고체산화물 연료전지 스택 설계요소 변화에 따른 압축 가스켓 응력 분포 해석

Abstract

친환경 에너지에 대한 필요성의 증대로 세계는 높은 발전효율을 가지며 공해물질 배출이 적은 에너지원에 대한 연구 개발을 수행 중이다. 그 중 고체산화물 연료전지는 높은 에너지 변환효율을 가지며 폐열을 이용하여 추가 발전이 가능한 시스템 이므로 친환경 에너지 원으로 주목 받고 있다. 또한 연료전지의 다른 종류와는 달리, 탄화수소 연료를 직접 연료로 사용하여 발전이 가능하므로 연료전지에서의 전기생산에 필요한 수소를 따로 생성해 내지 않아도 되는 장점이 존재하여 미래 차세대 에너지 원으로 더욱 주목 받고 있다. 고체산화물 연료전지는 세라믹(연료극/전해질/공기극)으로 구성되는 발전원으로써 여러층이 적층 되어 전기를 발생하게 된다. 이렇게 여러층의 세라믹 셀이 적층되어있는 구조를 스택이라 부르며 스택은 내부에 수소를 포함하는 연료와 산소를 포함하는 공기가 흘러 발전에 필요한 반응물을 공급하게 된다. 이러한 환경속에서 고체산화물 연료전지의 높은 작동온도($600^\circ C-1000^circ C$)를 고려하여 스택 내부의 기체흐름을 조성하기 위하여 수행되는 밀봉 기술은 고체산화물 연료전지 상용화의 핵심이라 할 수 있다. 밀봉을 위한 물질은 글라스에 바탕을 둔 밀봉제가 사용되기도 하나 이는 인터코넥트 면 사이에 미끄러짐 현상이 발생하여 스택의 외형을 유지하기 힘들 수 있다는 단점이 존재한다. 따라서 스택을 견교하게 잡아 형상을 유지시켜 주며 밀봉도 효과적으로 수행할 수 있는 압축 가스켓이 스택에 많이 적용되고 있다. 본 연구에서는 고체산화물 연료전지 스택 적용을 위한 압축 가스켓에 대한 연구를 수행하였다. 압축 가스켓은 충분한 압축 응력이 가해 졌을 때에 밀봉이 효과적으로 일어나는 물질로 압축을 가해주는 요인인 볼트에 의한 가스켓에 분포하는 압축응력을 알아내는 일은 효과적인 밀봉을 위하여 중요하다. 본 연구는 가스켓에 사용 되는 물질 중 마이카를 이용한 연구를 수행하였으며 전산해석을 통하여 응력분포를 알아보았다. 볼트에 의한 가스켓 응력 분포의 특성을 우선 파악한 후 가스켓 응력 분포에 직접적인 영향을 미치는 스택 내의 설계요소를 선정하여 설계요소의 변화에 따른 가스켓 응력 분포 특성을 파악해 보았다. 또한 볼트를 이용한 가스켓 내의 응력 발생 시 가스켓에서 발생하는 응력 취약점이 설계요소의 변화에 어떠한 영향을 받는지 중점적으로 분석하였다.