Investigation of a Thermal Stress for the Unit Cell of a Solid Oxide Fuel Cell

Thermal stress analysis of a planar anode-supported SOFC considering electrochemical reactions has been performed under operating conditions where average current density varies from 0 to 2000 $A/m^2$. For the case of the 2000 $A/m^2$ operating condition, Structural stress analysis based on the temperature distributions obtained from the CFD analysis of the unit cell has also been done. From this one way Fluid-Structure Interaction(FSI) analysis, Maximum Von-Mises stress under negligible temperature gradient fields occurs when cell components are perfectly bonded. The maximum stress of the electrolyte, cathode and anode in a unit cell SOFC is 262.58MPa, 28.55MPa and 15.1MPa respectively. The maximum thermal stress is critically dependent on static friction coefficient.

고체산화물 연료전지 단위셀의 열응력에 관한 연구

평균전류밀도 0~2000 $A/m^2$ 의 운전범위에 대한 음극 지지형 고체산화물 연료전지의 단위셀에 대한 열응력해석을 수행하였다. 평균전류밀도가 2000 $A/m^2$ 운전에서, 단위전지 열유동에 대한 수치해석적 방법으로 얻어진 온도분포를 토대로 구조해석을 수행하였다. 온도 편차가 매우 미미한 상태 에서 이러한 유체-구조 연성 해석 방법을 통하여 완전 결합된 조건에서 최대등가응력이 전해질은 262.58MPa, 캐소드는 28.55MPa, 애노드는 15.1MPa로 계산되어 전해질에서 가장 높은 응력이 발생함 을 알 수 있었다. 또한, 마찰접합조건인 경우 마찰계수가 증가함에 따라 응력이 증가함을 알 수 있었으며, 이는 셀 내부 물질간의 결합력에 의한 응력이 지배적임을 알 수 있었다.