께 방향 변형량을 분석하는 단계, 및 상기 초기 두께 비율을 특정 범위 내에서 조절하면서 상기 열-구조 연성 해석 기반의 전해질층 변형량을 시뮬레이션하여 최적의 두께 비율을 도출하는 단계를 포함한다.

Description

고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING THICKNESS OF ELECTROLYTE LAYER FOR SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정 기술에 관한 것으로, 고체산화물 연료전지의 전해질층을 이루는 두 물질을 소결 시 열 팽창 계수 차이로 인해 발생하는 굽힘 변형을 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 인산 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등이 있다.
고체산화물 연료전지는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 현존하는 연료전지 중에서 가장 높은 온도(700~1000℃)에서 작동한다. 고체산화물 연료전지는 각 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다.
그러나, 고체산화물 연료전지는 세라믹 소재를 재료로 하기에 제조 시 고온에서 소결 제작하며, 이때 고체산화물 연료전지를 이루는 물질은 열 팽창 계수 차이로 인해 도 1에 예시한 바와 같이, 굽힘이 발생하며 심할 경우 박리 및 크랙이 발생하는 문제가 있다.
도 1의 (가)는 고체산화물 연료전지에 굽힘 모멘트(bending moment)가 가해져 휘어진 상태를 나타내고, (나)는 깨진 상태를 나타낸다.
한국공개특허 제10-2020-0027237(2020.03.12)호는 이트리아로 안정화된 지르코니아 입자를 포함하는 유연성 전해질 막에 있어서, 상기 입자 중 이트리아의 함량이 3몰% 이하이고, 상기 입자의 평균 직경이 10~50㎚인 유연성 전해질 막 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
한국등록특허 제10-1439176(2014.09.02)호는 소결속도가 유사한 연료극과 상부 전해질, 이와는 상대적으로 소결속도가 느린 하부 전해질을 유사 대칭성 적층 구조로 형성한 후 동시소성하여 하부 전해질층의 치밀도를 향상시킨 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체 산화물 연료전지에 관한 것으로서, 연료극층과 전해질층의 소결수축거동의 비대칭성으로 인하여 발생하는 계면결함을 방지할 수 있고, 연료극에 접한 전해질이 치밀한 구조로 형성되어 CO2 기체에 대한 화학적 안정성을 제공할 수 있고, 공기극의 분극저항을 감소시킬 수 있어 고출력을 갖는 프로톤 전도성 고체 산화물 연료전지의 제공 및 이의 상용화를 가능하게 한다.
한국공개특허 제10-2020-0027237(2020.03.12)호 한국등록특허 제10-1439176(2014.09.02)호
본 발명의 일 실시예는 고체산화물 연료전지의 전해질층을 이루는 두 물질을 소결 시 열 팽창 계수 차이로 인해 발생하는 굽힘 변형을 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 전해질층을 이루는 YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)와 GDC(Gadolinium-doped ceria)의 두께 조건에 따른 열 해석을 통해 소결 시 발생하는 굽힘을 분석하고 굽힘 변형이 최소가 되는 최적의 전해질층 두께 정보를 도출할 수 있는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 형상적 변화를 통해 연료전지에서 발생하는 굽힘을 해결할 수 있는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법은 제1 및 제2 전해질층 물질들을 순차적으로 적층한 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들에 관한 제1 및 제2 열팽창 계수들을 각각 획득하는 단계, 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 간의 초기 두께 비율을 결정하는 단계, 소결 온도를 선정하는 단계, 상기 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 소결 온도를 기초로 열-구조 연성 해석 기반의 두께 방향 변형량을 분석하는 단계, 및 상기 초기 두께 비율을 특정 범위 내에서 조절하면서 상기 열-구조 연성 해석 기반의 전해질층 변형량을 시뮬레이션하여 최적의 두께 비율을 도출하는 단계를 포함한다.
상기 제1 전해질층 물질은 YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)에 해당할 수 있다.
상기 제2 전해질층 물질은 GDC(Gadolinium-doped ceria)에 해당할 수 있다.
상기 초기 두께 비율을 결정하는 단계는 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 각각의 열팽창 계수 차이를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 초기 두께 비율을 결정하는 단계는 상기 열팽창 계수 차이를 기초로 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 각각의 두께를 추천하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 초기 두께 비율을 결정하는 단계는 상기 추천을 기초로 상기 전해질층의 굽힘 변형율을 사전에 예측하고 상기 각각의 두께를 최종적으로 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 소결 온도를 선정하는 단계는 소결 시작 온도를 설정하는 단계, 최고 승온 도달 온도를 설정하는 단계, 및 상기 소결 시작 온도에서 상기 최고 승온 도달 온도까지 도달하는 승온 도달 속도를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 두께 방향 변형량을 분석하는 단계는 상기 열-구조 연성 해석을 위해 상기 소결 온도에 따라 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 각각의 온도 분포를 시뮬레이션 하는 과정을 포함하는 유한요소 모델링을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 두께 방향 변형량을 분석하는 단계는 상기 온도 분포의 시뮬레이션 과정에서 상기 온도에 따른 최대 변형과 최소 변형을 각각 산출하는 단계, 및 상기 최대 변형과 최소 변형 간의 차이를 산출하여 상기 두께 방향 변형량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 최적의 두께 비율을 도출하는 단계는 제1 및 제2 전해질층 물질들 중 더 두꺼운 물질의 두께를 고정하는 단계, 및 제1 및 제2 전해질층 물질들 중 더 얇은 물질의 두께를 가변하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 최적의 두께 비율을 도출하는 단계는 상기 최적의 두께 비율을 유지하면서 제1 및 제2 전해질층 물질들 각각의 두께를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예들 중에서, 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정장치는 제1 및 제2 전해질층 물질들을 순차적으로 적층한 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들에 관한 제1 및 제2 열팽창 계수들을 각각 획득하는 열팽창 계수 획득부, 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 간의 초기 두께 비율을 결정하는 초기 두께 비율 결정부, 소결 온도를 선정하는 소결 온도 선정부, 상기 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 소결 온도를 기초로 열-구조 연성 해석 기반의 두께 방향 변형량을 분석하는 변형량 분석부, 및 상기 초기 두께 비율을 특정 범위 내에서 조절하면서 상기 열-구조 연성 해석 기반의 전해질층 변형량을 시뮬레이션하여 최적의 두께 비율을 도출하는 두께 비율 결정부를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치는 고체산화물 연료전지의 전해질층을 이루는 두 물질을 소결 시 열 팽창 계수 차이로 인해 발생하는 굽힘 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치는 전해질층을 이루는 YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)와 GDC(Gadolinium-doped ceria)의 두께 조건에 따른 열 해석을 통해 소결 시 발생하는 굽힘을 분석하고 굽힘 변형이 최소가 되는 최적의 전해질층 두께 정보를 도출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치는 물질 변화 없이 형상적 변화를 통해 연료전지에서 발생하는 굽힘을 해결할 수 있다.
도 1은 종래 고체산화물 연료전지에 발생한 굽힘 및 박리 상태를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에 있는 전해질층 두께 결정장치의 기능적 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 있는 전해질층 두께 결정장치의 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 방향 변형량 분석 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정시스템을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정시스템(100)은 제1 전해질층 물질(111)과 제2 전해질층 물질(113)이 순차적으로 적층한 고체산화물 연료전지(110) 및 고체산화물 연료전지(110)의 전해질층의 두께를 결정하는 전해질층 두께 결정장치(130)를 포함할 수 있다.
제1 전해질층 물질(111)은 YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)에 해당하고, 제2 전해질층 물질(113)은 GDC(Gadolinium-doped ceria)에 해당한다.
YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)는 산화지르코늄에 산화이트륨을 첨가하여 상온에서도 안정하도록 만든 세라믹 재료이다. YSZ 및 GDC(가돌리늄-첨가 세리아)의 열팽창계수(CTE)는 각각 1.23E-05/K 및 1.05E-05/K 이다.
고체산화물 연료전지(110)는 고온에서 소결 제작시 서로 다른 열팽창계수를 갖는 제1 전해질층 물질(111)과 제2 전해질층 물질(113)에 의해 도 1과 같이 굽힘이 발생한다.
전해질층 두께 결정장치(130)는 고체산화물 연료전지(110)의 전해질층(111,113)에 관해 소결 온도를 기초로 열-구조 연성 해석 기반의 두께 방향 변형량을 분석하고 시뮬레이션을 통해 굽힘 변형을 방지할 수 있는 최적의 두께 비율을 산출할 수 있는 컴퓨팅 장치에 해당될 수 있다.
도 3은 도 2에 있는 전해질층 두께 결정장치의 기능적 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전해질층 두께 결정장치(130)는 열팽창 계수 획득부(310), 초기 두께 비율 결정부(320), 소결 온도 선정부(330), 변형량 분석부(340), 두께 비율 결정부(350) 및 제어부(360)를 포함할 수 있다.
열팽창 계수 획득부(310)는 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113)을 순차적으로 적층한 고체산화물 연료전지(110)의 전해질층에 관해, 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113)에 관한 제1 및 제2 열팽창 계수들을 각각 획득할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 전해질층 물질(111)은 YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)에 해당하고, 제2 전해질층 물질(113)은 GDC(Gadolinium-doped ceria)에 해당한다. 여기에서, 제1 전해질층 물질(111)인 YSZ가 제2 전해질층 물질(113)인 GDC에 비해 상대적으로 열팽창 계수가 크다. 예컨대, YSZ의 열팽창 계수(CTE)는 1.23E-05/K이고, GDC의 1.05E-05/K이다.
초기 두께 비율 결정부(320)는 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 간의 초기 두께 비율을 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 초기 두께 비율 결정부(320)는 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 각각의 열팽창 계수 차이를 기초로 초기 두께 비율을 결정할 수 있다.
소결 온도 선정부(330)는 소결 온도를 선정할 수 있다. 일 실시예에서, 소결 온도 선정부(330)는 소결 시작 온도 및 최고 승온 도달 온도를 설정할 수 있고 소결 시작 온도에서 최고 승온 도달 온도까지 도달하는 승온 도달 속도를 설정할 수 있다. 예컨대, 소결 시작 온도는 1100~1250℃이고, 최고 승온 도달 온도는 1300~1400℃이며, 소결 시작 온도에서 최고 승온 도달 온도까지 승온 도달 속도는 0.1~1℃/min으로 설정할 수 있다.
변형량 분석부(340)는 고체산화물 연료전지(110)의 전해질층에 관해, 소결 온도를 기초로 열-구조 연성 해석 기반의 두께 방향 변형량을 분석할 수 있다. 일 실시예에서, 변형량 분석부(340)는 열-구조 연성 해석을 위해 소결 온도에 따라 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 각각의 온도 분포를 시뮬레이션 하는 과정을 포함하는 유한요소 모델링(EFM)을 수행하고, 온도 분포의 시뮬레이션 과정에서 온도에 따른 최대 변형과 최소 변형을 각각 산출하여 최대 변형과 최소 변형 간의 차이를 기초로 두께 방향 변형량을 결정할 수 있다.
두께 비율 결정부(350)는 초기 두께 비율을 특정 범위 내에서 조절하면서 열-구조 연성 해석 기반의 전해질층 변형량을 시뮬레이션하여 최적의 두께 비율을 도출할 수 있다. 일 실시예에서, 두께 비율 결정부(350)는 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 중 하나의 물질의 두께를 고정하고 나머지 하나의 물질의 두께를 가변할 수 있다. 여기에서, 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 중 더 두꺼운 물질의 두께를 고정하고 더 얇은 물질의 두께를 가변할 수 있다.
제어부(360)는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정장치(130)의 전체적인 동작을 제어하고, 열팽창 계수 획득부(210), 초기 두께 비율 결정부(220), 소결 온도 선정부(230), 변형량 분석부(240) 및 두께 비율 결정부(250) 간의 제어 흐름 및 데이터 흐름을 관리할 수 있다.
도 4는 도 2에 있는 전해질층 두께 결정장치의 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 전해질층 두께 결정장치(130)는 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113)을 순차적으로 적층한 고체산화물 연료전지(110)의 전해질층에 관해, 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113)에 관한 제1 및 제2 열팽창계수들을 각각 획득한다(단계 S410). 제1 전해질층 물질(111)은 YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)에 해당한다. 제2 전해질층 물질(113)은 GDC(Gadolinium-doped ceria)에 해당한다. 일 실시예에서, 제1 전해질층 물질(111)인 YSZ의 열팽창 계수(CTE)는 1.23E-05/K이고, 제2 전해질층 물질(113)인 GDC의 1.05E-05/K이다.
전해질층 두께 결정장치(130)는 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 간의 초기 두께 비율을 결정한다(단계 S420). 이때, 전해질층 두께 결정장치(130)는 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 각각의 열팽창 계수 차이를 결정할 수 있다. 전해질층 두께 결정장치(130)는 열팽창 계수 차이를 기초로 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 각각의 두께를 추천할 수 있다. 전해질층 두께 결정장치(130)는 두께 추천을 기초로 전해질층의 굽힘 변형율을 사전에 예측하고 각각의 두께를 최종적으로 조절할 수 있다.
전해질층 두께 결정장치(130)는 소결 온도를 선정한다(단계 S430). 여기에서, 전해질층 두께 결정장치(130)는 소결 시작 온도를 설정하고, 최고 승온 도달 온도를 설정하고, 소결 시작 온도에서 최고 승온 도달 온도까지 도달하는 승온 도달 속도를 설정한다.
전해질층 두께 결정장치(130)는 고체산화물 연료전지(110)의 전해질층에 관해, 소결 온도를 기초로 열-구조 연성 해석 기반의 두께 방향 변형량을 분석한다(단계 S440). 전해질층 두께 결정장치(130)는 열-구조 연성 해석을 통해 소결 온도에 따라 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 각각의 온도 분포를 시뮬레이션 하는 과정을 포함하는 유한요소 모델링을 수행하고, 온도 분포의 시뮬레이션 과정에서 온도에 따른 최대 변형과 최소 변형을 각각 산출하고 최대 변형과 최소 변형 간의 차이를 산출하여 두께 방향 변형량을 결정할 수 있다.
전해질층 두께 결정장치(130)는 초기 두께 비율을 특정 범위 내에서 조절하면서 열-구조 연성 해석 기반의 전해질층 변형량을 시뮬레이션하여 최적의 두께 비율을 도출한다(단계 S450). 전해질층 두께 결정장치(130)는 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 중 더 두꺼운 물질의 두께를 고정하고 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 중 더 얇은 물질의 두께를 가변하여 최적의 두께 비율을 도출할 수 있다. 전해질층 두께 결정장치(130)는 최적의 두께 비율을 유지하면서 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 각각의 두께를 결정할 수 있다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 방향 변형량 분석 결과를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해 소결(Sintering)시 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113)의 변형과정을 유해요소 모델링(EFM)을 수행하여 시뮬레이션한 결과, 상층의 제1 전해질층 물질(111)과 하층의 제2 전해질층 물질(113)의 두께에 따른 변형량은 하기 표 1과 같다.
[표 1]
Figure pat00001
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 최대 변형에서 최소 변형 사이의 변형량은 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113)의 두께에 따라 달라짐을 알 수 있다. 예컨대, 제1 전해질층 물질(111)과 제2 전해질층 물질(113)의 두께 차이가 클수록 변형이 적게 발생할 수 있다.
고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 제1 및 제2 전해질층 물질들(111,113) 중 상층의 제1 전해질층 물질(111) 보다 하층의 제2 전해질층 물질(113)의 두께를 크게 한 경우, 두 물질의 두께를 동일하게 한 경우, 그리고 상층의 제1 전해질층 물질(111)을 하층의 제2 전해질층 물질(113)의 두께 보다 크게 한 경우로 구분하여 시뮬레이션한 결과, 도 6과 같이 100배 확대한 바와 같이 모서리 부분을 제외하고 거의 굽힘이 발생하지 않았다. 이때, 변형량은 하기 표 2와 같다.
[표 2]
Figure pat00002
일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법 및 장치는 연료전지의 전해질 두께 비율을 도출함으로써 고체산화물 연료전지를 이루는 전해질층의 물질 변화 없이 전해질을 이루는 각 층의 두께 변화를 통해 소결 시 발생하는 굽힘을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정시스템
110: 고체산화물 연료전지
111: 제1 전해질층 물질 113: 제2 전해질층 물질
130: 전해질층 두께 결정장치
310: 열팽창 계수 획득부 320: 초기 두께 비율 결정부
330: 소결 온도 선정부 340: 변형량 분석부
350: 두께 비율 결정부 360: 제어부

Claims (12)

  1. 제1 및 제2 전해질층 물질들을 순차적으로 적층한 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들에 관한 제1 및 제2 열팽창 계수들을 각각 획득하는 단계;
    상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 간의 초기 두께 비율을 결정하는 단계;
    소결 온도를 선정하는 단계;
    상기 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 소결 온도를 기초로 열-구조 연성 해석 기반의 두께 방향 변형량을 분석하는 단계; 및
    상기 초기 두께 비율을 특정 범위 내에서 조절하면서 상기 열-구조 연성 해석 기반의 전해질층 변형량을 시뮬레이션하여 최적의 두께 비율을 도출하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전해질층 물질은
    YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)에 해당하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 전해질층 물질은
    GDC(Gadolinium-doped ceria)에 해당하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초기 두께 비율을 결정하는 단계는
    상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 각각의 열팽창 계수 차이를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 초기 두께 비율을 결정하는 단계는
    상기 열팽창 계수 차이를 기초로 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 각각의 두께를 추천하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 초기 두께 비율을 결정하는 단계는
    상기 추천을 기초로 상기 전해질층의 굽힘 변형율을 사전에 예측하고 상기 각각의 두께를 최종적으로 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 소결 온도를 선정하는 단계는
    소결 시작 온도를 설정하는 단계;
    최고 승온 도달 온도를 설정하는 단계; 및
    상기 소결 시작 온도에서 상기 최고 승온 도달 온도까지 도달하는 승온 도달 속도를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 두께 방향 변형량을 분석하는 단계는
    상기 열-구조 연성 해석을 위해 상기 소결 온도에 따라 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 각각의 온도 분포를 시뮬레이션 하는 과정을 포함하는 유한요소 모델링을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 두께 방향 변형량을 분석하는 단계는
    상기 온도 분포의 시뮬레이션 과정에서 상기 온도에 따른 최대 변형과 최소 변형을 각각 산출하는 단계; 및
    상기 최대 변형과 최소 변형 간의 차이를 산출하여 상기 두께 방향 변형량을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 최적의 두께 비율을 도출하는 단계는
    제1 및 제2 전해질층 물질들 중 더 두꺼운 물질의 두께를 고정하는 단계; 및
    제1 및 제2 전해질층 물질들 중 더 얇은 물질의 두께를 가변하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 최적의 두께 비율을 도출하는 단계는
    상기 최적의 두께 비율을 유지하면서 제1 및 제2 전해질층 물질들 각각의 두께를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정방법.
  12. 제1 및 제2 전해질층 물질들을 순차적으로 적층한 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 제1 및 제2 전해질층 물질들에 관한 제1 및 제2 열팽창 계수들을 각각 획득하는 열팽창 계수 획득부;
    상기 제1 및 제2 전해질층 물질들 간의 초기 두께 비율을 결정하는 초기 두께 비율 결정부;
    소결 온도를 선정하는 소결 온도 선정부;
    상기 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관해, 상기 소결 온도를 기초로 열-구조 연성 해석 기반의 두께 방향 변형량을 분석하는 변형량 분석부; 및
    상기 초기 두께 비율을 특정 범위 내에서 조절하면서 상기 열-구조 연성 해석 기반의 전해질층 변형량을 시뮬레이션하여 최적의 두께 비율을 도출하는 두께 비율 결정부를 포함하는 고체산화물 연료전지의 전해질층 두께 결정장치.
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