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KR20180000120A - 분할 전극이 적용된 평관형 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템 및 이를 이용한 성능 측정 방법 - Google Patents

분할 전극이 적용된 평관형 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템 및 이를 이용한 성능 측정 방법 Download PDF

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KR20180000120A
KR20180000120A KR1020160077885A KR20160077885A KR20180000120A KR 20180000120 A KR20180000120 A KR 20180000120A KR 1020160077885 A KR1020160077885 A KR 1020160077885A KR 20160077885 A KR20160077885 A KR 20160077885A KR 20180000120 A KR20180000120 A KR 20180000120A
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performance
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이종원
송락현
임탁형
이승복
박석주
이인선
김선경
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지; 상기 연료전지의 접속자측과 공기극측에 각각 배치되는 집전부; 상기 집전부의 전압 인가선에 연결되는 전압 제어부; 및 상기 집전부의 전류 측정선에 연결되는 전류 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템은 고체산화물 연료전지 운전 시, 위치별 연료전지 성능을 독립적으로 측정함으로써, 평관형 고체산화물 연료전지의 성능 및 수명을 개선하기 위한 위치별 성능편차를 정량적으로 데이터화하고, 이를 바탕으로 균일한 성능을 갖는 연료전지 개발에 활용할 수 있다.

Description

분할 전극이 적용된 평관형 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템 및 이를 이용한 성능 측정 방법{System For Performance Measurement of Flat-Tubular Solid Oxide Fuel Cell Having Segmented Electrodes, And Performance Measurement Using The Same}
본 발명은 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템 및 이를 이용한 성능 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 운전 시 위치별 성능을 측정할 수 있는 시스템 및 이를 이용한 성능 측정방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는 고체상의 산소 이온 전도성 세라믹을 전해질로 사용하며, 고온에서 연료(H2, CH4 등)와 공기(산소)의 전기화학 반응에 의해 전기를 생산하는 청정 발전 장치로서, 다른 발전 기술 대비 효율이 높고 경제성이 우수한 장점이 있다. 고체산화물 연료전지는 전해질과 전극이 고체 상태이기 때문에 평판형, 원통형, 평관형 등 다양한 형태로 제조할 수 있으며, 지지체(support)에 따라서 연료극 지지체식, 공기극 지지체식 및 전해질 지지체식으로 분류된다.
평판형 고체산화물 연료전지는 전력 밀도가 높은 반면, 대면적의 기체 밀봉이 요구되며, 열 사이클에 취약한 단점이 있다. 원통형 고체산화물 연료전지는 대면적의 기체 밀봉이 불필요하고 기계적 강도가 우수한 장점이 있다. 하지만, 길이 방향으로의 전자 이동 경로가 길어서 평판형 연료전지 대비 전력 밀도가 낮은 단점이 있다. 평관형 고체산화물 연료전지는 평판형 및 원통형 연료전지의 단점을 보완한 것으로서, 지지체 내부에 형성된 rib 을 통해 단전지(unit cell)의 두께 방향으로 전자가 이동하여, 원통형 연료전지 대비 전력 밀도가 높은 장점이 있다.
평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 경우, 지지체 내에 형성된 채널을 통해 연료 기체가 공급되며, 단전지의 길이 방향으로 연료가 이동한다. 통상적인 연료전지 운전 시, 단전지의 길이 방향으로 연료 농도의 구배가 발생하며, 이로 인하여 길이 방향으로 전기화학 성능 편차가 발생한다. 단전지 내에서의 불균일한 성능 분포는 출력 및 내구성을 저하시키는 원인이며, 따라서 평관형 고체산화물 연료전지의 성능 및 수명을 개선하기 위해서는 위치 별 성능 편차를 정량적으로 측정하고, 이를 바탕으로 균일한 성능을 갖는 연료전지의 개발이 필요하다.
종래 고체산화물 연료전지 성능 측정 시스템 또는 방법은 미국 특허등록번호 제 5,741,605호, 미국 특허공개번호 제 2005-0263393호 및 대한민국등록특허번호 제 10-1300508호 등에 개시되어 있다. 하지만, 이런 종래의 고체산화물 연료전지 성능 측정 방법으로는 위치별 성능을 독립적으로 측정할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 고려하여, 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 운전 시, 실시간으로 위치별 고체산화물 연료전지의 성능을 독립적으로 측정할 수 있는 시스템 및 이를 이용한 성능 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지; 상기 연료전지의 접속자측과 공기극측에 각각 배치되는 집전부; 상기 집전부의 전압 인가선에 연결되는 전압 제어부; 및 상기 집전부의 전류 측정선에 연결되는 전류 측정부;를 포함하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템을 제공한다.
상기 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지는, 평관형 연료극 지지체; 연료극 기능층; 전해질층; 길이 방향으로 2개 이상의 분할 전극으로 이루어진 공기극층; 접속자층 및 연료 공급용 매니폴드를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 접속자측과 공기극측에 각각 배치되는 집전부는 다공성 금속 집전체, 전압 인가선 및 전류 측정선을 포함할 수 있다.
상기 접속자측에 배치되는 다공성 금속 집전체는 Pt, Ag 또는 Ni로 이루어진 전도성 금속 메쉬가 사용될 수 있다.
상기 공기극측에 배치되는 다공성 금속 집전체는 Pt, Ag와 같은 귀금속 또는 세라믹으로 코팅된 금속 메쉬가 사용될 수 있으며, 여기서 금속 메쉬는 Ni 또는 stainless steel이 사용될 수 있다.
상기 다공성 금속 집전체는 전도성 금속 또는 세라믹 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 부착될 수 있으며, 상기 전압 인가선 및 전류 측정선은 전도성 금속 또는 세라믹 분말을 포함하는 페이스트를 이용하거나 용접을 통해 부착될 수 있다.
상기 전압 인가선과 상기 전류 측정선은 Pt, Au, Ag 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 1종으로 코팅된 금속 와이어가 사용될 수 있으며, 상기 금속 와이어는 Ni, Cu 및 stainless steel로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 연료전지 및 집전부는 온도제어가 가능한 노(furnace)에 배치될 수 있다.
상기 전압 제어부는 일정한 전압을 인가할 수 있는 전위가변기(potentiostat)와 인가 전압을 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.
상기 전류 측정부는 분할 전극과 동일한 개수의 전류센서, 전류 입력 단자, 전류 출력 단자, 센서 구동용 전원 공급기 및 각각의 분할 전극에서 측정된 전류값을 수치로 변환하는 보조 단자보드를 포함할 수 있다.
상기 전류센서는 0 ~ 10 A의 전류범위를 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지와 집전부를 노(furnace)에 장착하고, 전압 제어부를 전압 인가선에, 전류 측정부를 전류 측정선에 연결하는 (S1)단계; 수소 및 질소를 매니폴드가 부착된 연료극 측에 공급하고 노(furnace)의 온도를 증가시키는 (S2)단계; 및 H2O가 포함된 수소를 매니폴드가 부착된 연료극 측에, 건조공기 또는 O2를 공기극 측에 공급하고, 노(furnace)의 온도를 증가시키는 (S3)단계;를 포함하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 성능 측정방법을 제공한다.
상기 전압 제어부를 통해 인가 전압을 개회로 전압(OCV ; Open Circuit Voltage)에서 0.3 V까지 감소시키면서, 상기 전류 측정부를 통해 각각의 분할 전극의 전류를 측정할 수 있다.
본 발명의 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템은 고체산화물 연료전지 운전 시, 실시간으로 위치별 연료전지 성능을 독립적으로 측정함으로써, 평관형 고체산화물 연료전지의 성능 및 수명을 개선하기 위한 위치별 성능편차를 정량적으로 데이터화하고, 이를 바탕으로 균일한 성능을 갖는 연료전지 개발에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 분할 공기극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템의 구성을 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전류센서를 포함하는 전류 측정부 구성을 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전류센서를 포함하는 전류 측정부 사진이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분할 공기극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지를 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 분할 공기극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 사진이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 전체 성능측정 결과이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 분할 공기극별 성능측정 결과이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 평관형 연료극 지지체형 고체산화물 연료전지 성능 측정 시스템을 살펴보면, 2개 이상의 공기극 즉, 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지, 상기 연료전지의 접속자측과 공기극측에 각각 배치되는 집전부, 상기 집전부의 전압 인가선에 연결되는 전압 제어부 및 상기 집전부의 전류 측정선에 연결되는 전류 측정부를 포함하여 구성된다.
상기 연료전지 및 집전부는 온도제어가 가능한 노(furnace)에 배치될 수 있다.
접속자측과 공기극측에 각각 배치되는 집전부는 다공성 금속 집전체, 전압 인가선 및 전류 측정선을 포함할 수 있다. 접속자측과 공기극측에 각각 배치되는 집전부는 다공성 금속 집전체, 전압 인가선 및 전류 측정선을 포함하여 이루어진다.
상기 접속자측에 배치되는 집전부의 다공성 금속 집전체는 전도성 금속 메쉬가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 Pt, Ag 및 Ni로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 공기극측에 공기극측에 배치되는 집전부의 다공성 금속 집전체는 Pt, Ag와 같은 귀금속 또는 세라믹으로 코팅된 금속 메쉬가 사용될 수 있으며, 여기서 금속 메쉬는 Ni 또는 stainless steel이 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 전압 인가선 및 상기 전류 측정선은 Pt, Au, Ag 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 1종으로 코팅된 금속 와이어이며, 상기 금속 와이어는 Ni, Cu 및 stainless steel로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
여기서 집전부는 전도성 금속 또는 세라믹 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 부착될 수 있으며, 전압 인가선 및 전류 측정선 또한 금속 또는 세라믹 분말을 포함하는 페이스트 또는 용접을 통해 부착될 수 있다.
상기 페이스트는 Ag 에폭시 또는 LSC(La0 . 6Sr0 . 4CoO3) 페이스트가 사용될 수 있다.
상기 전압 제어부는 일정한 전압을 인가할 수 있는 전위가변기(potentiostat)와 인가 전압을 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.
상기 전류 측정부는 분할 전극과 동일한 개수의 전류센서, 전류 입력 단자, 전류 출력 단자, 센서 구동용 전원 공급기 및 각각의 분할 전극에서 측정된 전류값을 수치로 변환하는 보조 단자보드를 포함할 수 있다(도 2 및 도 3 참조).
여기서 전류센서는 0 ~ 10 A의 전류범위를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템에 적용되는 고체산화물 연료전지는 평관형 연료극 지지체, 연료극 기능층, 전해질층, 길이 방향으로 2개 이상의 분할 전극으로 이루어진 공기극층, 접속자층 및 연료 공급용 매니폴드를 포함하여 이루어질 수 있다. (도 4 참조)
그 제조방법으로는 연료극 지지체를 압출하는 단계, 연료극 지지체를 건조 및 가소결하는 단계, 연료극 기능층을 코팅 및 건조하는 단계, 전해질을 코팅 및 건조하는 단계, 전해질이 코팅된 연료극 지지체를 소결하는 단계, 2개 이상의 분할 전극을 코팅 및 건조하는 단계, 분할 전극이 코팅된 연료전지를 소결하는 단계, 접속자를 코팅 및 건조하는 단계, 접속자가 코팅된 연료전지를 소결하는 단계 및 연료 공급용 매니폴드를 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 성능을 측정하기 위한 방법은 아래와 같은 단계를 통해 수행될 수 있다.
먼저, (S1) 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지와 집전부를 노(furnace)에 장착하고, 전압 제어부를 전압 인가선에, 전류 측정부를 전류 측정선에 연결한다. 다음으로, (S2) 수소 및 질소를 매니폴드가 부착된 연료극 측에 공급하고 노(furnace)의 온도를 증가시킨 후, 마지막으로 (S3) H2O가 포함된 수소를 매니폴드가 부착된 연료극 측에, O2를 공기극 측에 공급하고, 노(furnace)의 온도를 증가시킨다.
상기 노(furnace)의 온도는 550 ~ 750 ℃이 바람직하다. 상기 범위의 하한을 미달한 경우 연료극이 완전히 환원되지 않으며, 상기 범위의 상한을 초과할 경우 급속한 연료극 환원으로 인하여 연료전지의 성능이 저하되어 바람직하지 못하다.
(S3)의 수소 공급 유량은 500 mL/min, O2 공급 유량은 600 mL/min이 바람직하며, 측정하고자 하는 목적에 따라 다르게 공급할 수 있다.
전압 제어부에서는 인가 전압을 조절할 수 있는데, 개회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)에서 0.3 V까지 감소시키면서, 상기 전류 측정부를 통해 각각의 분할 전극의 전류를 측정할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 인가 전압을 개회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)에서 0.3 V까지 0.03 V씩 단계적으로 감소시켜 분할 전극의 전류를 측정할 수 있다.
개회로 전압에서 인가전압을 낮추면 전기화학반응이 일어나며, 인가전압이 낮을수록 측정되는 전류값이 증가한다. 여기서 전압을 낮추는 과정을 단계적으로 수행하지 않고 인가전압을 급격하게 낮추게 될 경우, 과도한 전류값으로 인하여 연료전지의 성능이 저하될 수 있으며, 측정 시스템이 오작동을 일으킬 수 있다.
상기와 같은 방법을 통해 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템은 전체 성능과 함께 분할 전극의 성능을 독립적으로 측정할 수 있으며, 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 길이 방향으로의 위치별 성능 편차를 결정할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
제조예 1
1) 분할 공기극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 제조
NiO(J.T. Baker Co.), 8몰% Y2O3-안정화 ZrO2(TZ-8YS, Tosoh Co.), 기공형성제로 활성탄을 각각 칭량하여 혼합하였다. 용매인 에탄올을 첨가한 후, 혼합된 분말을 고순도 지르코니아 볼을 이용하여 1주일 동안 습식 볼 밀링하여 건조기에 90에서 건조시킨 후, 체질하여 분말을 제조하였다. 제조된 분말에 증류수 20 중량%, 유기바인더(MP3000) 13 중량%, 가소제(glycerol) 8 중량%, 윤활제(cellosol) 3 중량%를 첨가하여 혼련 과정을 진행하여 페이스트를 제조하였다. 이 때 혼합 과정은 먼저 압축 분말과 유기 바인더를 분말 상태로 10 분간 혼합한 후 가소제와 윤활제를 증류수와 혼합한 액상 용액을 혼련기에 첨가하면서 균일하게 혼합하였으며, 첨가제가 혼련 과정 중 응고되지 않도록 혼련기의 온도를 낮추고자 기기 내부에 냉각수를 공급하였다. 이후 수분이 고르게 분포되도록 24 시간 동안 저온 숙성을 시킨 후, 압출 성형을 하였다. 압출된 성형체는 건조 시 용매의 증발에 의한 휨 현상 및 균열을 방지하기 위해 선형 저밀도 폴리에틸렌 필름에 포장 보관하였으며, 항온·항습기에서 온도 80, 습도 90%에서 건조하였다. 이후, 상기 평관형 연료극 지지체를 1100에서 가소결을 실시하였다.
전해질 슬러리 내 10 몰% Sc2O3-안정화-ZrO2 (ScSZ)분말의 농도를 3 중량%로 하였고, 분산제와 용매를 각각 칭량하여 첨가한 후, 볼 밀링을 실시하였다. 연료극 지지체의 가소결체 일부에 마스킹을 한 후, 진공 슬러리 코팅법을 이용하여 평관형 연료극 지지체의 채널을 이용해서 내부를 진공 상태로 만들고, 전해질 슬러리에 침지시켜 코팅하였고, 건조 후에 1000에서 3 시간 가소결하였다. 이후, 전해질 슬러리 내 10 몰% Gd2O3-안정화-CeO2 (GDC)분말의 농도를 3 중량%로 하였고, 분산제와 용매를 각각 칭량하여 첨가한 후, 볼 밀링을 실시하였다. ScSZ 코팅층 위에 진공 슬러리 코팅법을 이용하여 코팅하였고, 건조 후에 1400에서 5 시간 소결하여, 평관형 연료극 지지체의 외면에 ScSZ/GDC 전해질층을 형성하였다.
전해질층에 공기극으로 LSCF(La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3)/GDC와 LSCF을 스크린 프린팅법을 이용하여 코팅하였고, 상온에서 건조 후, 1100에서 3 시간 소결하여 형성하였다. 이 때, 공기극층은 연료전지의 길이 방향으로 5 개로 분할하여 코팅하였다.
공기극의 반대측에 접속자층을 형성하기 위하여 전자전도성 재료인 Ag 와 글래스를 혼합하여 페이스트를 제조한 다음, 이 페이스트를 스크린 프린팅법을 이용하여 연료극 지지체 상에 일정한 두께로 코팅하였다. 이 때 Ag 와 글래스의 혼합비는 중량비 9 : 1 이었다. 이후 800에서 30분 열처리하여 접속자층을 형성하였다(도 5 참조).
연료전지 운전 시, 연료 기체를 공급하기 위한 스테인리스 스틸 재질의 매니폴드를 밀봉제를 이용하여 상기 제조된 연료전지 양측에 부착하였다.
실험예 1
상기 평관형 고체산화물 연료전지 및 집전부를 노(furnace)에 장착하고, 전압 제어부를 집전부의 전압 인가선에, 전류 측정부를 전류 측정선에 연결하였다.
연료극 지지체를 환원시키기 위하여, 수소 및 질소가 혼합된 기체를 매니폴드가 부착된 연료극측에 공급하고, 노(furnace) 온도를 700로 증가시켰다.
이후, 연료전지 성능 측정을 위해, 3% H2O가 포함된 수소를 매니폴드가 부착된 연료극측에, 공기를 공기극측에 공급하였고, 노(furnace) 온도를 750로 증가시켰다. 이 때, 수소 공급 유량은 500 mL/min, 공기 유량은 600 mL/min 로 제어하였다. 전압 제어부를 통해 인가 전압을 개회로 전압에서 0.3 V까지 0.03 V씩 단계적으로 감소시키면서, 전류 측정부를 통해 각각의 분할 전극의 전류를 측정하였다.
도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 분할 공기극 적용 고체산화물 연료전지의 전체 성능과 함께 분할 공기극 성능을 독립적으로 측정할 수 있으며, 평관형 고체산화물 연료전지의 길이 방향으로의 위치별 성능 편차를 결정할 수 있다.
도 6을 살펴보면, 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능은 전체 성능으로만 파악이 가능하여, 독립된 전극의 성능 및 각각의 전극 사이의 성능편차 측정에는 어려움이 있다.
그러나, 본 발명은 도 7과 같이 작동하는 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 각각의 분할 전극의 성능 및 그 편차를 실시간으로 측정하여 정량적으로 데이터를 확보할 수 있어, 균일한 성능을 갖는 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 개발에 활용할 수 있다. 덧붙여서, 도 6 및 도 7을 비교하였을 때, 전체 성능으로 확인할 수 있는 값과 각각의 분할 전극 성능 및 그 편차의 값의 차이가 다소 큰 것으로 보아 분할 전극의 실시간 성능 측정의 필요성을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 전류센서 60: 접속자
20: 집전부(접속자) 70: 전해질
30: 집전부(공기극) 80: 연료극
40: 매니폴드 50: 분할 공기극

Claims (15)

  1. 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지;
    상기 연료전지의 접속자측과 공기극측에 각각 배치되는 집전부;
    상기 집전부의 전압 인가선에 연결되는 전압 제어부; 및 상기 집전부의 전류 측정선에 연결되는 전류 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지는,
    평관형 연료극 지지체;
    연료극 기능층;
    전해질층;
    길이 방향으로 2개 이상의 분할 전극으로 이루어진 공기극층;
    접속자층 및 연료 공급용 매니폴드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접속자측과 공기극측에 각각 배치되는 집전부는 다공성 금속 집전체, 전압 인가선 및 전류 측정선을 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 접속자측에 배치되는 집전부의 다공성 금속 집전체는 Pt, Ag 및 Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종의 전도성 금속 메쉬이고, 상기 공기극측에 배치되는 집전부의 다공성 금속 집전체는 Pt, Ag 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 1종으로 코팅된 금속 메쉬인 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  5. 제3항에 있어서
    상기 다공성 금속 집전체는 전도성 금속 또는 세라믹 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 부착되는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  6. 제3항에 있어서
    상기 전압 인가선 및 전류 측정선은 전도성 금속 또는 세라믹 분말을 포함하는 페이스트를 이용하거나 용접을 통해 부착되는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전압 인가선은 Pt, Au, Ag 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 1종으로 코팅된 금속 와이어이며, 상기 금속 와이어는 Ni, Cu 및 stainless steel로 이루어진 군에서 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정선은 Pt, Au, Ag 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 1종으로 코팅된 금속 와이어이며, 상기 금속 와이어는 Ni, Cu 및 stainless steel로 이루어진 군에서 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 및 집전부는 온도제어가 가능한 노(furnace)에 배치되는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어부는 일정한 전압을 인가할 수 있는 전위가변기(potentiostat)와 인가 전압을 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정부는 분할 전극과 동일한 개수의 전류센서, 전류 입력 단자, 전류 출력 단자, 센서 구동용 전원 공급기 및 각각의 분할 전극에서 측정된 전류값을 수치로 변환하는 보조 단자보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전류센서는 0 ~ 10 A의 전류범위를 갖는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 성능 측정시스템.
  13. (S1) 분할 전극이 적용된 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지와 집전부를 노(furnace)에 장착하고, 전압 제어부를 전압 인가선에, 전류 측정부를 전류 측정선에 연결하는 단계;
    (S2) 수소 및 질소를 매니폴드가 부착된 연료극 측에 공급하고 노(furnace)의 온도를 증가시키는 단계; 및
    (S3) H2O가 포함된 수소를 매니폴드가 부착된 연료극 측에, 건조공기 또는 O2를 공기극 측에 공급하고, 노(furnace)의 온도를 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 성능 측정방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전압 제어부를 통해 인가 전압을 개회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 감소시키면서, 상기 전류 측정부를 통해 각각의 분할 전극의 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 성능 측정방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 노(furnace)의 온도는 550 ~ 750 ℃인 것을 특징으로 하는 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 성능 측정방법.
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