KR20100075294A - 고전압을 이용한 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 결함 검사 장치 및 검사 방법 - Google Patents

고전압을 이용한 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 결함 검사 장치 및 검사 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 검사 대상체의 두께, 모양, 캠버(camber)에 구애 받지 않고 검사 대상체의 결함을 검출 및 측정할 수 있는 고체 산화물 연료전지(SOFC)용 전해질막 및 셀 검사 장치와 검사 방법을 제공한다. 본 발명의 일 측면에 따른 SOFC용 전해질막 및 셀 검사 장치는, 검사 대상체의 상면 및 하면에 각각 접촉되어 고전압이 인가되는 상부 멀티 브로브와 하부 멀티 프로브; 및 상기 상하부 멀티 프로브에 고전압을 공급하고, 상기 상하부 멀티 프로브 간의 고전압 인가시 상기 검사 대상체와 접촉하는 상하부 멀티 프로브간에 발생하는 누설전류를 검지하는 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치를 포함한다.
고체 산화물 연료전지, 전해질막, 셀, 결함

Description

고전압을 이용한 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 결함 검사 장치 및 검사 방법{Apparatus and method for testing defects of electrolyte membrane and cell for SOFC using high voltage}
본 발명은 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 'SOFC' 라고도 함)에 사용되는 셀 및 전해질막의 결함을 검사하는 장치 및 검사 방법에 관한 것으로서, 특히 유격을 갖는 멀티 프로브를 사용하여 검사 대상체(셀 또는 전해질막)에 고전압을 인가함으로써 검사 대상체의 두께, 모양, 캠버(camber, 휨)에 구애 받지 않고 검사 대상체의 결함을 검출 및 측정할 수 있는 검사 장치와 검사 방법에 관한 것이다.
연료전지는 치밀한 전해질막 양쪽에 위치한 두 전극판인 연료극과 공기극에 각각 연료 기체와 산화제인 공기를 공급함으로써 전해질막에 유도된 이온 전도현상을 이용하여 전기를 생산하는 전기화학적인 고효율, 무공해 발전장치이다. 여러가지 연료전지의 종류 중에서, 전해질막 물질로 고체 산화물을 사용하는 연료전지를 고체산화물 연료전지(SOFC)라고 부른다. 일반적으로 SOFC는 그 형태에 따라 원통형, 평판평, 일체형 등으로 구분된다. 그 중에서도 평판형 SOFC는 원통형이나 일체형에 비해 제조 단가가 낮고 전력 밀도가 높을 뿐 아니라 제작이 용이하여 대량생산에도 적합하기 때문에 활발한 연구가 진행되고 있다. 평판형 SOFC의 경우 치밀한 전해질막의 제조가 중요한데, 이는 전해질막에 균열 또는 구멍이 존재하여 연료기체와 공기의 크로스오버(cross-over)가 발생할 때 스택의 성능 및 수명이 크게 악화되기 때문이다.
예를 들어, 연료극 지지형 셀(Anode Supported Cell, 'ASC' 라고도 함) 또는 전해질 지지형 셀(Electrolyte Supported Cell, 'ESC' 라고도 함)에서 전해질막의 두께 방향에 대한 미시적 또는 거시적 결함이 상당 수준 존재할 경우, 연료기체와 공기가 셀을 관통하여 섞이는 크로스오버가 발생되어 SOFC의 정상적인 동작이 불가능하게 될 수 있다. SOFC용 셀의 공기극과 연료극은 연료기체와 공기가 통과할 수 있도록 다공성 구조를 갖지만, 전해질막의 경우 크로스 오버를 방지하기 위해 치밀한 구조를 가져야 한다. 따라서, 전해질막을 관통하는 균열 또는 구멍의 존재 여부를 미리 검사하여 SOFC 스택의 신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요하다.
SOFC용 전해질막과 같은 세라믹 시트의 결함 검사 방법으로는 일반적으로 기체 투과를 이용한 통기도 검사법, 물의 흡수를 이용한 투수 검사법, 알코올 용액을 이용한 버블 검사법, 또는 빛의 투과를 이용한 검사법 등이 알려져 있다. SOFC용 전해질막의 결함 검사 방법으로 상기의 방법들을 범용적으로 사용하고 있으나, 아직까지 정성적인 수준의 검사 방법이 대부분이며 검사 방법이 복잡하고 장시간을 필요로 하여 양산체제로서 범용성이 결여된다.
또한, 고전압 인가에 의한 누설 전류 측정을 통해 세라믹 시트의 결함을 검출하는 방법이 제안되었다. 이 경우 검사 대상체인 평판형 전해질막 위 아래로 전도성 고분자와 평판형 전극판을 붙여 전해질막의 결함을 검사하고 있으나, 이러한 방법은 대상체의 표면 조도(거칠기)에 따라 전극판 접촉의 불균일이 발생할 수 있고, 검사 대상체의 형상에 적합한 전극판을 사용하여야 하는 문제점이 있다. 특히 검사 대상체의 넓이가 넓어질수록 전극판의 형상 적합성은 감소한다. 또한 고전압 인가에 의해 전도성 고분자 층이 쉽게 열화될 위험성도 존재하며, 전해질막의 결함 유무만을 확인할 수 있을 뿐, 구체적으로 어느 부위에 결함이 존재하는 지를 확인할 수가 없는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 검사 대상체의 두께, 모양, 형상 등에 관계 없이 고체 산화물 연료전지용 전해질막 또는 셀의 두께 방향 결함을 정확하고 용이하게 검사할 수 있고 결함 위치를 효과적으로 측정할 수 있는 검사 장치 및 검사 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 고체 산화물 연료전지(SOFC)용 전해질막 및 셀 검사 장치는, 검사 대상체의 상면 및 하면에 각각 접촉되어 고전압이 인가되는 상부 멀티 브로브 및 하부 멀티 프로브; 및 상기 상하부 멀티 프로브에 고전압을 공급하고, 상기 상하부 멀티 프로브 간의 고전압 인가시 상기 검사 대상체와 접촉하는 상하부 멀티 프로브간에 발생하는 누설전류를 검지하는 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치는 상기 상하부 멀티 프로브 간에 고전압을 인가하고 상기 누설전류를 측정하는 하이 팟 검사기(Hi-Pot tester)일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 SOFC용 전해질막 및 셀 검사 장치는, 상 기 상부 멀티 프로브와 상기 검사 대상체 사이에 배치되어 상기 하부 멀티 프로브와 정렬된 복수의 관통공을 갖는 상부 프로브 지지대를 더 포함할 수 있다. 상기 상부 멀티 프로브는 고전압 인가시 상기 상부 프로브 지지대의 관통공에 삽입되어 상기 하부 멀티 프로브와 정렬된 상태에서 상기 검사 대상체의 상면에 접촉할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 상부 멀티 프로브는 비자성체 프로브이고, 상기 상부 프로브 지지대는 영구자석으로 되어 있고, 상기 하부 멀티 프로브는 자성체 프로브일 수 있다. 상기 상하부 멀티 프로브가 상기 검사 대상체에 접촉시, 상기 상부 멀티 프로브는 자중에 의해 상기 검사 대상체 상면에 접촉하고, 상기 하부 멀티 프로브는 상기 프로브 지지대의 자기력에 의해 상기 검사 대상체로 끌려가 접촉할 수 있다.
다른 실시형태에 따르면, 상기 하부 멀티 프로브는 복수의 스프링 프로브로 형성되어 있고, 상기 스프링 프로브 각각은 스프링 부재와 상기 스프링 부재의 일단에 배치된 프로브 팁을 구비할 수 있다. 상기 상하부 멀티 프로브가 상기 검사 대상체에 접촉시, 상기 상부 멀티 프로브는 자중에 의해 상기 검사 대상체의 상면에 접촉하고, 상기 하부 멀티 프로브는 상기 상부 프로브 지지대의 눌림에 의한 스프링 부재의 복원력을 통해 상기 프로브 팁이 검사 대상체 하면에 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치는 상기 상하부 멀티 프로브 중 일부 프로브에만 고전압을 인가하도록 상기 상하부 멀티 프로브에의 전압 공급을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 SOFC용 전해질막 및 셀 검사 장치는, 상기 상하부 멀티 프로브 간에 인가되는 고전압의 인가 방법을 변환하기 위한 스위칭 파워 시스템(switching power system)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 SOFC용 전해질막 및 셀 검사 방법은, 검사 대상체의 상면 및 하면에 각각 상부 멀티 프로브 및 하부 멀티 프로브를 접촉시킨 상태에서 상기 상하부 멀티 프로브 간에 고전압을 인가하는 단계; 및 상기 고전압 인가시 발생하는 누설 전류를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 SOFC용 전해질막 및 셀 검사 방법은, 상기 상부 멀티 프로브와 상기 검사 대상체 사이에, 상기 하부 멀티 프로브와 수직 방향으로 정렬된 복수의 관통공을 갖는 상부 프로브 지지대를 배치시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 상부 멀티 프로브는 고전압 인가시 상기 상부 프로브 지지대의 관통공에 삽입되어 상기 하부 멀티 프로브와 정렬된 상태에서 상기 검사 대상체의 상면에 접촉할 수 있다.
본 발명에 따르면, 검사 대상체의 두께, 모양, 형상, 캠버에 관계 없이 검사 대상체의 결함 여부를 정확히 검사할 수 있다. 또한, 검사 대상체의 결함 여부 뿐만 아니라 결함의 위치 또는 개수도 정확히 측정할 수 있으며, 셀 제작 또는 셀 스택 제작 전에 검사 대상체의 전체 면적 및 일부분을 실시간으로 검사할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 고체 산화물 연료전지(SOFC)용 전해질막 및 셀 검사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 검사 장치에 있어서 검사 대상체에 접촉하는 멀티 브로브를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, SOFC용 전해질막 및 셀 검사 장치(100)는, 전해질막 또는 셀과 같은 검사 대상체(7)의 상하에 각각 배치된 상부 멀티 프로브(4)와 하부 멀티 프로브(5)를 포함한다. 상부 멀티 프로브(4)와 하부 멀티 브로브(5)는 각각 다수의 프로브들을 구비한다. 검사 대상체(7)인 전해질막 또는 셀 검사시, 상하부 멀티 프로브(4, 5) 사이에 검사 대상체(7)가 끼워지도록 상하부 멀티 프로브(4, 5)가 배치되며, 상하부 멀티 프로브(4, 5)가 검사 대상체(7)의 상면 및 하면에 각각 접촉된 상태에서 상하부 멀티 프로브(4, 5) 간에 고전압이 인가된다.
상하부 멀티 프로브(4, 5) 간에 고전압을 인가하고 검사 대상체(7)에서의 누설전류(방전전류)를 측정하기 위해, 상하부 멀티 프로브(4, 5)는 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치(1)에 연결되어 있다. 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치(1)는 직류 고전압 전원과 누설전류 검지기를 포함할 수 있다. 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치(1)로서, 내전압 검사기로 사용되는 하이 팟 검사기(Hi-Pot tester)가 사용될 수 있다. 본 실시형태에서는 하이 팟 검사기(1)를 적용하여 상하부 멀티 프로브(4, 5) 간에 고전압을 인가하고, 상하부 멀티 프로브(4, 5)간에 생기는 누설전류를 측정한다.
검사 대상체(7)인 SOFC용 전해질막 또는 셀에 구멍이나 관통 결함이 존재하지 않을 경우, 이러한 검사 대상체(7)는 절연성이기 때문에 상하부 멀티 프로브(4, 5) 간에 전류가 흐르지 않지만, 검사 대상체(7)에 구멍이나 관통 결함이 존재하면, 이러한 결함을 통해 고전압 인가시 방전전류(누설전류)가 생기고 그 누설전류가 하이 팟 검사기(1)에 의해 검지된다.
부가적으로, 상부 멀티 프로브(4)와 검사 대상체(7) 사이에 상부 프로브 지지대(6)를 설치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 프로브 지지대(6)는 하부 멀티 프로브(5)와 정렬된 복수의 관통공(6a)를 가진다. 검사 대상체(7)의 검사를 위해 고전압 인가시, 상부 멀티 프로브(4)는 상부 프로브 지지대(6)의 관통공(6a)에 삽입되어 하부 멀티 프로브(5)와 정렬된 상태로 검사 대상체(7) 상면에 접촉할 수 있다. 이러한 상부 프로브 지지대 구성을 통해 상하부 프로브간에 위치 정렬이 정확히 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하여, 상하부 멀티 프로브(4, 5)와 검사 대상체(7)의 접촉 및 위치 정렬을 설명하면 다음과 같다. 본 실시형태에서는, 특히 상부 멀티 프로브(4)는 비자성체 프로브이고, 상부 프로브 지지대(6)는 영구 자석으로 만들어진 것이며, 하부 멀티 프로브(5)는 자성체 프로브이다. 검사를 위해서, 상부 멀티 프로브(4)가 상부 프로브 지지대(6)의 관통공(6a)에 삽입된 상태에서 검사 대상체(7)에 접근하면, 검사 대상체(7) 아래에 있는 자성체로 된 하부 멀티 프로브(5)는 영구 자석으로 된 상부 프로브 지지대(6)의 자기력에 의해 검사 대상체(7) 쪽으로 끌려가서 수직방향으로 이동하여 자연스럽게 검사 대상체(7)와 접촉하게 된다. 또한, 상부 멀티 프로브(4)는 관통공(6a)에 삽입된 상태로 자체 무게(자중)에 의해 검사 대상체(7)의 상면에 접촉한다. 하부 멀티 프로브(5)는 상부 프로브 지지대(6)와 유사한 구조의 하부 프로브 지지대(도시 안함)의 관통공에 삽입된 상태로 수직이동이 가능하도록 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 자성체(하부 멀티 프로브)와 영구 자석(상부 프로브 지지대) 간의 자기력과 하부 멀티 프로브(5)에 정렬된 관통공(6a) 구성을 통해, 상하부 멀티 프로브(4, 5)는 정확히 정렬된 상태로 검사 대상체(7)에 확실히 접촉할 수 있게 된다. 특히, 캠버(camber)와 같이 검사 대상체가 휘어지거나 검사 대상체의 두께 편차가 있는 경우에도, 상하부 멀티 프로브(4, 5)간 위치 정렬과 검사 대상체(7)에의 접촉이 용이하게 실현될 수 있다.
검사 장치(100)는, 상하부 멀티 프로브(4, 5) 간에 인가되는 고전압의 인가 방법을 변환하기 위한 스위칭 파워 시스템(switching power system)(3)을 포함할 수 있다. 스위칭 파워 시스템(3)을 통해 다양한 고전압 인가 방법을 제어할 수 있다. 또한, 제어용 컴퓨터(2)를 통해 하이 팟 검사기(1)와 스위칭 파워 시스템(3)의 동작을 제어하여 검사 방법과 결과를 조절할 수 있고, 검사 장치(100)의 자동 운전이 가능하다.
상부 멀티 프로브(4) 또는 하부 멀티 프로브(5)에 있어서, 각 프로브 간 간격과 갯수는 검사 정밀도에 따라 가감될 수 있다. 상부 또는 하부 멀티 프로브의 수직 이동을 위한 스탭핑 모터(도 6의 도면 부호 10 참조)를 사용하여 검사 시간을 조절할 수 있다. 검사시 상하부 멀티 프로브(4, 5)간에는 0.05~20kV의 고전압이 인가될 수 있고, 누설전류는 0.01~10mA의 범위로 측정될 수 있다. 또한 램프 업(ramp up) 및 검사 시간을 적절하게 조절할 수 있다.
검사 대상체(7) 검사시 하이 팟 검사기(1)에 의한 고전압 인가는 상하부 멀티 프로브 전체, 일부 프로브 또는 특정한 프로브에만 고전압이 인가되도록 다양하게 조절될 수 있다. 따라서, 검사 대상체(7)의 전체 면적에 대한 검사 뿐만 아니라, 검사 대상체(7)의 국소 부위의 검사도 가능하며, 실시간으로 결함의 위치 및 갯수를 판단할 수 있어 검사 신뢰성이 높다. 특히, 하이 팟 검사기(1)에 의한 고전압 인가와 거의 동시에 누설전류 측정 및 결함 분석이 가능하고 하이 팟 검사기(1)와 연결된 모니터(도시 안함)를 통해 사용자가 결함 존부, 결함 위치 등을 실시간으로 파악할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 다른 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 검사 장치에 있어서 검사 대상체에 접촉하는 멀티 브로브를 나타낸 모식도이다.
도 3의 실시형태에서는, 검사시 하부 멀티 프로브(50)와 검사 대상체(7) 간의 안정적인 접촉을 위해 하부 멀티 프로브(50)를 스프링 프로브로 구성한다. 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 각 스프링 프로브는 스프링 부재와, 스프링 부재 일단에 형성된 프로브 팁을 구비한다. 이 실시형태에서는, 상부 프로브 지지대(60)는 영구 자성일 필요가 없으며, 하부 멀티 프로브(50)는 자성체일 필요가 없고, 상부 멀티 프로브(4)는 비자성체일 필요가 없다.
상부 멀티 프로브(4)는 전술한 실시형태(도 1)와 마찬가지로 상부 프로브 지지대(60)의 관통공(60a)에 삽입된 상태로 자중에 의해 검사 대상체(1)의 상면에 접촉할 수 있다. 그러나, 하부 멀티 프로브(50)는 상부 프로브 지지대(60)의 눌림에 의한 스프링 부재의 복원력을 통해 하부 멀티 프로브의 프로브 팁이 검사 대상체 (7)하면에 자연스럽게 접촉할 수 있다. 그 밖의 다른 구성 요소들에 대한 설명은 전술한 실시형태와 마찬가지이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 검사 장치의 외형을 나타낸 3차원 모식도이고, 도 6은 도 5의 검사 장치에 있어서 상하부 멀티 브로브 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1 또는 도 3에 도시된 검사 장치(100, 101)는 도 5에 도시된 바와 같은 형태의 하이 팟 검사 스테이션(Hi-Pot Test Station) 시스템으로 구현될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 하이 팟 검사 스테이션 내에 상부 프로브 어셈블리(14)와 하부 프로브 어셈블리(14, 15)는 서로 상하로 이격된 상태로 배치되어 있다. 상하부 프로브 어셈블리(15) 사이에 전해질막 또는 셀과 같은 검사 대상체가 배치될 수 있다. 상부 프로브 어셈블리(14)는 전술한 상부 멀티 프로브(4)와 상부 프로브 지지대(6 또는 60)를 포함하며, 하부 프로브 어셈블리(15)는 하부 멀티 프 로브(5 또는 50)를 포함한다. 상부 프로브 어셈블리(14)의 위와 하부 프로브 어셈블리(15) 아래에는 각각 상부 프로브 PCB(13)와 하부 프로브 PCB(16)를 설치되어 프로브 동작을 위해 필요한 회로가 구비되어져 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스탭핑 모터(10)가 설치되어 LM 가이드(11)를 통해 상부 또는 하부 프로브 어셈블리(14, 15)를 수직 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 하부 프로브 어셈블리(15)가 고정된 상태에 있고, 상부 프로브 어셈블리(14)가 스탭핑 모터(10)와 LM 가이드(11)에 의해 아래로 내려와 멀티 프로브가 검사 대상체에 접촉할 수 있다. 스탭핑 모터(10)의 동작 제어를 통해 상부 또는 하부 프로브 어셈블리(14, 15)의 이동을 제어함으로써 검사 시간을 조절할 수 있다.
상술한 검사 장치(100, 101)를 사용하여 10~500㎛ 두께의 SOFC용 전해질막 또는 200~1200㎛ 두께의 셀을 검사할 수 있다. 검사 장치(100, 101)에 의해 검사될 수 있는 검사 대상체는 두께, 모양, 캠버 등의 형태에 구애받지 않는다. 특히, 검사 장치(100, 101)는 도 7에 도시된 바와 같이 표면에 벌집(honeycomb) 구조(20)가 형성되고 두께 편차가 존재하는 ESC 셀(19)에 대해 모든 부위의 결함 검사가 가능하다. 또한 상술한 검사 장치(100, 101)를 사용하여, 도 8에 도시된 바와 같은 평탄한 구조의 ASC셀(예컨대, InDec사의 ASC셀)(21)의 결함을 정확히 검사할 수 있다.
이하, 상술한 SOFC용 전해질막 및 셀 검사 장치(100 또는 101)를 사용하여 전해질막 또는 셀의 결함을 검사하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 하부 멀티 프로브(5 또는 50) 상에 검사 대상체(7), 즉 전해질막 또는 셀을 배치한다. 이 때 하부 멀티 프로브(5 또는 50)의 프로브 팁은 검사 대상체(7)의 하면과 간격을 두고 약간 이격된 상태로 될 수 있다. 예컨대, 하부 멀티 프로브(5 또는 50)가 상부 프로브 지지대(6)와 유사한 구조의 하부 프로브 지지대(도시 안함)에 지지된 상태에서 하부 프로브 지지대 상면에 검사 대상체(7)가 놓여질 수 있다.
그 후, 상부 멀티 프로브(4)와 검사 대상체(7) 사이에 상부 프로브 지지대(6 또는 60)을 배치하고, 상부 멀티 프로브(4)를 상부 프로브 지지대(6 또는 60)의 관통공(6a 또는 60a)에 삽입한 상태에서 하부 멀티 프로브(5 또는 50) 쪽으로 내려와 하부 멀티 프로브에 근접한다. 상부 프로브 지지대(6 또는 60)의 관통공(6a 또는 60a)은 하부 멀티 프로브(5 또는 50)와 수직방향으로 정렬되어 있으며, 하부 멀티 프로브(5 또는 50)는 수평 방향으로는 고정되나 수직 방향으로는 이동이 가능하다(도 6 참조). 상부 멀티 프로브(4)의 수직 이동은, 도 6에 도시된 바와 같이 스탭핑 모터(10)와 LM 가이드(11)를 통해 자동으로 수행될 수 있다.
이 경우, 도 1 및 2의 실시형태에서는, 자성체 프로브인 하부 멀티 프로 브(5)와 영구자석인 상부 프로브 지지대(6)간의 자기력에 의해 하부 멀티 프로브(5)가 끌려 올라가 검사 대상체(7)의 하면에 안정적으로 접촉하게 된다. 또한, 상부 멀티 프로브(4)는 상부 프로브 지지대(6)의 관통공(6a)에 삽입된 상태에서 자체 무게에 의해 검사 대상체(7)의 상면에 접촉하게 된다. 도 3 및 4의 실시형태에서는, 상부 멀티 프로브(4)는 상부 프로브 지지대(60)의 관통공(60a)에 삽입된 상태에서 자체 무게에 의해 검사 대상체(7) 상면에 접촉하지만, 하부 멀티 프로브(50)는 상부 멀티 프로브(4)가 삽입된 상부 프로브 지지대(60)의 눌림에 의해 스프링 부재의 복원력을 통해 프로브 팁이 검사 대상체(7) 하면에 접촉하게 된다. 두가지 실시형태 모두, 상하부 멀티 프로브가 정확히 정렬된 상태에서 검사 대상체(7)에 안정적으로 접촉하게 된다.
그 후, 상하부 멀티 프로브(4, 5 또는 50)가 검사 대상체(7)에 접촉한 상태에서 상하부 멀티 프로브 간에 하이 팟 검사기(1)로부터 고전압이 인가된다. 이와 같이 고전압을 인가한 때 상하부 멀티 프로브 간에 생기는 누설전류를 하이 팟 검사기(1)에 의해 검출하게 된다. 이 누설전류의 검출 결과로부터, 검사 대상체(7)의 결함 존부, 결함 위치 및 결함 갯수를 측정할 수 있게 된다.
실시예
도 1의 검사 장치를 이용하여 도 7에 도시된 바와 같은 ESC 셀(예컨대 Nextech사의 ESC 셀)에 대해 결함 검사를 실시하였고, 아래의 표 1과 같은 결과를 확인하였다.
검사 셀 고전압 인가 조건 누설 전류 기준 결과
Nextech사 ESC셀
N-174, 130장		 2kV 100㎂ 12% 불량
위 표 1에서 불량셀들에 대해 결함 위치가 판명된 부위에서 형광액 검사를 실시하여, 불량셀의 실제 균열을 확인할 수 있었다. 도 9(a) 및 (b)는 실시예에 의해 불량셀로 판정된 샘플들에 대해 형광액 검사 후 찍은 셀 표면 사진이다. 도 9에 나타난 바와 같이, 실제 균열 부위(17, 18)가 명확히 나타나 있다. 또한, 실시예에 따라 불량셀로 판정된 셀 양면에 Pt 페이스트(paste)를 도포하여 통전 여부를 확인함으로써, 최종적으로 실시예에 따른 검사 방법의 신뢰성을 재확인할 수 있었다. 상기 검사에서 결함이 발견되지 않은 셀들은 Pt 페이스트를 도포하여도 통전이 일어나지 않음을 알 수 있었다. 따라서, 본 실시예에 의해 SOFC용 전해질막 또는 셀의 형상에 구애받지 않고 결함을 높은 신뢰도로 평가할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 검사 장치에 있어서 검사 대상체에 접촉하는 멀티 브로브를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 다른 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 검사 장치에 있어서 검사 대상체에 접촉하는 멀티 브로브를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 검사 장치(Hi-Pot Test Station)의 외형을 나타낸 3차원 모식도이다.
도 6은 도 5의 검사 장치에 있어서 상하부 멀티 브로브 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 벌집 구조로 두께 편차가 존재하는 ESC셀의 표면 사진이다.
도 8은 평탄한 구조의 ASC셀의 표면 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 검사 후 누설전류가 측정된 불량셀에 대해 형광액으로 결함 부위를 확인한 셀 표면 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 하이 팟 검사기(Hi-Pot tester) 2: 제어용 컴퓨터
3: 스위칭 파워 시스템(switching power system)
4: 상부 멀티 프로브 5, 50: 하부 멀티 프로브
6, 60: 상부 프로브 지지대 7: 검사 대상체
9: 안전 커버 10: 스탭핑 모터
11: LM 가이드 12: 고전압 릴레이
13: 상부 프로브 PCB 14: 하부 프로브 어셈블리
15: 하부 프로브 어셈블리 16: 하부 프로브 PCB
17: 실시예에 따른 검사후 불량셀 샘플1에 나타난 균열 부위
18: 실시예에 따른 검사후 불량셀 샘플2에 나타난 균열 부위
19: ESC 셀 20: ESC 셀의 벌집 구조
21: ASC 셀

Claims (11)

  1. 검사 대상체의 상면 및 하면에 각각 접촉되어 고전압이 인가되는 상부 멀티 브로브와 하부 멀티 프로브; 및
    상기 상하부 멀티 프로브에 고전압을 공급하고, 상기 상하부 멀티 프로브 간의 고전압 인가시 상기 검사 대상체와 접촉하는 상하부 멀티 프로브간에 발생하는 누설전류를 검지하는 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치는 상기 상하부 멀티 프로브 간에 고전압을 인가하고 상기 누설전류를 측정하는 하이 팟 검사기인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 멀티 프로브와 상기 검사 대상체 사이에 배치되어 상기 하부 멀티 프로브와 정렬된 복수의 관통공을 갖는 상부 프로브 지지대를 더 포함하고,
    상기 상부 멀티 프로브는 고전압 인가시 상기 상부 프로브 지지대의 관통공 에 삽입되어 상기 하부 멀티 프로브와 정렬된 상태에서 상기 검사 대상체의 상면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부 멀티 프로브는 비자성체 프로브이고, 상기 상부 프로브 지지대는 영구자석으로 되어 있고, 상기 하부 멀티 프로브는 자성체 프로브이고,
    상기 상하부 멀티 프로브가 상기 검사 대상체에 접촉시, 상기 상부 멀티 프로브는 자중에 의해 상기 검사 대상체 상면에 접촉하고, 상기 하부 멀티 프로브는 상기 상부 프로브 지지대의 자기력에 의해 상기 검사 대상체로 끌려가 접촉하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 하부 멀티 프로브는 복수의 스프링 프로브로 형성되어 있고, 상기 스프링 프로브 각각은 스프링 부재와 상기 스프링 부재의 일단에 배치된 프로브 팁을 구비하고,
    상기 상하부 멀티 프로브가 상기 검사 대상체에 접촉시, 상기 상부 멀티 프로브는 자중에 의해 상기 검사 대상체의 상면에 접촉하고, 상기 하부 멀티 프로브는 상기 상부 프로브 지지대의 눌림에 의한 스프링 부재의 복원력을 통해 상기 프 로브 팁이 검사 대상체 하면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 공급 및 누설전류 측정 장치는 상기 상하부 멀티 프로브 중 일부 프로브에만 고전압을 인가하도록 상기 상하부 멀티 프로브에의 전압 공급을 조절하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상하부 멀티 프로브 간에 인가되는 고전압의 인가 방법을 변환하기 위한 스위칭 파워 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 장치.
  8. 검사 대상체의 상면 및 하면에 각각 상부 멀티 프로브 및 하부 멀티 프로브를 접촉시킨 상태에서 상기 상하부 멀티 프로브 간에 고전압을 인가하는 단계; 및
    상기 고전압 인가시 상기 상하부 멀티 프로브간에 발생하는 누설 전류를 검출하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상부 멀티 프로브와 상기 검사 대상체 사이에, 상기 하부 멀티 프로브와 수직 방향으로 정렬된 복수의 관통공을 갖는 상부 프로브 지지대를 배치시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 상부 멀티 프로브는 고전압 인가시 상기 상부 프로브 지지대의 관통공에 삽입되어 상기 하부 멀티 프로브와 정렬된 상태에서 상기 검사 대상체의 상면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상부 멀티 프로브는 비자성체 프로브이고, 상기 상부 프로브 지지대는 영구자석으로 되어 있고, 상기 하부 멀티 프로브는 자성체 프로브이고,
    상기 상하부 멀티 프로브가 상기 검사 대상체에 접촉시, 상기 상부 멀티 프로브는 자중에 의해 상기 검사 대상체 상면에 접촉하고, 상기 하부 멀티 프로브는 상기 상부 프로브 지지대의 자기력에 의해 상기 검사 대상체로 끌려가 접촉하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 하부 멀티 프로브는 복수의 스프링 프로브로 형성되어 있고, 상기 스프링 프로브 각각은 스프링 부재와 상기 스프링 부재의 일단에 배치된 프로브 팁을 구비하고,
    상기 상하부 멀티 프로브가 상기 검사 대상체에 접촉시, 상기 상부 멀티 프로브는 자중에 의해 상기 검사 대상체 상면에 접촉하고, 상기 하부 멀티 프로브는 상기 상부 프로브 지지대의 눌림에 의한 스프링 부재의 복원력을 통해 상기 프로브 팁이 검사 대상체 하면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 전해질막 및 셀 검사 방법.
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