KR100800022B1

KR100800022B1 - 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치

Info

Publication number: KR100800022B1
Application number: KR1020070119593A
Authority: KR
Inventors: 김상균; 오재열; 강병각
Original assignee: 나라셀텍(주)
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2008-02-01
Also published as: CN101441252A; TW200924273A; JP2009129913A

Abstract

본 발명은 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치에 관한 것으로, 내부에 평가 대상이 되는 연료전지를 수용하며, 전원의 인가에 따라 발열되어 연료전지 주변 온도를 상승시키기 위한 전기로와; 상기 전기로 내부에 수용된 연료전지에 미리 설정된 일정한 압력을 제공하기 위한 가압수단과; 상기 평가 장치의 전체 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 용융탄산염형연료전지 또는 고체산화물형연료전지와 같은 고온형 연료전지의 특성 평가를 위한 온도 조건을 만족시키기 위하여, 전기로를 사용하여 연료전지의 주위온도를 고온으로 유지함과 아울러, 연료전지와 매니폴드 체결 접합면의 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 가압수단을 통하여 연료전지를 상방으로부터 일정 압력으로 가압함으로써, 고온형 연료전지의 전기화학적 특성 평가를 위한 최적의 환경을 제공하여 평가 결과에 대한 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있고, 아울러, 그 환경 조건 변화에 따른 성능 특성 자료를 취득하여 연료전지의 최적 작동 환경 설정을 가능하게 하는 탁월한 효과를 갖는다.

연료전지, 전기로, 가압수단

Description

연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치{APPARATUS FOR EVALUATING ELECTROCHEMICAL PROPERTIES OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고온을 필요로 하는 연료전지의 성능 평가를 위하여 연료전지의 주위 온도를 고온으로 유지하고, 매니폴드 체결 접합면의 압력을 일정하게 유지시킴으로써, 연료전지의 전기화학적 특성 평가를 위한 최적의 환경을 제공하여 정확성 및 신뢰성 있는 평가 결과 데이터를 얻을 수 있는 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열도 발생하므로 고효율발전이 가능하고, 유해가스의 배출량이 적어 공해 문제를 경감시킬 수 있는 고효율 청정 에너지 변환장치로 각광받고 있다.

이러한 연료전지는 연료인 수소가 반응하여 양이온과 전자로 분해되는 연료극과, 전해질을 통하여 이동해온 양이온과 산소와 반응하여 물을 만드는 산소극 및 연료극에서 생성된 양이온이 이동하는 전해질의 기본 구조를 갖는다. 연료극 및 산소극에는 전기화학반응을 일으키기 위한 촉매층, 반응가스가 촉매에 분산되기 위한 가스확산층(GDL, gas diffusion layer) 및 가스가 이동하는 가스채널로 구성되어 있다. 또한, 생성된 전자가 이동할 수 있는 집전판의 역할을 하는 분리판(BP, bipolar plate)이 전극의 역할을 하며, 이 분리판에 가스채널이 형성되어 있으며, 매니폴드를 통해 공급되는 가스는 각 셀별, 채널별로 분산되어 들어가게 된다.

이러한 연료전지는 발전온도와 연료의 형태에 따라, 알카리형연료전지(AFC), 인산염형연료전지(PAFC), 용융탄산염형연료전지(MCFC), 고체산화물형연료전지(SOFC) 등으로 구분된다. 이들 중 특히, 용융탄산염형연료전지와 고체산화물형연료전지는 발전온도가 500℃ 이상으로 비교적 고온에서 발전이 이루어지는 특성을 갖는다.

이러한 연료전지의 제작에 있어서, 보다 우수한 효율을 갖는 연료전지를 제작하기 위하여, 연료전지의 전극에 전기부하를 연결하고, 연료전지에 공급되는 연료 또는 촉매의 종류, 공급량, 온도, 압력 등에 따라 출력되는 전기의 양을 분석하여, 이러한 변수에 따른 최적의 반응 조건을 설정하기 위한 전기화학적 특성 평가 장치를 통한 성능 평가 과정을 거치게 된다.

그러나, 종래의 전기화학적 특성 평가 장치는 연료전지의 종류에 따른 차별 화되는 특성이 고려되지 못하고 형식적이고 일률적인 조건하에서 모든 연료전지의 평가가 이루어져 왔기 때문에 그 평가 결과에 대한 정확성과 신뢰성에 문제가 있었다.

예컨대, 용융탄산염형연료전지와 고체산화물형연료전지는 발전온도가 500℃ 이상으로 비교적 고온에서 발전이 이루어지기 때문에 이러한 연료전지들의 전기화학적 특성 평가 과정에서는 주위 온도를 고온으로 유지시켜줄 필요성이 존재하게 된다. 하지만, 이러한 고온형 연료전지의 평가를 위한 적절한 온도 조절 및 유지 설비가 구비된 평가 장치가 마련되지 못하고 있는 실정이다.

또한, 상기 용융탄산염형연료전지 및 고체산화물형연료전지의 경우 고온상태에서 수소, 산소 또는 이들을 포함한 혼합가스를 공급하되, 공급된 가스가 측정 셀 내부에서 서로 혼합되지 않도록 각각 독립된 매니폴드를 통하여 공급되어야 한다. 그러나, 200℃ 내지 1000℃ 사이의 고온에서 일반금속은 산화가 일어나는 현상으로 인하여 연료전지와 매니폴드 접합면의 일정한 압력 유지가 어려울 뿐만 아니라 접합면에서 가스의 누출이 발생할 수 있다. 하지만, 이러한 문제점을 적절하게 해결할 수 있는 평가 장치 또한 마련되지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 용융탄산염형연료전지 또는 고체산화물형연료전지와 같은 고온형 연료전지의 특성 평가를 위하여, 주위온도를 고온으로 유지함과 아울러, 연료전지와 매니폴드 체결 접합면의 압력을 일정하게 유지시켜 고온형 연료전지의 전기화학적 특성 평가를 위한 최적의 환경을 제공하여 평가 결과에 대한 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있고, 아울러, 그 환경 조건 변화에 따른 성능 특성 자료를 취득하여 연료전지의 최적 작동 환경 설정을 가능하게 하는 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치는, 내부에 평가 대상이 되는 연료전지를 수용하며, 전원의 인가에 따라 발열되어 연료전지 주변 온도를 상승시키기 위한 전기로와; 상기 전기로 내부에 수용된 연료전지에 미리 설정된 일정한 정량의 압력을 제공하기 위한 가압수단과; 상기 평가 장치의 전체 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전기로는, 평가 대상이 되는 연료전지가 수용되도록 내부에 일정 공간을 갖는 본체하우징과; 상기 본체하우징의 내벽에 부착되어 외부로부터 전 원의 인가에 따라 발열되는 전기히터와; 상기 본체하우징 및 전기히터 사이에 구비되어 전기히터로부터 발생되는 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 단열층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 전기히터는 칸탈와이어 매몰히터인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전기로에는 전기로 내부의 온도를 실시간으로 감지하는 온도센서가 추가로 구비되되, 상기 온도센서로부터 감지된 전기로 내부의 온도정보신호는 상기 제어부로 피드백되며, 상기 피드백 신호에 근거하여 제어부가 전기히터로의 전원 공급 및 차단을 제어하여 전기로 내부의 온도를 항상 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 가압수단은, 연료전지를 하방으로부터 지지하는 마운팅부와; 상기 마운팅부에 장착된 연료전지를 상방으로부터 가압하는 가압부와; 상기 가압부를 상하방향으로 승하강시키는 가압구동부를 포함한다.

여기서, 상기 마운팅부는, 상부에 연료전지가 직접 놓여져 이를 하방으로부터 지지하는 마운팅플레이트와; 상기 마운팅플레이트를 하방으로부터 지지하는 하부고정축과, 상방으로 상기 하부고정축의 말단과 결합되며 하방으로 상기 전기로 바닥에 고정 체결되어 상기 하부고정축과 마운팅플레이트를 지지하는 베이스플레이 트를 포함한다.

그리고, 상기 가압부는, 상기 마운팅부에 의해 지지되는 연료전지의 상부면을 가압하는 가압플레이트와; 상부 말단은 상기 가압구동부에 결합되고 하부 말단은 상기 가압플레이트의 상부에 결합되어 가압구동부의 작동에 따라 승하강되면서 상기 가압플레이트를 승하강시키는 상부가압봉을 포함한다.

또한, 상기 가압구동부는 에어실린더와, 실린더로드로 구성되는 공압액츄에이터인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 마운팅부와 가압부는 인코넬 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 상부가압봉과 가압플레이트는 유니버셜조인트에 의해 연결되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 상부가압봉과 가압플레이트는 연결부재에 의해 연결되되, 상기 연결부재는 상부 중앙에 상기 상부가압봉의 하부 말단이 삽입될 수 있도록 삽입홈이 형성되고, 그 하부는 상부 직경보다 작게 형성되며 상기 가압플레이트의 상부에 나사결합될 수 있도록 외주면에 나사산이 형성되며, 상부 외주면에는 다수의 볼트 공이 형성되며, 상기 상부가압봉의 하부 말단은 끝이 둥글게 라운딩처리되고, 그 상부 외주면에는 둘레홈이 형성되고, 상기 상부가압봉의 하부 말단은 상기 연결부재의 삽입홈에 끼워진 후, 상기 볼트공에 고정볼트를 체결함에 따라, 상기 고정볼트가 상부가압봉의 둘레홈 내에 안치되어 상부가압봉을 가압함과 동시에 이탈 분리되는 것을 방지하도록 결합된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 용융탄산염형연료전지 또는 고체산화물형연료전지와 같은 고온형 연료전지의 특성 평가를 위한 온도 조건을 만족시키기 위하여, 전기로를 사용하여 연료전지의 주위온도를 고온으로 유지함과 아울러, 연료전지와 매니폴드 체결 접합면의 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 가압수단을 통하여 연료전지를 상방으로부터 일정 압력으로 가압함으로써, 고온형 연료전지의 전기화학적 특성 평가를 위한 최적의 환경을 제공하여 평가 결과에 대한 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있고, 아울러, 그 환경 조건 변화에 따른 성능 특성 자료를 취득하여 연료전지의 최적 작동 환경 설정을 가능하게 하는 탁월한 효과를 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치의 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 에는 본 발명에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치의 정면도, 도 2 에는 본 발명에 따른 평가 장치의 측면도가 각각 도시된다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치는, 전기로(100), 가압수단(200), 그리고 제어부(300)를 포함한다.

상기 전기로(100)는, 이미 언급한 바와 같이, 용융탄산염형연료전지 또는 고체산화물형연료전지와 같은 고온형 연료전지의 성능 평가에 필요한 고온 환경을 제공하기 위하여, 연료전지 주위온도를 약 200℃ 내지 1000℃로 상승시킬 수 있도록 구성된다.

도 3 에는 이러한 전기로(100)의 구체적인 구성이 측단면도로 도시된다. 도시된 바와 같이, 상기 전기로(100)는 본체하우징(110), 전기히터(120), 단열층(130), 그리고 온도센서(140)를 포함한다.

상기 본체하우징(110)은 후술하는 전기히터(120)가 내장되며, 평가 대상이 되는 연료전지가 위치되도록 내부에 일정 공간을 갖는 수용부를 제공하는 함체로서, 대체로 직육면체 형상으로 구성되고, 내부식성이 우수한 스테인레스 스틸 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 본체하우징(110)에는 평가 대상이 되는 연료전지를 내부에 투입 및 인출할 수 있도록 개폐도어(112)가 설치되며, 상기 개폐도어(112)는 일측에 마련된 힌지의 작동에 의해 선회 개폐되고, 이를 위해 상기 개폐도어(112)의 일측면에는 개폐시 파지가 용이하도록 일측에 손잡이(114)가 마련되어 있다. 그리고, 추가적으로 상기 본체하우징(110)의 하부면에는 전기로(100)의 용이한 이동을 위한 휠(150)이 구비되어 있다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 전기로(100)의 본체하우징(110) 내벽에는 전기히터(120)가 부착된다. 상기 전기히터(120)는 외부로부터 전원를 공급받아 발열되는 히터로서, 본 발명에 있어서는 상기 전기히터(120)로서 칸탈와이어 매몰히터가 사용되는 것이 바람직하다. 즉, 발열체로서 칸탈와이어(122)가 사용되되, 상기 칸탈와이어(122)는 세라믹 소재와 같은 내화물(124) 속에 내장된 상태로 본체하우징(110) 내벽에 부착되어 전원 공급에 따라 발열되어 내부를 간접 가열한다.

상기 전기로(100)는 전기히터(120)로부터 발생되는 열이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위하여, 상기 본체하우징(110)과 전기히터(120) 사이에 단열층(130)을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 단열층(130)은 불연성이면서 열전도율이 낮은 재질로 구성되는바, 예컨대, 파손된 유리를 재생시켜 만든 유리면이나, 돌을 녹여 섬유화시킨 암면 등을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 전기로(100)의 전기히터(120)를 가동시키 위해서는 220V 단상 5Kw 전원이 사용되며, 가열온도는 1000℃ 까지에 이른다.

상기 전기로(100)의 일측에는 온도센서(140)가 구비된다. 상기 온도센서(140)는 전기로(100) 내부의 온도를 실시간으로 감지하고, 온도정보신호를 후술하는 제어부(300)에 전달함에 따라, 전기로(100) 내부의 온도를 연료전지의 평가에 요구되는 온도로 조절하여 일정하게 유지시키기 위해 설치된다. 본 발명에 있어서는, 상기 온도센서(140)로 열전대가 사용된다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 열전대 온도센서(140)는 외부로부터 전기로(100)의 본체하우징(110)을 관통하여 그 말단이 전기로(100) 내부 공간에 위치되게 설치되어 전기로(100) 내부 온도를 실시간으로 검출할 수 있도록 구성된다.

이와 같은 전기로(100) 구성으로 인하여, 고온형 연료전지의 전기화학적 특성 평가시 200℃ 내지 1000℃ 사이의 고온 조건을 만족시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치는 이미 언급한 바와 같이 가압수단(200)을 구비한다. 상기 가압수단(200)은 평가 대상이 되는 연료전지를 일정한 압력으로 가압하여 유지시키는 부분으로, 마운팅부(220), 가압부(240), 그리고 가압구동부(260)를 포함한다. 도 4 에는 이러한 가압수단(200)의 구체적인 구성 및 결합관계가 도시되고, 도 5 에는 상기 가압수단(200) 중 가압부(240)의 연결관계가 구체적으로 도시된다.

상기 마운팅부(220)는 평가 대상이 되는 연료전지가 상부에 장착된 상태에서 이를 하부로부터 지지하는 부분으로, 도 4 에 도시된 바와 같이, 마운팅플레이트(222)와 하부고정축(224), 그리고 베이스플레이트(226)를 포함한다.

상기 마운팅플레이트(222)는 대체로 사각형상의 판형 부재로서 그 위에 연료전지가 놓여져 이를 하방으로부터 지지한다.

상기 하부고정축(224)은 상기 마운팅플레이트(222)의 하방에서 이를 지지하는 봉형상 부재로서 도 4 에 도시된 바와 같이, 상부 말단 외주면에 나사산이 구비되어 상기 마운팅플레이트(222)의 하부에 나사결합되며, 하부 말단 외주면에도 나사산이 구비되어 베이스플레이트(226)의 상부에 나사결합된다.

상기 베이스플레이트(226)는 상부에 결합된 하부고정축(224)과 마운팅플레이트(222)를 지지 고정하는 부재로서, 전기로(100)의 본체하우징(110) 바닥에 고정 체결되거나, 하부고정축(224)이 전기로(100)를 관통하여 외부로 돌출되게 설치되고 그 하부에 결합되어 받침대 등에 의해 지지될 수 있도록 구성된다.

상기 가압부(240)는 마운팅플레이트(222) 상에 놓여진 연료전지를 상방으로부터 일정 압력으로 가압하는 부분으로, 도 3 내지 도 5 에 도시된 바와 같이, 가압플레이트(244)와 상부가압봉(242)을 포함한다.

상기 가압플레이트(244)는 마운팅플레이트(222)의 상부에 위치되어 후술하는 가압구동부(260)의 작동에 따라 승하강되면서 상기 마운팅플레이트(222)에 놓여진 연료전지를 미리 정해진 일정한 압력으로 가압하는 판형 부재이다.

상기 상부가압봉(242)은 도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 가압플레이트(244)의 상부에 후술하는 가압구동부(260)가 결합되고, 하부에 가압플레이트(244)가 결합되어 가압구동부(260)의 작동에 따라 승하강되면서 가압플레이트(244)를 승하강시키는 봉형상 부재이다.

상기 상부가압봉(242)은 마운팅부(220)의 하부고정축(224)과 마찬가지로 상기 가압플레이트(244)와 나사결합에 의해 직결될 수도 있으나, 대체로 유니버셜조인트로 연결되는 것이 바람직하다.

한편, 도 5 및 도 6 에는 바람직한 일 실시예에 따른 상부가압봉(242)과 가압플레이트(244)의 결합 구조가 구체적으로 도시된다.

도시된 바와 같이, 상기 상부가압봉(242)의 하부 말단은 끝이 둥글게 라운딩처리되고 그 상부 외주면에는 둘레홈(243)이 형성된다. 그리고, 상기 상부가압봉(242)의 하부 말단부는 연결부재(246)의 상부에 삽입 결합된다.

상기 연결부재(246)는 도 5 에 도시된 바와 같이, 상부 중앙에 상기 상부가압봉(242)의 하부 말단이 삽입될 수 있도록 원형의 삽입홈(247)이 형성되어 있으며, 그 원형홈의 깊이는 상기 상부가압봉(242) 삽입시, 상부가압봉(242) 외주면의 둘레홈(243)이 잠길 정도의 깊이로 형성된다. 그리고, 상기 연결부재(246)의 하부는 상부 직경보다 작게 형성되며 가압플레이트(244)의 상부에 나사결합될 수 있도록 그 외주면에 나사산이 형성된다. 또한, 상기 연결부재(246)의 상부 외주면에는 다수의 볼트공(248)이 형성되는 바, 상기 볼트공(248)은 상부가압봉(242)이 연결부재(246)의 삽입홈(247)에 끼워질때 상부가압봉(242) 외주면의 둘레홈(243)이 놓여지는 위치에 상응하는 위치에 형성된다.

이와 같은 구성을 갖는 연결부재(246)에 의하여 상부가압봉(242)과 가압플레이트(244)가 결합되는 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 상부가압봉(242)의 말단부를 연결부재(246) 상부 중앙의 삽입홈(247)에 끼워넣는다. 이 경우, 상기 상부가압봉(242)의 라운딩처리된 끝단은 삽입홈(247)의 저면에 맞닿게 되고, 상부가압봉(242) 외주면에 형성된 둘레홈(243)도 상기 삽입홈(247) 내로 잠기게 된다. 고정볼트(249)를 상기 연결부재(246)의 상부 외주면에 형성된 볼트공(248)에 체결하면, 도 6 에 도시된 바와 같이, 고정볼트(249)가 연결부재(246)를 관통하여 그 말단이 상부가압봉(242) 외주면 둘레 홈(243) 표면을 가압하여 상기 상부가압봉(242)이 직립된 상태로 고정되게 되는 것이다. 상기 고정볼트(249)는 상부가압봉(242)의 둘레홈(243) 내에 안치됨에 따라, 상기 둘레홈(243)의 내측 단턱에 걸리게 되므로, 여하한 외력에 의해서도 상부가압봉(242)이 연결부재(246)로부터 이탈 분리되지 않게 된다. 그 다음, 상기 연결부재(246)의 하부를 가압플레이트(244)의 상부에 나사결합함으로써 상부가압봉(242)과 가압플레이트(244)의 결합이 완료된다.

상기 마운팅부(220)와 가압부(240)는 고온의 전기로(100) 내부에 설치되기 때문에 내열성이 우수한 재질로 구성되어야 한다. 본 발명에서는 상기 마운팅부(220)와 가압부(240)가 인코넬 재질로 구성된다. 인코넬은 니켈을 주체로 하여 15 %의 크롬, 6∼7 %의 철, 2.5 %의 티탄, 1 % 이하의 알루미늄·망간·규소를 첨가한 내열합금이다. 내열성이 좋고, 900 ℃ 이상의 산화기류(酸化氣流) 속에서도 산화하지 않고, 황을 함유한 대기에도 침지되지 않는다. 신장(伸長)·인장강도·항복점(降伏點) 등 여러 성질도 600 ℃ 정도까지 대부분 변화하지 않는 등 기계적 성질에 우수하며, 유기물·염류용액에 대해서도 부식하지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 평가 장치의 전기로(100) 내부에 설치되는 부품의 재질로서 적합하다.

상기 가압부(240)는 상방으로부터 가압구동부(260)의 작동에 따라 승하강됨으로써 마운팅플레이트(222)에 놓여지는 연료전지를 일정한 압력으로 가압하고 또한 해제한다. 이러한 가압구동부(260)는 상기 상부가압봉(242)을 상하 왕복운동시 키는 부재라면 어떠한 것도 사용이 가능한 바, 예컨대, 공압액츄에이터, 유압액츄에이터 또는 기계식 왕복 구동 수단 등이 사용될 수 있다.

본 발명에서는 상기 가압구동부(260)로서 공압액츄에이터가 사용되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 도 3 및 도 4 에는 상부가압봉(242)에 공압액츄에이터가 연결된 모습이 바람직한 실시예로서 도시된다.

도시된 바와 같이, 상기 공압액츄에이터는 에어실린더(262)와 실린더로드(264)를 포함한다. 상기 에어실린더(262)는 외부로부터 압축공기를 공급받아 여기에 연결된 실린더로드(264)를 왕복이동시킨다. 여기서, 상기 에어실린더(262)는 전기로(100)의 상부 외측에 설치되며, 실린더로드(264)는 상기 전기로(100)의 본체하우징(110)을 관통하여 그 말단이 상부가압봉(242)과 결합된다. 상기 실린더로드(264)는 에어실린더(262) 내부에 위치된 피스톤을 중심으로 그 양측에 교대로 에어를 공급함에 따라 왕복이동된다. 이러한 에어의 교대 공급은 후술하는 제어부(300)의 제어에 따른 솔레노이드밸브(도 7 참조)의 개폐작동에 의해 수행된다. 솔레노이드밸브의 개폐작동에 따라 실린더로드(264)가 상하방향으로 승하강 이동되고, 이에 따라, 상기 실린더로드(264) 말단에 결합된 상부가압봉(242)의 승하강 이동이 가능하게 되는 것이다. 그리고, 상부가압봉(242)의 이동에 따라 가압플레이트(244)가 마운팅플레이트(222) 상에 놓여진 연료전지에 가압력을 제공하거나 이를 해제하게 되는 것이다.

상기 제어부(300)는 상술한 본 발명에 따른 전기화학적 특성 평가 장치의 전체 작동을 제어하는 부분으로, 종래 평가 장치와 마찬가지로, 평가에 필요한 각종 가스들의 공급량 및 공급압력 등을 제어하고, 연료전지의 전극에 연결된 전기부하로부터 얻어진 전기량에 대한 데이터를 입력받아 이를 분석함에 따라 해당 연료전지의 전기화학적 특성을 평가하는 기능을 수행한다. 추가적으로, 본 발명에 따른 평가 장치의 제어부(300)는 특히, 미리 설정된 온도 데이터에 근거하여 전기히터(120)를 작동시키며, 온도센서(140)로부터 전달되는 전기로(100) 내부의 온도 정보를 기초로 전기히터(120)의 작동을 제어하여 전기로(100) 내부의 온도를 미리 설정된 온도로 항상 유지시키는 기능을 수행한다. 또한, 본 발명에 따른 평가 장치의 제어부(300)는, 연료전지에 가압력을 제공하기 위하여, 솔레노이드밸브를 제어하여 필요에 따라 에어실린더(262) 내의 피스톤(미도시)을 기준으로 양측에 교대로 에어를 유입 및 유출시킴에 따라 실린더로드(264)를 승하강 이동시킴에 따라, 연료전지에의 일정한 가압력 제공 및 해제를 제어한다.

지금까지, 본 발명에 따른 전기화학적 특성 평가 장치의 구성에 대하여 살펴 보았는바, 이하, 도 7 을 참조로 본 발명에 따른 평가 장치의 작동 관계에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 7 에는 본 발명에 따른 평가 장치의 구성이 개략적인 블록도로 도시된다.

먼저, 작업자는 전기로(100) 내부에 설치된 마운팅플레이트(222) 위에 평가 대상이 되는 연료전지를 올려놓는다. 제어패널의 조작에 의해 평가에 필요한 전기로(100) 내부의 온도를 설정하면 제어부(300)에서는 전기히터(120)로 전기를 공급시켜 칸탈발열체를 가열시킨다. 전기로(100) 내부의 온도는 온도센서(140)에 의하여 실시간으로 감지되어 제어부(300)로 피드백되며, 피드백 신호에 근거하여 제어부(300)가 전기히터(120)로의 전기 공급 및 차단을 제어하여 전기로(100) 내부의 온도를 설정 온도로 항상 일정하게 유지시키도록 한다.

아울러, 제어패널의 조작에 따라, 연료전지로의 가압력 제공을 명령하면, 제어부(300)는 솔레노이드밸브를 제어하여, 도 7 에 도시된 팽창라인으로 에어를 공급함에 따라, 피스톤 및 실린더로드(264)를 하강시킨다. 그러면, 실린더로드(264)의 말단에 연결된 상부가압봉(242)이 하강하고, 그 말단에 연결된 가압플레이트(244)가 하강하여 연료전지의 상부 표면을 가압하게 된다.

상기와 같은 방법으로 고온형 연료전지의 평가를 위한 온도 조건과 압력조건 이 만족되면, 애노드에 수소를 공급하고, 캐소드에 산소를 공급하여 발전을 수행한다. 상기 애노드와 캐소드에는 미리 전기부하를 연결하여 수소와 산소의 반응에 의해 생성되는 전기의 양을 측정 및 분석하여 연료전지의 전기화학적 특성 및 성능을 평가하는 것이다.

반응후 캐소드로부터 배출되는 가스는 외부로 배출되며, 애노드로부터 배출되는 물질중 수분은 수분제거기(400)로부터 제거된 후 배수되고, 잔여 수소 가스는 점화기(500)에서 연소되도록 한다.

지금까지, 본 발명의 실시예를 기준으로 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적 균등범위까지 포함된다 할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치의 정면도,

도 2 는 본 발명에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치의 측면도,

도 3 은 본 발명에 따른 전기로의 구체적인 구성이 도시된 측단면도,

도 4 는 본 발명에 따른 가압수단의 구성 및 결합관계가 도시된 도면,

도 5 는 본 발명에 따른 가압수단 중 가압부의 연결관계가 도시된 도면,

도 6 은 바람직한 일 실시예에 따른 상부가압봉과 가압플레이트의 결합 구조가 도시된 도면,

도 7 은 본 발명에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치의 전체 구성이 개략적으로 도시된 블록도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 전기로 110 : 본체하우징

112 : 개폐도어 114 : 손잡이

120 : 전기히터 122 : 칸탈와이어

124 : 내화물 130 : 단열층

140 : 온도센서 150 : 휠

200 : 가압수단 220 : 마운팅부

222 : 마운팅플레이트 224 : 하부고정축

226 : 베이스플레이트 240 : 가압부

242 : 상부가압봉 243 : 둘레홈

244 : 가압플레이트 246 : 연결부재

247 : 삽입홈 248 : 볼트공

249 : 고정볼트 260 : 가압구동부

262 : 에어실린더 264 : 실린더로드

300 : 제어부 400 : 수분제거기

500 : 점화기

Claims

연료전지의 전기화학적 특성을 평가하는 장치로서,

내부에 평가 대상이 되는 연료전지를 수용하며, 전원의 인가에 따라 발열되어 연료전지 주변 온도를 상승시키기 위한 전기로(100)와;

상기 전기로(100) 내부에 수용된 연료전지에 미리 설정된 일정한 압력을 제공하기 위한 가압수단(200)과;

상기 평가 장치의 전체 작동을 제어하는 제어부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전기로(100)는,

평가 대상이 되는 연료전지가 수용되도록 내부에 일정 공간을 갖는 본체하우징(110)과; 상기 본체하우징(110)의 내벽에 부착되어 외부로부터 전원의 인가에 따라 발열되는 전기히터(120)와; 상기 본체하우징(110) 및 전기히터(120) 사이에 구비되어 전기히터(120)로부터 발생되는 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 단열층(130)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 전기히터(120)는 칸탈와이어 매몰히터인 것을 특징으로 하는 연료전지 의 전기화학적 특성 평가 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전기로(100)에는 전기로(100) 내부의 온도를 실시간으로 감지하는 온도센서(140)가 추가로 구비되어, 상기 온도센서(140)로부터 감지된 전기로(100) 내부의 온도정보신호는 상기 제어부(300)로 피드백되며, 상기 피드백 신호에 근거하여 제어부(300)가 전기히터(120)로의 전원 공급 및 차단을 제어하여 전기로(100) 내부의 온도를 항상 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가압수단(200)은,

연료전지를 하방으로부터 지지하는 마운팅부(220)와; 상기 마운팅부(220)에 장착된 연료전지를 상방으로부터 가압하는 가압부(240)와; 상기 가압부(240)를 상하방향으로 승하강시키는 가압구동부(260)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 마운팅부(220)는,

상부에 연료전지가 직접 놓여져 이를 하방으로부터 지지하는 마운팅플레이 트(222)와; 상기 마운팅플레이트(222)를 하방으로부터 지지하는 하부고정축(224)과; 상방으로 상기 하부고정축(224)의 말단과 결합되며 하방으로 상기 전기로(100) 바닥에 고정 체결되어 상기 하부고정축(224)과 마운팅플레이트(222)를 지지하는 베이스플레이트(226)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기 화학적 특성 평가 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 가압부(240)는,

상기 마운팅부(220)에 의해 지지되는 연료전지의 상부면을 가압하는 가압플레이트(244)와; 상부 말단은 상기 가압구동부(260)에 결합되고 하부 말단은 상기 가압플레이트(244)의 상부에 결합되어 가압구동부(260)의 작동에 따라 승하강되면서 상기 가압플레이트(244)를 승하강시키는 상부가압봉(242)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기 화학적 특성 평가 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 가압구동부(260)는 에어실린더(262)와, 실린더로드(264)로 구성되는 공압액츄에이터인 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기 화학적 특성 평가 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 마운팅부(220)와 가압부(240)는 인코넬 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기 화학적 특성 평가 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 상부가압봉(242)과 가압플레이트(244)는 유니버셜조인트에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 상부가압봉(242)과 가압플레이트(244)는 연결부재(246)에 의해 연결되되, 상기 연결부재(246)는 상부 중앙에 상기 상부가압봉(242)의 하부 말단이 삽입될 수 있도록 삽입홈(247)이 형성되고, 그 하부는 상부 직경보다 작게 형성되며 상기 가압플레이트(244)의 상부에 나사결합될 수 있도록 외주면에 나사산이 형성되며, 상부 외주면에는 다수의 볼트공(248)이 형성되며, 상기 상부가압봉(242)의 하부 말단은 끝이 둥글게 라운딩처리되고, 그 상부 외주면에는 둘레홈(243)이 형성되고, 상기 상부가압봉(242)의 하부 말단은 상기 연결부재(246)의 삽입홈(247)에 끼워진 후, 상기 볼트공(248)에 고정볼트(249)를 체결함에 따라, 상기 고정볼트(249)가 상부가압봉(242)의 둘레홈(243) 내에 안치되어 상부가압봉(242)을 가압함과 동시에 이탈 분리되는 것을 방지하도록 결합된 것을 특징으로 하는 연료전지의 전기화학적 특성 평가 장치.