JP2018536254A - 固体酸化物燃料電池用ジグモジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、固体酸化物燃料電池の評価用ジグに関する技術であり、より詳しくは、燃料電池の特性を評価するジグの上板及び下板にプレスを形成することにより、一つのジグを用いてシーリング材のガス漏れ及び付着強度の評価と単位セルの性能の評価を同時に行うことができる固体酸化物燃料電池の評価用ジグに関する。

Description

本明細書は２０１６年８月２５日に韓国特許庁に出願された韓国特許出願第１０−２０１６−０１０８５２９号に基づいた優先権の利益を主張し、該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、固体酸化物燃料電池用ジグモジュールに関する技術であり、より詳しくは、燃料電池の特性を評価するジグの上板及び下板ジグにプレスが接合されることにより、一つのジグを用いてシーリング材のガス漏れ及び付着強度の評価と単位セルの性能の評価を同時に行うことができる固体酸化物燃料電池用ジグモジュールに関する。

燃料電池は、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって直接的に電気を生産する装置であって、環境に優しく、エネルギー効率が高く、技術開発を通じた付加価値が高いエネルギー源である。特に、３世代燃料電池の固体酸化物燃料電池は、他の燃料電池に比べて、複雑な外部改質システムが必要でなく、白金等の貴金属電極触媒を用いず、液相電解質による腐食問題が発生しない等、低温型燃料電池で発生する色々な運転上の問題点を最小化できるという点と、高温運転時に適切な断熱を通じて運転温度の維持が可能であるだけでなく、様々な燃料を使用できるという長所を有している。

固体酸化物燃料電池の構成は、燃料極、電解質、空気極からなる単位セルと単位セルとを互いに連結する連結材からなっている。その中、シーリング材は、電解質層とメタル接続子との間で燃料極（Ａｎｏｄｅ）に供給される燃料ガスと空気極に供給される空気が互いに混合されるのを防止し、外部へのガス漏れを防止する役割をする。このようなシーリング材は、スタックの熱機械的安定性及び長期寿命を保障するための非常に重要な核心部品であり、６００℃〜８００℃の高温で作動するので開発の重要性が高まっている。

従来、シーリング材の特性を評価するためには、シーリング材だけでなく、単位セル、ウィンドウフレーム（または分離膜）及びインターコネクターなど、全ての構成要素が積層された複雑な構造の燃料電池のみを用いて燃料電池及びシーリング材の性能の測定が可能であるという問題点があった。

また、固体酸化物燃料電池は、平板型、円筒型及び平管型にその種類が分類され、種類に応じて性能及び特性を測定する装置の構造が細分化しているという問題点があった。

なお、従来の固体酸化物燃料電池の特性測定用装置は、燃料電池の性能を測定したり、シーリング材のガス漏れ有無を評価したりするなど、一つの装置を用いて一つの測定のみが可能であるため、固体酸化物燃料電池及びその構成物の様々な性能を測定するためには、それに応じた測定装置に変換しなければならないという問題点があった。

本発明は、上述の問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、シーリング材のガス漏れ及び付着強度の評価と単位セルの性能の評価など、一つの固体酸化物燃料電池用ジグモジュールを用いて複合的な特性を測定するために、ガス排出及び流入管が形成された上／下部ジグにプレス部が接合された固体酸化物燃料電池用ジグモジュールを提供することにある。

本発明に係る固体酸化物燃料電池用ジグモジュールは、載置溝、一側が前記載置溝と連結された水素供給管及び他側が前記載置溝と連結された水素排出管を含む下部ジグ、及び酸素供給管及び酸素排出管を含む上部ジグを含み、前記上部ジグは前記載置溝に嵌合されて密閉部を形成することを特徴とする。

好ましくは、前記上部ジグは、前記酸素供給管の一側及び前記酸素排出管の他側が前記密閉部に向かって連通するように構成されることを特徴とする。

好ましくは、前記ジグモジュールは、前記上部ジグ及び前記下部ジグを各々上側及び下側方向に移動させるプレス部をさらに含むことを特徴とする。

好ましくは、前記上部ジグ及び前記下部ジグは各々円筒形状であることを特徴とする。

好ましくは、前記水素排出管及び前記酸素排出管の一端には各々の流量を制御するバルブが提供されることを特徴とする。

好ましくは、前記載置溝にシーリング材が位置する場合、前記ジグモジュールは、前記シーリング材のガス漏れ有無及び付着強度を測定する測定部をさらに含むことを特徴とする。

好ましくは、前記載置溝に単位セルが位置する場合、前記ジグモジュールは、前記単位セルの性能の評価を行う測定部をさらに含むことを特徴とする。

好ましくは、前記ジグモジュールは、前記プレス部の上下移動、前記酸素供給管に流入される酸素流量及び前記水素供給管に流入される水素流量のいずれか一つ以上を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、上部及び下部ジグにガス排出管と流入管が形成され、一側にプレス部が接合されることにより、一つの評価用ジグを用いてシーリング材のガス漏れ、シーリング材の付着強度及び単位セルの性能の評価を行うことができるため、固体酸化物燃料電池の性能を評価する時間を短縮し、経済的な効果がある。

また、シーリング材の性能を評価するために、固体酸化物燃料電池の評価構成品が含まれず、単にシーリング材だけでシーリング材の性能の評価が可能であるため、シーリング材の性能の評価方法を単純化することができ、それと共に色々な種類のシーリング材の性能を評価することができ、固体酸化物燃料電池の形態に関係なくシーリング材の性能を評価できるという効果がある。

本発明の一実施形態による固体酸化物燃料電池用ジグモジュールの断面図である。 載置溝にシーリング材が位置した固体酸化物燃料電池用ジグモジュールを図式化した図である。 載置溝に単位セルが位置した固体酸化物燃料電池用ジグモジュールを図式化した図である。

本発明を添付図面を参照して詳細に説明すれば以下のとおりである。ここで、繰り返される説明、本発明の要旨を不要に濁す恐れのある公知機能及び構成に関する詳細な説明は省略する。本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。よって、図面での要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

明細書の全体にかけて、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。

以下、本発明の理解を助けるために好ましい実施形態を提示する。但し、下記の実施形態は本発明をより容易に理解するために提供されるものに過ぎず、下記の実施形態によって本発明の内容が限定されるものではない。

＜固体酸化物燃料電池用ジグモジュール＞

図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物燃料電池用ジグモジュール１００の断面図である。図１を参照して本発明の一実施形態による固体酸化物燃料電池用ジグモジュール１００について具体的に説明する。

固体酸化物燃料電池用ジグモジュール１００は、上部ジグ１０、下部ジグ２０及びプレス部３０を含む。また、上部ジグ１０及び下部ジグ２０は各々円筒形状に形成され、上部ジグ１０及び下部ジグ２０は金属またはセラミックからなることができる。

上部ジグ１０は酸素供給管１１及び酸素排出管１２を含み、下部ジグ２０は水素供給管２１及び水素排出管２２を含むことができる。酸素供給管１１、酸素排出管１２、水素供給管２１及び水素排出管２２はアルミナからなり、アルミナはアルミニウムを酸化させて融点の高いアルミナ材質からなることに留意する。

また、下部ジグ２０にはシーリング材及び単位セルのいずれか一つが位置する載置溝（図示せず）が形成され、シーリング材のガス漏れ及び単位セルの性能の評価を実施するために載置溝は上部ジグ１０と嵌合されて密封状態となることで密閉部２３を形成することができる。よって、上部ジグ１０の大きさは、下部ジグ２０の大きさより小さく、載置溝の大きさと同一に形成されることが好ましい。

そして、上部ジグ１０の酸素供給管１１の一側及び酸素排出管１２の他側は密閉部２３に向かって連通するように下側方向に構成され、下部ジグ２０の水素供給管２１の一側及び水素排出管２２の他側は載置溝に向かって連通するように上側方向に構成されることができる。

載置溝に単位セルが位置する場合、上部ジグ１０と下部ジグ２０は単位セルが出力する電流及び電圧を測定する評価部の役割をすることができる。例えば、上部ジグ１０は＋極の役割をし、下部ジグ２０は−極の役割をして、単位セルの単位面積当たりの消費電力（Ｗ、ワット）を測定することができる。単位セルの性能の測定は後述する図３をもって説明することにする。

また、上部ジグ１０と下部ジグ２０は空気極インターコネクター及び燃料極インターコネクターの役割をし、この時、上部ジグ１０と下部ジグ２０が単位セルと接触する面には流路が形成されることができる。

なお、酸素排出管２１及び水素排出管２２の一端には、酸素と水素の流量を制御するバルブ１３が提供されることができる。酸素供給管１１及び水素供給管２１を通して酸素と水素が供給される時、バルブ１３を閉にして供給された酸素と水素が外部に漏れするのを防止し、シーリング材のガス漏れの測定時、バルブ１３を開にしてシーリング材を通して漏れる酸素と水素の量を測定することができる。

ジグモジュール１００は測定部５０をさらに含むことができ、測定部５０は、載置溝にシーリング材が位置する場合、上部ジグ１０、下部ジグ２０及びバルブと連結されてシーリング材のガス漏れ有無及び付着強度を測定することができる。また、載置溝に単位セルが位置する場合、上部ジグ１０及び下部ジグ２０と連結されて単位セルの性能の評価を行うことができる。シーリング材のガス漏れ有無及び付着強度の測定と単位セルの性能の評価方法は後述する図２及び図３をもって説明することにする。

プレス部３０は、上部ジグ１０及び下部ジグ２０各々の一側面に位置し、上部ジグ１０と下部ジグ２０を移動させることを特徴とする。例えば、シーリング材の付着強度を測定するために、上部ジグ１０に付着されたプレス部３０は上部ジグ１０を上側に、下部ジグ２０に付着されたプレス部３０は下部ジグ２０を下側に引っ張ってシーリング材を引張することができる。

また、プレス部３０は、シーリング材及び単位セルを上部ジグ１０及び下部ジグ２０に密着させ、密閉部２３を密封させるために上部ジグ１０と下部ジグ２０を圧着することができる。

上部ジグ１０と下部ジグ２０の各々にプレス部３０が付着されることにより、シーリング材の性能と単位セルの性能を同時に測定することができるため、測定目的によって評価用ジグを交替する必要がないので経済的な効果がある。

本発明に係る固体酸化物燃料電池用ジグモジュール１００は、プレス部３０の上下移動、酸素供給管１１に流入される酸素流量及び水素供給管２１に流入される水素流量のいずれか一つ以上を制御する制御部４０をさらに含むことができる。例えば、プレス部３０と連結されてシーリング材の付着強度を測定することができ、酸素排出管１２及び水素排出管２２各々の一端に位置したバルブと連結されてシーリング材を通して漏れる酸素及び水素の漏れ量を測定及びシーリング材の性能判断を行うことができる。さらに、上部ジグ１０及び下部ジグ２０と連結されて単位セル及び燃料電池に印加される電流の量を調節することができ、測定部５０と連結されて電流印加による空気極及び燃料極の電圧を測定して単位セル及び燃料電池の性能を測定することができる。

さらに、ジグモジュール１００に接合部材がさらに含まれる場合、シーリング材の付着強度を測定するために、上部ジグ１０と下部ジグ２０が垂直方向に印加される時、接合部材がＯＦＦになって上部ジグ１０と下部ジグ２０が分離するように制御し、シーリング材のガス漏れ量及び単位セルの性能の測定時、密閉部２３を密封するために接合部材をＯＮに制御することができる。

制御部４０は、既存の公知技術を使用するのでそれに関する詳細な説明は省略する。

図２は、載置溝にシーリング材が位置した固体酸化物燃料電池用ジグモジュール１００を示す写真である。本発明に係る固体酸化物燃料電池用ジグモジュール１００は、シーリング材のみを用いてシーリング材の付着強度及びガス漏れ有無を測定することができる。

例えば、シーリング材の付着強度実験は、下部ジグ２０に形成された載置溝にシーリング材を位置させた後、上部ジグ１０を覆って密閉部を形成し、プレス部を用いて上部ジグ１０と下部ジグ２０を垂直方向に引張してシーリング材の付着強度を測定することができる。

シーリング材のガス漏れ量実験は、下部ジグ２０に形成された載置溝にシーリング材を位置させた後、上部ジグ１０を覆って密閉部を形成し、プレス部を用いてシーリング材と上部ジグ１０及び下部ジグ２０を密着させて密閉部に空いた空間を除去する。

または、密閉部の側面に形成された接合部材を用いて上部ジグ１０と下部ジグ２０を密着させて密閉部を密封する。接合部材は、空気及び水素がシーリング材を通過する過程で、空気及び水素が外部に漏れるか、外部のガスが密閉部に流入されるのを防止することができるが、載置溝と上部ジグ１０の嵌合及び載置溝に位置するシーリング材によって密閉部が密封できるため、接合部材は省略可能であることに留意する。

その後、酸素供給管及び水素供給管を通して密閉部にガスを供給することにより、シーリング材のガス漏れ有無を測定することができる。この時、酸素排出管及び水素排出管の一端に位置したバルブは測定部と連結されることにより、バルブを開にしてシーリング材のガス漏れ有無を判断することができる。

さらに、固体酸化物燃料電池は高温で作動するため、シーリング材のガス漏れ有無の判断実験は４００℃〜１１００℃の温度で実施される。例えば、各々の固体酸化物燃料電池用ジグモジュール１００に組成物及び性質が互いに異なるシーリング材を位置させ、４００℃〜１１００℃の電気炉に入れてシーリング材のガス漏れ率実験をすることにより、シーリング材以外の固体酸化物燃料電池の構成なしでガス漏れ率実験が可能であるため、実験ステップが簡素化し、それと共に一つ以上のシーリング材の性能を測定することができるので時間短縮の効果がある。

図３は、載置溝に単位セルが位置した固体酸化物燃料電池用ジグモジュール１００を示す写真である。載置溝に単位セルを位置させ、単位セルの周りにシーリング材を位置させることにより、上部ジグ１０を載置溝に固定させ、密閉部を密封させることができる。

上部ジグ１０及び下部ジグ２０は、単位セルの空気極及び燃料極と接触して単位セルに出力される電流、電圧及び消費電力のいずれか一つ以上を測定する評価部の役割をすることができる。例えば、酸素供給管を通して空気極に酸素を供給すれば、外部から電子を受けて酸素イオンに還元され、水素供給管を通して燃料極に水素を供給すれば、水素が酸化されて電子が外部回路を通して放出されることにより、燃料極から空気極に電子が流れて直流電気を生産し、上部ジグ１０は空気極と接触し、下部ジグ２０は燃料極と接触して、単位セルに流れる電流／電圧を検知する。検知された電流及び電圧に対するデータは測定部に移動して単位セルの単位面積当たりの消費電力を評価する。

上部ジグ１０及び下部ジグ２０は、単位セルの空気極及び燃料極と接触して単位セルに出力される電流及び電圧のいずれか一つ以上を測定する電流／電圧検知部（図示せず）をさらに含むことができる。検知部は、上部ジグ１０に形成される場合には下側方向に突出し、下部ジグ２０に形成される場合には上側方向に突出して形成されることができる。上部ジグ１０に形成された検知部は空気極と接触し、下部ジグ２０に形成された検知部は燃料極と接触して、単位セルの電流及び電圧を検知することができる。

この時、検知部は単一電線で形成されるかまたは一対の電線がプローブのような形状に形成されることができ、例えば、空気極と接触する検知部の一側から電流を放出し、空気極から再放出される電流を検知部の他側から印加を受けることによって空気極の電圧を測定することができる。燃料極の場合にも同様の方法により燃料極の電流及び電圧を測定することができる。

上記では本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当業界で通常の知識を有した者であれば、以下の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できることを理解するはずである。

Claims (8)

1. 載置溝、一側が前記載置溝と連結された水素供給管及び他側が前記載置溝と連結された水素排出管を含む下部ジグ、及び
   酸素供給管及び酸素排出管を含む上部ジグ
   を含み、
   前記上部ジグは前記載置溝に嵌合されて密閉部を形成する、
   固体酸化物燃料電池用ジグモジュール。
2. 前記上部ジグは、前記酸素供給管の一側及び前記酸素排出管の他側が前記密閉部に向かって連通するように構成される、
   請求項１に記載の固体酸化物燃料電池用ジグモジュール。
3. 前記固体酸化物燃料電池用ジグモジュールは、前記上部ジグ及び前記下部ジグを各々上側及び下側方向に移動させるプレス部をさらに含む、
   請求項１または２に記載の固体酸化物燃料電池用ジグモジュール。
4. 前記上部ジグ及び前記下部ジグは各々円筒形状である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池用ジグモジュール。
5. 前記水素排出管及び前記酸素排出管の一端には各々の流量を制御するバルブが提供される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池用ジグモジュール。
6. 前記載置溝にシーリング材が位置する場合、
   前記固体酸化物燃料電池用ジグモジュールは、前記シーリング材のガス漏れ有無及び付着強度を測定する測定部をさらに含む、
   請求項３から５のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池用ジグモジュール。
7. 前記載置溝に単位セルが位置する場合、
   前記固体酸化物燃料電池用ジグモジュールは、前記単位セルの性能の評価を行う測定部をさらに含む、
   請求項３から５のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池用ジグモジュール。
8. 前記固体酸化物燃料電池用ジグモジュールは、
   前記プレス部の上下移動、前記酸素供給管に流入される酸素流量及び前記水素供給管に流入される水素流量のいずれか一つ以上を制御する制御部をさらに含む、
   請求項３に記載の固体酸化物燃料電池用ジグモジュール。

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