KR20180023358A - 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료전지 평가용 지그에 관한 기술로써, 보다 상세하게는, 연료전지의 특성을 평가하는 지그의 상판 및 하판에 프레스를 형성함으로써, 하나의 지그를 이용하여 밀봉재의 가스 누설 및 부착 강도 평가와 단위셀의 성능 평가를 동시에 할 수 있는 고체 산화물 연료전지 평가용 지그에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지용 지그 모듈 {JIG FOR SOLID OXIDE FUEL CELLS}
본 발명은 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈에 관한 기술로써, 보다 상세하게는, 연료전지의 특성을 평가하는 지그의 상판 및 하판 지그에 프레스가 접합됨으로써, 하나의 지그를 이용하여 밀봉재의 가스 누설 및 부착 강도 평가와 단위셀의 성능 평가를 동시에 할 수 있는 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응을 통해 직접 전기를 생산하는 장치로서, 친환경적이며 에너지 효율이 높고 기술개발을 통한 부가가치가 높은 에너지원이다. 특히, 3세대 연료전지인 고체 산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비해 복잡한 외부 개질 시스템이 필요 없으며, 백금 등의 귀금속 전극촉매를 사용하지 않고, 액상전해질에 의한 부식문제가 발생하지 않는 등 저온형 연료전지에서 발생되는 여러 가지 운전상의 문제점을 최소화시킬 수 있다는 점과 고온 운전시 적절한 단열을 통해 운전온도 유지가 가능할 뿐 아니라 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
고체 산화물 연료전지의 구성은 연료극, 전해질, 공기극으로 이루어진 단위셀과 단위셀을 서로 연결하는 연결재로 이루어져 있다. 그 중, 밀봉재는 전해질층과 메탈 접속자 사이에 연료극(Anode)에 공급되는 연료가스와 공기극에 공급되는 공기가 서로 혼합되는 것을 방지하고 외부로의 가스 누설을 방지하는 역할을 한다. 이러한 밀봉재는 스택의 열기계적 안정성 및 장기수명을 보장하기 위해 매우 중요한 핵심 부품이며 600℃ 내지 800℃의 고온에서 작동하기에 개발의 중요성이 높아지고 있다.
종래 밀봉재의 특성을 평가하기 위해서는 밀봉재뿐만 아니라, 단위셀, 윈도우 프레임(또는 분리막) 및 인터커넥터 등 모든 구성요소가 적층된 복잡한 구조의 연료전지만을 사용하여 연료전지 및 밀봉재의 성능 측정이 가능하다는 문제점이 있었다.
또한, 고체 산화물 연료전지는 평판형, 원통형 및 평관형으로 그 종류가 분류될 수 있고, 종류에 따라 성능 및 특성을 측정하는 장치의 구조가 세분화 되어 있는 문제점이 있었다.
아울러, 종래 고체 산화물 연료전지 특성측정용 장치는 연료전지의 성능을 측정하거나, 밀봉재의 가스 누설 유무를 평가하는 등 하나의 장치를 이용하여 하나의 측정만이 가능하여, 고체 산화물 연료전지 및 그 구성물의 다양한 성능을 측정하기 위해서는 그에 맞는 측정 장치로 변환해 줘야 하는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-1408700호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 밀봉재의 가스 누설 및 부착 강도 평가와 단위셀의 성능 평가 등 하나의 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈을 이용하여 복합적인 특성을 측정하기 위해, 가스 배출 및 유입관이 형성된 상/하부 지그에 프레스부가 접합된 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈은 안착홈; 일 측이 상기 안착홈와 연결된 수소 공급관; 및 타 측이 상기 안착홈와 연결된 수소 배출관;을 포함하는 하부 지그; 및 산소 공급관 및 산소 배출관;을 포함하는 상부 지그;를 포함하고, 상기 상부 지그는 상기 안착홈에 끼움 결합되어 밀폐부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상부 지그는, 상기 산소 공급관의 일측 및 상기 산소 배출관의 타측이 상기 밀폐부를 향하여 연통되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 지그 모듈은, 상기 상부 지그 및 상기 하부 지그를 각각 상측 및 하측 방향으로 이동시키는 프레스부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상부 지그 및 상기 하부 지그는 각각 원통형 형상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 수소 배출관 및 상기 산소 배출관의 일단에는 각각의 유량을 제어하는 밸브;가 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 안착홈에 밀봉재가 위치되는 경우, 상기 지그 모듈은, 상기 밀봉재의 가스 누설 여부 및 부착 강도를 측정하는 측정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 안착홈에 단위셀이 위치되는 경우, 상기 지그 모듈은, 상기 단위셀의 성능 평가를 수행하는 측정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 지그 모듈은, 상기 프레스부의 상하 이동, 상기 산소 공급관으로 유입되는 산소 유량 및 상기 수소 공급관으로 유입되는 수소 유량 중 어느 하나 이상을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상부 및 하부 지그에 가스 배출관과 유입관이 형성되고, 일측에 프레스부가 접합됨으로써, 하나의 평가용 지그를 이용하여 밀봉재의 가스 누설, 밀봉재 부착 강도 및 단위셀 성능 평가를 실행할 수 있어 고체 산화물 연료전지의 성능을 평가하는 시간을 단축할 수 있고, 경제적인 효과가 있다.
또한, 밀봉재의 성능평가를 위해 고체 산화물 연료전지의 평가 구성품이 포함되지 않고 오직 밀봉재만으로 밀봉재의 성능 평가가 가능하여 밀봉재 성능 평가 방법을 단순화할 수 있고, 동시에 여러 종류 밀봉재의 성능을 평가할 수 있으며, 고체 산화물 연료전지의 형태에 상관없이 밀봉재의 성능을 평가할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈의 단면도이다.
도 2는 안착홈에 밀봉재가 위치된 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈을 도식화한 도면이다.
도 3은 안착홈에 단위셀이 위치된 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈을 도식화한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<고체 산화물 연료전지용 지그 모듈>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈(100)의 단면도이다. 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈(100)를 구체적으로 설명하기로 한다.
고체 산화물 연료전지용 지그 모듈(100)는 상부 지그(10), 하부 지그(20) 및 프레스부(30)를 포함한다. 또한, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)는 각각 원통형 형상으로 형성될 수 있고, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)는 금속 또는 세라믹으로 형성될 수 있다.
상부 지그(10)는 산소 공급관(11)과 산소 배출관(12)을 포함할 수 있고, 하부 지그(20)는 수소 공급관(21)과 수소 배출관(22)을 포함할 수 있다. 산소 공급관(11), 산소 배출관(12), 수소 공급관(21) 및 수소 배출관(22)은 알루미나로 이루어 질 수 있고, 알루미나는 알루미늄을 산화시켜 녹는점이 높은 알루미나 재질로 이루어질 수 있는 것에 유의한다.
또한, 하부 지그(20)는 밀봉재 및 단위셀 중 어느 하나가 위치되는 안착홈(도시되지 않음)이 형성될 수 있고, 밀봉재 가스 누출 및 단위셀 성능 평가를 실시하기 위해 안착홈은 상부 지그(10)와 끼움 결합되어 밀봉상태가 됨으로써 밀폐부(23)를 형성할 수 있다. 따라서 상부 지그(10)의 크기는 하부 지그(20)의 크기보다 작고, 안착홈의 크기와 동일하게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상부 지그(10)의 산소 공급관(11)의 일측 및 산소 배출관(12)의 타측이 밀폐부(23)를 향하여 연통되도록 하측 방향으로 구성될 수 있고, 하부 지그(20)의 수소 공급관(21)의 일측 및 수소 배출관(22)의 타측은 안착홈을 향하여 연통되도록 상측 방향으로 구성될 수 있다.
안착홈에 단위셀이 위치될 경우, 상부 지그(10)와 하부 지그(20)는 단위셀이 출력하는 전류 및 전압을 측정하는 평가부 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상부 지그(10)는 +극 역할을 하고, 하부 지그(20)는 -극 역할을 하여 단위셀의 단위 면적당 소비 전력(W, 와트)을 측정할 수 있다. 단위셀의 성능 측정은 후술되는 도 3에서 설명하기로 한다.
또한, 상부 지그(10)와 하부 지그(20)는 공기극 인터커넥터 및 연료극 인터커넥터 역할을 할 수 있고, 이 때, 상부 지그(10)와 하부 지그(20)가 단위셀과 접촉하는 면에는 유로가 형성될 수 있다.
나아가, 산소 배출관(21) 및 수소 배출관(22)의 일단에는 산소와 수소의 유량을 제어하는 밸브(13)가 제공될 수 있다. 산소 공급관(11) 및 수소 공급관(21)을 통해 산소와 수소가 공급될 때, 밸브(13)를 잠가 공급된 산소와 수소가 외부로 누설되는 것을 방지하고, 밀봉재 가스 누설 측정 시 밸브(13)를 열어 밀봉재를 통해 누설되는 산소와 수소의 양을 측정할 수 있다.
지그 모듈(100)은 측정부(50)를 더 포함할 수 있는데, 측정부(50)는 안착홈에 밀봉재가 위치되는 경우, 상부 지그(10), 하부 지그(20) 및 밸브와 연결되어 밀봉재의 가스 누설 여부 및 부착 강도를 측정할 수 있다. 또한, 안착홈에 단위셀이 위치되는 경우, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)와 연결되어 단위셀의 성능 평가를 수행할 수 있다. 밀봉재의 가스 누설 여부 및 부착 강도 측정과 단위셀의 성능 평가 방법은 후술하는 도 2 및 도 3에서 설명하기로 한다.
프레스부(30)는 상부 지그(10) 및 하부 지그(20) 각각의 일 측면에 위치되고, 상부 지그(10)와 하부 지그(20)를 이동시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 밀봉재의 부착 강도를 측정하기 위해 상부 지그(10)에 부착된 프레스부(30)는 상부 지그(10)를 상측으로, 하부 지그(20)에 부착된 프레스부(30)는 하부 지그(20)를 하측으로 당겨 밀봉재를 인장할 수 있다.
또한, 프레스부(30)는 밀봉재 및 단위셀을 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)에 밀착시키고, 밀폐부(23)을 밀봉시키기 위해 상부 지그(10)와 하부 지그(20)를 압착할 수 있다.
상부 지그(10)와 하부 지그(20) 각각에 프레스부(30)가 부착됨으로써, 밀봉재의 성능과 단위셀의 성능을 동시에 측정할 수 있어 측정 목적에 의해 평가용 지그를 교체할 필요가 없기 때문에 경제적인 효과가 있다.
본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈(100)는 프레스부(30)의 상하 이동, 산소 공급관(11)으로 유입되는 산소 유량 및 수소 공급관(21)으로 유입되는 수소 유량 중 어느 하나 이상을 제어하는 제어부(40)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 프레스부(30)와 연결되어 밀봉재의 부착 강도를 측정할 수 있고, 산소 배출관(12) 및 수소 배출관(22) 각각의 일단에 위치된 밸브와 연결되어 밀봉재를 통해 누출되는 산소 및 수소의 누설량을 측정 및 밀봉재 성능 판단을 할 수 있다. 나아가, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)와 연결되어 단위셀 및 연료전지에 인가되는 전류의 양을 조절할 수 있고, 측정부(50)와 연결되어 전류 인가에 의한 공기극 및 연료극의 전압을 측정하여 단위셀 및 연료전지의 성능을 측정할 수 있다.
아울러, 지그 모듈(100)에 접합부재가 더 포함되는 경우, 밀봉재의 부착 강도를 측정하기 위해 상부 지그(10)와 하부 지그(20)가 수직 방향으로 인가될 때 접합부재가 OFF되어 상부 지그(10)와 하부 지그(20)가 분리될 수 있게 제어하고, 밀봉재 가스 누설량 및 단위셀의 성능 측정시 밀폐부(23)을 밀봉하기 위해 접합부재를 ON으로 제어할 수 있다.
제어부(40)는 기존의 공지된 기술을 사용하기 때문에 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 안착홈에 밀봉재가 위치된 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈(100)를 나타낸 사진이다. 본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈(100)은 밀봉재만을 이용하여 밀봉재의 부착 강도 및 가스 누설 여부를 측정할 수 있다.
예를 들어, 밀봉재의 부착 강도 실험은 하부 지그(20)에 형성된 안착홈에 밀봉재를 위치시킨 후 상부 지그(10)를 덮어 밀폐부를 형성하고, 프레스부를 이용하여 상부 지그(10)와 하부 지그(20)를 수직방향으로 인장하여 밀봉재의 부착 강도를 측정할 수 있다.
밀봉재의 가스 누설량 실험은 하부 지그(20)에 형성된 안착홈에 밀봉재를 위치시킨 후 상부 지그(10)를 덮어 밀폐부를 형성하고, 프레스부를 이용하여 밀봉재와 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)를 밀착시켜 밀폐부에 빈 공간을 제거한다.
또는, 밀폐부 측면에 형성된 접합부재를 이용하여 상부 지그(10)와 하부 지그(20)를 밀착시켜 밀폐부를 밀봉한다. 접합부재는 공기 및 수소가 밀봉재를 통과하는 과정에서 공기 및 수소가 외부로 누출되거나, 외부의 가스가 밀폐부로 유입되는 것을 방지할 수 있으나, 안착홈과 상부 지그(10)의 끼움 결합 및 안착홈에 위치되는 밀봉재로 인하여 밀폐부가 밀봉될 수 있음으로, 접합부재는 생략 가능한 것을 유의한다.
이 후, 산소 공급관 및 수소 공급관을 통해 밀폐부에 가스를 공급함으로써, 밀봉재의 가스 누설 여부를 측정할 수 있다. 이 때, 산소 배출관 및 수소 배출관 일단에 위치된 밸브는 측정부와 연결됨으로 밸브를 열어 밀봉재 가스 누설 여부를 판단할 수 있다.
아울러, 고체 산화물 연료전지는 고온에서 작동하기 때문에, 밀봉재의 가스 누설 여부 판단 실험은 400℃ 내지 1100℃의 온도에서 실시될 수 있다. 예를 들어, 각각의 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈(100)에 조성물 및 성질이 상이한 밀봉재를 위치시키고 400℃ 내지 1100℃의 온도의 전기로에 넣어 밀봉재 가스 누설률 실험을 함으로써, 밀봉재 이외의 고체 산화물 연료전지 구성없이 가스 누설률 실험이 가능하여 실험 단계가 간소화되고, 동시에 하나 이상의 밀봉재의 성능을 측정할 수 있어 시간이 단축될 수 있는 효과가 있다.
도 3은 안착홈에 단위셀이 위치된 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈(100)를 나타낸 사진이다. 안착홈에 단위셀을 위치시키고, 단위셀 주위에 밀봉재를 위치시킴으로써 상부 지그(10)를 안착홈에 고정시키고, 밀폐부를 밀봉시킬 수 있다.
상부 지그(10) 및 하부 지그(20)는 단위셀의 공기극 및 연료극과 접촉하여 단위셀에 출력되는 전류, 전압 및 소비 전력 중 어느 하나 이상을 측정하는 평가부 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 산소 공급관을 통해 공기극에 산소를 공급해주면 외부로부터 전자를 받아 산소이온으로 환원되고, 수소 공급관을 통해 연료극에 수소를 공급해주면 수소가 산화되어 전자가 외부회로를 통해 방출됨으로써, 연료극에서 공기극으로 전자가 흘러 직류 전기를 생산하고, 상부 지그(10)는 공기극과 접촉하고 하부 지그(20)는 연료극과 접촉하여 단위셀에 흐르는 전류/전압을 감지한다. 감지된 전류 및 전압에 대한 데이터는 측정부로 이동하여 단위셀의 단위 면적당 소비전력을 평가한다.
상부 지그(10) 및 하부 지그(20)에는 단위셀의 공기극 및 연료극과 접촉하여 단위셀에 출력되는 전류 및 전압 중 어느 하나 이상을 측정하는 전류/전압 감지부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 감지부는 상부 지그(10)에 형성될 경우 하측방향으로 돌출될 수 있고, 하부 지그(20)에 형성될 경우 상측방향으로 돌출되어 형성될 수 있다. 상부 지그(10)에 형성된 감지부는 공기극과 접촉되고, 하부 지그(20)에 형성된 감지부는 연료극과 접촉하여 단위셀의 전류 및 전압을 감지할 수 있다.
이 때, 감지부는 단일 전선으로 형성되거나 또는 한 쌍의 전선이 프로브와 같은 형상으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 공기극과 접촉하는 감지부의 일측에서 전류를 방출하고 공기극에서 재방출되는 전류를 감지부의 타측에서 인가 받음으로써 공기극의 전압을 측정할 수 있다. 연료극의 경우에도 동일한 방법으로 연료극의 전류 및 전압을 측정할 수 있다.
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈
10: 상부 지그
11: 산소 공급관
12: 산소 배출관
13: 밸브
21: 수소 공급관
22: 수소 배출관
23: 밀폐부
30: 프레스부
40: 제어부
50: 측정부

Claims (8)

  1. 안착홈; 일 측이 상기 안착홈와 연결된 수소 공급관; 및 타 측이 상기 안착홈와 연결된 수소 배출관;을 포함하는 하부 지그; 및
    산소 공급관 및 산소 배출관;을 포함하는 상부 지그;를 포함하고,
    상기 상부 지그는 상기 안착홈에 끼움 결합되어 밀폐부를 형성하는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지용 지그 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 지그는,
    상기 산소 공급관의 일측 및 상기 산소 배출관의 타측이 상기 밀폐부를 향하여 연통되도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지용 지그 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지그 모듈은,
    상기 상부 지그 및 상기 하부 지그를 각각 상측 및 하측 방향으로 이동시키는 프레스부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지용 지그 모듈.
  4. 제1항에 잇어서
    상기 상부 지그 및 상기 하부 지그는 각각 원통형 형상인 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소 배출관 및 상기 산소 배출관의 일단에는 각각의 유량을 제어하는 밸브;가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지용 지그 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 안착홈에 밀봉재가 위치되는 경우,
    상기 지그 모듈은, 상기 밀봉재의 가스 누설 여부 및 부착 강도를 측정하는 측정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지용 지그 모듈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 안착홈에 단위셀이 위치되는 경우,
    상기 지그 모듈은, 상기 단위셀의 성능 평가를 수행하는 측정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지용 지그 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 지그 모듈은,
    상기 프레스부의 상하 이동, 상기 산소 공급관으로 유입되는 산소 유량 및 상기 수소 공급관으로 유입되는 수소 유량 중 어느 하나 이상을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지용 지그 모듈.
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