KR100811985B1

KR100811985B1 - 멀티 ｍｅａ 테스트 스테이션 및 이를 이용한 멀티 ｍｅａ평가 방법

Info

Publication number: KR100811985B1
Application number: KR1020070016195A
Authority: KR
Inventors: 신찬균
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-03-10
Also published as: US20080197857A1; US8349512B2

Abstract

본 발명은 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션 공정을 용이하게 수행할 수 있는 멀티 MEA 테스트 스테이션 및 이를 이용한 멀티 MEA 평가 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션은 다수개의 MEA를 수납할 수 있는 챔버, MEA의 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 제1 채널을 구비한 제1 멀티 셀 바디, MEA의 애노드 전극으로 연료를 공급하기 위한 제2 채널을 구비한 제2 멀티 셀 바디, 제1 멀티 셀 바디 및 제2 멀티 셀 바디와 이들 사이에 놓이는 MEA를 밀착시키기 위한 가압수단, 제1 채널로 연료를 공급하고 제2 채널로 산화제를 공급하기 위한 반응물공급수단, 및 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션 환경을 제어하며 테스트 및 액티베이션을 수행하는 멀티 로더를 포함한다.

MEA, 성능, 테스트, 스테이션

Description

멀티 ＭＥＡ 테스트 스테이션 및 이를 이용한 멀티 ＭＥＡ 평가 방법{Multi-MEA Test Station and Multi-MEA Test Method using the same}

도 1은 고분자막을 전해질로 사용하는 일반적인 연료전지 스택의 제작 과정을 개략적으로 설명하기 위한 예시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션에 대한 개략도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션에 채용가능한 자동가압부를 설명하기 위한 개략도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션에 채용가능한 멀티 셀 바디를 설명하기 위한 단면도.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션에 채용가능한 멀티 셀 바디를 설명하기 위한 평면도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 평가 방법에 대한 순서도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 챔버 12 : 온도 센서

20 : 자동가압부 21, 22 : 가압수단

23, 24 : 멀티 셀 바디 25, 26 : 바이폴라 플레이트

29 : 인출선 30 : 반응물공급수단

40 : 멀티로더 50 : 정화장치

본 발명은 연료전지용 MEA(membrane electrode assembly)의 성능 평가 및 액티베이션(activation) 기술에 관한 것으로, 특히 연료전지 스택의 대량 생산에 적합한 새로운 구조의 멀티 MEA 테스트 스테이션(multi-MEA test station) 및 이 멀티 MEA 테스트 스테이션을 이용한 멀티 MEA 평가 방법에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)는 연료 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 발전 시스템으로서, 저공해와 고효율의 이점이 있다. 특히 연료전지는 저장 및 운송이 용이한 석유 에너지, 천연가스, 메탄올 등의 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있기 때문에 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

고분자 전해질형 연료전지는 수소 이온(proton)을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하며, 단위전지로서 고분자 전해질막과 그 양면에 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 막-전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)를 구비한다. 통상 고분자 전해질형 연료전지는 복수의 단위전지(single cell)와 단위전지에 연료와 산화제를 공급하기 위한 유로가 설치되어 있는 바이폴라 플레이트(bipolar plate, BP)가 교대로 적층된 스택(stack) 구조로 제작된다. 수소 이온을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로는 전술한 고분자 전해질형 연료전지 이외에 액상의 연료를 애노드에 직접 공급하는 방식으로 구성되는 직접 메탄올형 연료전지가 있다. 직접 메탄올형 연료전지는 연료 프로세서를 사용하지 않으며 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 연료전지 구조에 적합하다는 장점이 있다.

도 1은 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지 스택의 제작 과정을 개략적으로 설명하기 위한 예시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 먼저 고분자 전해질막(1)의 양면에 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)을 접합시켜 막-전극 어셈블리를 준비해야 한다. 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)은 통상 금속촉매층(2a; 3a)과 확산층(2b; 3b)으로 각각 구성된다. 다음으로 준비된 복수개의 막-전극 어셈블리, 개스킷(4) 및 바이폴라 플레이트(5, 5a, 5b)를 교대로 적층한 후, 이들의 적층 구조의 양단에 엔드 플레이트들(6a, 6b)을 배치시킨다. 바이폴라 플레이트(5, 5a, 5b)에는 연료 및 산화제의 유동을 위한 채널(a1, a2)이 구비된다. 그리고 엔드 플레이트들(6a, 6b)를 체결 부재(7)로 소정 압력하에서 고정시켜 연료전지 스택을 제작한다. 전술한 연료전지 스택의 체결에는 소정 시간 예컨대 30분이 소요될 수 있다.

한편, 연료전지 스택을 제작하기 위해서는 스택의 제작에 앞서 막-전극 어셈 블리의 성능을 평가해야만 한다. 그렇게 하지 않으면, 특정 막-전극 어셈블리의 불량으로 인하여 연료전지 스택의 제작 후 제작된 스택이 불량으로 판별될 수 있고, 그러한 경우 연료전지 스택을 해체하고 불량한 막-전극 어셈블리를 교체하기 위한 공정과 비용이 상당히 소모되기 때문이다.

하나의 연료전지 스택에는 통상 수 개 내지 수십 개의 막-전극 어셈블리가 탑재된다. 따라서 하나의 연료전지 스택을 제작하기 위해서는 수 개 내지 수십 개의 막-전극 어셈블리의 성능을 가능하다면 모두 평가해야만 한다.

종래의 막-전극 어셈블리를 평가하는 장치 및 방법으로는 일본 공개특허공보 제2004-220786호(2004.8.5), 일본 공개특허공보 제2005-71882호(2005.3.17) 등에 개시되어 있다. 전술한 공보들에 기재된 MEA 평가 방식은 기본적으로 단일 막-전극 어셈블리를 평가하는 방식이다. 따라서 전술한 종래의 MEA 평가 방식을 이용하는 경우, 평가 시간이 너무 많이 소요될 수 있는 단점이 있다.

다른 한편으로 수십 대의 평가 장치를 이용하여 막-전극 어셈블리를 평가하는 방식도 고려할 수 있지만, 이 방식은 평가 장치에 대한 설비비를 증가시키고 이를 유지 관리하기 위한 비용이 증가하는 단점이 있다.

또한 막-전극 어셈블리의 평가 후에는 막-전극 어셈블리의 성능을 향상시키기 위하여 액티베이션(activation) 공정을 진행할 수 있다. 이 경우, 하나의 막-전극 어셈블리를 평가하고 액티베이션 하는 공정을 위해서는 적어도 한 대의 평가 장치가 일정 시간 예컨대 수 시간 내지 수십 시간 동안의 작동 시간을 요구하게 되는데, 이러한 환경은 연료전지 스택의 대량 생산을 위한 공정에 적합하지 않다.

본 발명의 목적은 연료전지 스택의 대량 생산에 적합한 새로운 구조의 멀티 MEA 테스트 스테이션을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전술한 새로운 구조의 멀티 MEA 테스트 스테이션을 이용한 멀티 MEA 평가 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 다수개의 MEA를 수납할 수 있는 챔버; 상기 MEA의 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 제1 채널을 구비하는 제1 멀티 셀 바디 및 상기 MEA의 애노드 전극으로 연료를 공급하기 위한 제2 채널을 구비하는 제2 멀티 셀 바디; 상기 제1 멀티 셀 바디 및 상기 제2 멀티 셀 바디가 마주하는 방향으로 힘을 가하여 상기 제1 멀티 셀 바디 및 상기 제2 멀티 셀 바디와 이들 사이에 놓인 상기 MEA를 밀착시키는 가압수단; 상기 제1 채널로 상기 산화제를 공급하고 상기 제2 채널로 상기 연료를 공급하기 위한 반응물공급수단; 및 상기 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션 환경을 제어하며 상기 테스트 및 상기 액티베이션을 수행하는 멀티 로더를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션이 제공된다.

바람직하게, 상기 제1 멀티 셀 바디는 상기 MEA 각각에 대응하도록 전기적으로 분리된 복수개의 오목부를 포함하고, 상기 제2 멀티 셀 바디는 상기 MEA 각각에 대응하도록 전기적으로 분리되며 상기 복수개의 오목부에 대응하는 복수개의 또 다른 오목부를 포함한다.

상기 제1 멀티 셀 바디 및 상기 제2 멀티 셀 바디는 상기 가압 수단의 말단부에 착탈가능하게 부착된다.

상기 가압수단은 유압식 가압장치를 포함한다.

상기 반응물공급수단은 상기 연료를 공급하기 위한 연료펌프 및 상기 산화제를 공급하기 위한 공기펌프를 포함한다.

상기 반응물공급수단은 상기 연료펌프로부터 상기 MEA 각각으로 공급되는 상기 연료의 흐름을 제어하는 유체흐름 조절장치를 포함한다.

상기 멀티 로더는 상기 MEA에 직류 신호 또는 교류 신호를 인가하기 위한 전원부, 및 상기 MEA의 전압, 전류, 임피던스, 정전용량 및 이들의 조합 중 어느 하나를 감지하기 위한 감지부를 포함한다.

상기 챔버는 항온 항습 챔버이다.

상기 챔버는 상기 MEA에 인접하게 설치되는 온도 센서를 포함한다.

전술한 멀티 MEA 테스트 스테이션은 상기 제1 채널 또는 상기 제2 채널로 퍼징용 유체를 공급하는 퍼징장치를 추가적으로 포함한다.

전술한 멀티 MEA 테스트 스테이션은 상기 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션 공정과 상기 다수개의 MEA에 대한 로딩 및 언로딩 공정을 교대로 수행하기 위한 제1 스테이션 및 제2 스테이션을 포함한다.

상기 연료는 수소를 함유한 액체상 연료 또는 기체상 연료를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 항온 항습 챔버 내의 제1 멀티 셀 바디 상에 다수개의 MEA를 놓는 단계; 상기 MEA를 사이에 두고 상기 제1 멀티 셀 바디와 상기 제1 멀티 셀 바디에 대응하여 설치되는 제2 멀티 셀 바디를 누르는 단계; 및 상기 제1 멀티 셀 바디에 구비된 제1 채널을 통해 상기 MEA의 캐소드 전극으로 산화제를 공급하고 상기 제2 멀티 셀 바디에 구비된 제2 채널을 통해 상기 MEA의 애노드 전극으로 연료를 공급하는 단계; 및 멀티 로더를 이용하여 상기 다수개의 MEA에 대한 테스트를 수행하는 단계를 포함하는 멀티 MEA 평가 방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 멀티 셀 바디를 누르는 단계는 유압 프레스를 이용한 가압 단계를 포함한다.

상기 다수개의 MEA에 대한 테스트를 수행하는 단계는 상기 MEA 각각의 전류, 전압, 임피던스, 정전용량 및 이들의 조합 중 어느 하나의 파라미터를 감지하고 상기 감지된 파라미터를 이용하여 상기 MEA 각각의 성능을 평가하는 단계를 포함한다.

전술한 멀티 MEA 평가 방법은 상기 다수개의 MEA에 대하여 액티베이션을 수행하는 단계를 추가적으로 포함한다. 상기 액티베이션을 수행하는 단계는 상기 다수개의 MEA를 원하는 시간 동안 작동시키는 단계를 포함한다.

전술한 멀티 MEA 평가 방법은 상기 제1 채널 또는 상기 제2 채널로 퍼징용 유체를 공급하는 단계를 추가적으로 포함한다.

이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이하의 설명에서 MEA의 애노드로 공급되는 연료는 수소를 함유한 액체상의 연료나 수소를 함유한 기체상의 연료를 포함한다. 액체상의 연료를 사용하는 경우는 테스트 및/또는 액티베이션 공정을 마친 MEA를 직접 메탄올형 연료전지 스택 제작에 사용하기 위한 것이며, 기체상의 연료를 사용하는 경우는 테스트 및/또는 액티베이션 공정을 마친 MEA를 고분자 전해질형 연료전지 스택 제작에 사용하기 위한 것이다. 액체상의 연료로는 메탄올 수용액 등이 사용될 수 있고, 기체상의 연료로는 수소 가스 등이 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션(multi-MEA test station)에 대한 개략도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 멀티 MEA 테스트 스테이션은 단일 장치로 다수개의 MEA를 테스트하고 액티베이션(activation) 하기 위하여 챔버(chamber)(10), 자동가압부(auto pressing means)(20), 반응물공급수단(reactant supply means)(30), 멀티 로더(multi-loader)(40) 및 정화장치(purging means)(50)를 포함하여 이루어진다.

챔버(10)는 다수개의 MEA를 수납할 수 있는 내부 공간을 구비한다. 예컨대 챔버(10)는 MEA를 한 층에 5개씩 놓은 다섯 개의 층으로 배열할 수 있는 크기를 구비한다. 챔버(10)로는 MEA의 올바른 평가 환경을 제공하기 위하여 항온 및/또는 항습 챔버가 사용될 수 있다. 아울러, 챔버(10)는 다수개의 MEA의 작동시 MEA의 온도 를 가장 정확하게 검출할 수 있는 위치에 설치되는 온도 센서(12)를 구비하는 것이 바람직하다. MEA의 온도를 가장 정확하게 검출할 수 있는 위치는 MEA에 직접 접하는 위치이거나 MEA를 둘러싸는 자동가압부(20)에 접하는 위치를 포함한다.

자동가압부(20)는 각 MEA의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연료 및 산화제를 공급하며 각 MEA에서 생성된 전기에너지를 집적하기 위한 다수개의 바이폴라 플레이트가 설치된 바디 상에 다수개의 MEA를 배열한 후 임의의 압력을 가압하여 스택 체결시와 같은 조건을 형성하기 위한 것이다. 본 실시예에 있어서 자동가압부(20)는 5개의 자동가압부(20)로 이루어지며, 각 자동가압부(20)는 5개의 MEA를 독립적으로 테스트하고 액티베이션 하도록 설치되어 있다.

반응물공급수단(30)은 자동가압부(20)에 의해 가압된 다수개의 MEA에 연료전지 작동을 위한 연료 및 산화제를 공급하는 장치를 포함한다. 반응물공급수단(30)은 연료를 저장하는 연료저장용기(32), 연료를 공급하기 위한 연료펌프(P1)(34a), 연료펌프(34a)로부터 공급되는 연료를 다수개의 MEA에 분배하여 공급하는 제1 유량흐름 조절장치(the first mass flow controller: MFC 1)(36a), 및 제1 유량흐름 조절장치(36a)로부터 나오는 연료를 자동가압부(20)로 가이드하고 자동가압부(20)로부터 나오는 유체를 제1 유량흐름 조절장치(36a)로 가이드하는 제1 배관(38a)를 구비한다. 또한 반응물공급수단(30)은 산화제로서 공기를 공급하기 위한 공기펌프(P2)(34b), 공기펌프(34b)로부터 공급되는 공기를 다수개의 MEA에 분배하여 공급하는 제2 유량흐름 조절장치(the second mass flow controller: MFC 2)(36b), 및 제2 유량흐름 조절장치(36b)로부터 나오는 공기를 자동가압부(20)로 가이드하고 자 동가압부(20)로부터 나오는 유체를 제2 유량흐름 조절장치(36b)로 가이드하는 제2 배관(38b)을 구비한다.

전술한 제1 유량흐름 조절장치(36a)는 적어도 하나의 연료펌프(34a)에 연결되며, 제2 유량흐름 조절장치(36b)는 적어도 하나의 공기펌프(34b)에 연결된다. 또한 제1 및 제2 유량흐름 조절장치(36a, 36b)는 MEA가 배열된 5개 층에 동시에 또는 순차적으로 연료 및 공기를 공급하거나 각 층의 5개의 MEA에 동시에 또는 순차적으로 연료 및 공기를 공급하도록 구현된다.

멀티 로더(40)는 챔버(10) 내에 수납된 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션(activation) 환경을 제어하며 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션을 수행한다. 멀티 로더(40)는 챔버(10)에 결합되며 챔버(10)의 온도 및 습도를 제어하고, 챔버(10) 내에 수납된 MEA 각각에 대하여 원하는 특성 파라미터 예컨대 전압, 전류, 임피던스, 위상각, 정전용량 중 적어도 어느 하나를 측정하고, 측정된 MEA의 특성 파라미터에 기초하여 MEA 각각의 성능을 평가한다.

멀티 로더(40)는 내부 전원을 공급하거나 챔버(10) 내에 수납된 MEA에 직류 신호 또는 교류 신호를 인가하기 위한 전원부(42)와, 챔버(10) 내에 수납된 MEA로부터 전압, 전류, 임피던스, 위상각, 정전용량 및 이들의 조합 중 어느 하나를 감지하는 감지부(44)와, 다수개의 MEA의 테스트 및 액티베이션 환경 예컨대 챔버(10)의 온도 및 습도, 반응물공급장치(30)의 공급량 및/또는 공급속도 등을 제어하며 다수개의 MEA의 테스트 및 액티베이션 공정을 수행하는 제어부(46)를 포함하여 구현된다.

제어부(46)는 다수개의 MEA로부터 감지된 특성 파라미터를 저장하고, 감지된 특성 파라미터를 토대로 MEA 각각의 전압-전류 특성, 촉매이용률, 크로스오버(crossover) 특성, 온도 의존 특성, 연료 농도 의존 특성, 전해질막 두께 의존 특성, 내구성 등의 성능을 평가하도록 구현될 수 있다.

정화장치(50)는 스택 제조에 적합한 상태 및/또는 운반과 보관에 적합한 상태로 MEA를 준비하기 위하여 챔버(10) 내에서 테스트 및 액티베이션 공정을 마친 다수개의 MEA를 퍼징한다. 정화장치(50)로는 질소 퍼징장치 등이 사용될 수 있다. 정화장치(50)로서 질소 퍼징장치를 사용하여 MEA를 정화하는 경우, 질소 퍼징장치는 제어부(46)의 제어에 의해 조작되는 밸브 등의 작동에 의해 공기펌프(34b)에 결합되고 제1 유체흐름 조절장치(36a) 및/또는 제2 유체흐름 조절장치(36b)를 통해 다수개의 MEA의 캐소드측 제1 채널 및/또는 애노드측 제2 채널을 정화하도록 구현될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션에 채용가능한 자동가압부를 설명하기 위한 개략도이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 자동가압부(20)는 챔버 내에 수납되는 MEA를 가압할 수 있는 가압수단(21, 22), 및 가압수단에 착탈가능하게 결합되며 다수개의 MEA를 배열하기 위한 멀티 셀 바디(23, 24)를 포함하여 이루어진다.

멀티 셀 바디는 MEA의 캐소드 전극 측에 배치되는 제1 멀티 셀 바디(23)와 MEA의 애노드 전극 측에 배치되는 제2 멀티 셀 바디(24)를 포함한다. 즉, 멀티 셀 바디는 다수개의 MEA를 사이에 두고 상하 양측에 배치되는 제1 및 제2 멀티 셀 바 디(23, 24)를 포함한다. 제1 멀티 셀 바디(23)는 캐소드 전극에 산화제를 공급하기 위한 유입구 및 유출구를 구비하고, 제2 멀티 셀 바디(24)는 애노드 전극에 연료를 공급하기 위한 유입구 및 유출구를 구비할 수 있다.

가압수단(21, 22)은 제1 및 제2 멀티 셀 바디(23, 24) 사이에 다수개의 MEA가 놓인 상태에서 제1 멀티 셀 바디(23)와 제2 멀티 셀 바디(24)가 마주하는 방향으로 힘을 가하여 제1 멀티 셀 바디(23)와 다수개의 MEA 및 제2 멀티 셀 바디(24)를 서로 밀착시키면서 다수개의 MEA를 압착한다. 가압수단은 제1 멀티 셀 바디(23)에 접하여 임의의 압력을 가하는 제1 가압수단(21)과 제2 멀티 셀 바디(24)에 접하여 임의의 압력을 가하는 제2 가압수단(22)을 포함한다. 제1 가압수단 및 제2 가압수단(21, 22)으로는 다수개의 MEA에 일정한 압력을 거의 균일하게 가할 수 있는 유압식 가압장치 등이 사용될 수 있다.

전술한 구성에 의하면 도 3b에 도시한 바와 같이 유압식 가압장치에 의해 다수개의 MEA는 거의 균일한 압력으로 압착될 수 있다. 압착되는 MEA에 있어서 전해질막의 두께(M)와 캐소드 전극의 두께(C) 및 애노드 전극의 두께는 얇아질 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션에 채용가능한 멀티 셀 바디를 설명하기 위한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 한 쌍의 멀티 셀 바디에 있어서 하부측에 위치하는 제1 멀티 셀 바디(23)는 다수개의 MEA에 대응하는 오목부를 구비한다. 오목부는 제1 바이폴라 플레이트(25)의 두께와 MEA의 캐소드 전극의 두께에 따라 그 높이 가 결정되는 제1 단차부(23a)와 MEA의 전해질막의 두께에 따라 그 높이가 결정되는 제2 단차부(23b)를 포함한다. 제1 단차부(23a)에 의해 형성된 제1 오목부에는 MEA의 캐소드 전극에 산화제를 공급하기 위한 제1 채널을 구비한 제1 바이폴라 플레이트(25)가 착탈가능하게 결합된다. 제1 오목부의 깊이(D)는 제1 오목부에 삽입되는 제1 바이폴라 플레이트의 두께(B)보다 조금 깊으며, 제1 바이폴라 플레이트(25)의 두께(B)와 캐소드 전극의 두께(C)(도 3a 참조)를 더한 값보다 조금 덜 깊도록 설치된다. 그리고 제2 단차부(23b)에 의해 형성된 제2 오목부는 MEA의 캐소드 전극이 형성되어 있지 않은 전해질막 부분을 수용하며 전해질막의 대략 절반 두께보다 약간 작은 깊이로 형성된다.

제2 멀티 셀 바디(24)는 다수개의 MEA에 대응하며 제1 멀티 셀 바디(23)의 오목부와 대략적으로 마주하는 또 다른 오목부를 구비한다. 제1 멀티 셀 바디(23)의 경우와 유사하게, 또 다른 오목부는 제2 바이폴라 플레이트(26)의 두께와 MEA의 애노드 전극의 두께에 따라 그 높이가 결정되는 제1 단차부(24a)와, MEA의 전해질막의 두께에 따라 그 높이가 결정되는 제2 단차부(24b)를 구비한다. 제1 단차부(24a)에 의해 형성되는 제1 오목부에는 MEA의 애노드 전극으로 연료를 공급하기 위한 제2 채널을 구비한 제2 바이폴라 플레이트(26)가 착탈가능하게 결합된다. 제1 단차부(24a)에 의해 형성되는 제1 오목부의 깊이는 제2 바이폴라 플레이트(26)의 두께보다 조금 깊으며, 제2 바이폴라 플레이트(26)의 두께와 MEA의 애노드 전극의 두께를 더한 값보다 조금 덜 깊도록 설치된다. 그리고 제2 단차부(24b)에 의해 형성된 제2 오목부는 MEA의 애노드 전극이 형성되어 있지 않은 전해질막 부분을 수용 하며 전해질막의 대략 절반 두께보다 약간 작은 깊이로 형성된다.

전술한 구성에 의하면, 제1 및 제2 멀티 셀 바디(23, 24)의 제2 단차부들(23b, 24b)이 접하여 연장되는 길이(M2)는 MEA의 전해질막의 초기 두께(M1)보다 조금 작다. 따라서 제1 멀티 셀 바디(23)와 제2 멀티 셀 바디(24)가 가압수단에 의해 밀착되었을 때, 제1 및 제2 멀티 셀 바디(23, 24) 사이에 놓인 MEA는 일정 두께만큼 압착된다. 그것은 평가하고자 하는 MEA 양면에 제1 및 제2 바이폴라 플레이트(25, 26)를 밀착시킨 상태로 MEA를 가압함으로써 스택 구조와 유사한 환경을 제공하기 위한 것이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 테스트 스테이션에 채용가능한 멀티 셀 바디를 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에서는 멀티 셀 바디에 장착되는 바이폴라 플레이트를 쉽게 설명하기 위하여 도 5a에서 바이폴라 플레이트를 생략하고 도 5b에서 바이폴라 플레이트를 도시하였다. 도 5b의 Ⅲ-Ⅲ선에 의해 얻어지는 단면은 도 4의 한 쌍의 멀티 셀 바디들 중 하부측의 제2 멀티 셀 바디에 대응된다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 멀티 셀 바디(24)는 제1 단차부(24a)에 의해 형성되며 채널을 구비한 바이폴라 플레이트(26)를 수용하기 위한 제1 오목부(26a)와 제2 단차부(24b)에 의해 형성되며 MEA의 전해질막을 수용하기 위한 제2 오목부(26b)를 구비한다. 멀티 셀 바디(24)는 스테인리스 스틸(stainless steel) 등의 재료로 구성될 수 있다.

또한 멀티 셀 바디(24)는 MEA의 애노드 전극으로 연료를 공급하기 위하여 멀 티 셀 바디(24)의 제1 오목부(26a)에 삽입되는 바이폴라 플레이트(26)의 채널 일단에 결합되는 유입부(27a)와, 바이폴라 플레이트(26)의 채널 타단에 결합되는 유출부(27b)를 구비한다.

또한 멀티 셀 바디(24)는 제1 오목부(26a)에 삽입된 바이폴라 플레이트(26)와 전기적으로 접속되며 그 일단이 외부로 노출되는 인출선(29)을 구비한다. 인출선(29)의 타단은 MEA의 애노드 전극 또는 캐소드 전극에 전기적으로 연결된다. 다시 말하면, 다수개의 MEA에 대응하는 다수개의 인출선(29)은 멀티 셀 바디(24)와 전기적으로 절연된 상태에서 멀티 셀 바디(24)의 제1 오목부(26a)에 바이폴라 플레이트(26)가 삽입될 때 바이폴라 플레이트(26)에 전기적으로 연결되고 제1 오목부(26a)로부터 바이폴라 플레이트(26)가 빼내질 때 바이폴라 플레이트(26)와 전기적으로 분리되도록 설치될 수 있다.

한편 멀티 셀 바디(24)의 제2 단차부(24b)에 의해 형성되는 제2 오목부(26b)는 도 5a에 도시한 바와 같이 다수개의 MEA의 측면이 서로 맞닿아 배열되도록 단일 오목부를 형성하거나 또는 도 5b에 도시한 바와 같이 소정 간격을 두고 배치되며 다수개의 MEA를 각각 수용하는 다수개의 오목부로 형성될 수 있다.

멀티 셀 바디(24)의 제1 오목부(26a)에 삽입되는 바이폴라 플레이트(26)는 기체상 또는 액체상 유체의 유동을 위한 채널을 구비한다. 채널은 서펜타인(serpentine) 형상 또는 직선 형상 등으로 형성될 수 있다. 전술한 멀티 셀 바디(24)는 그라파이트(graphite) 등의 재료로 구성될 수 있다.

전술한 본 발명의 멀티 MEA 테스트 스테이션을 이용한 다수개의 MEA의 성능 을 평가하는 방법은 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 MEA 평가 방법에 대한 순서도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 멀티 MEA 평가 방법은 먼저 다수개의 MEA를 준비하고 준비된 다수개의 MEA를 항온 항습 챔버 내에 놓는다(S10). 본 단계는 다수개의 MEA에 대하여 테스트 및 액티베이션 과정을 용이하게 수행하기 위하여 챔버 내의 멀티 셀 바디 상의 오목부에 다수개의 MEA를 배열하는 단계이다.

다음, 한 쌍의 제1 및 제2 멀티 셀 바디와 그 사이에 놓인 다수개의 MEA를 밀착시키기 위하여 한 쌍의 멀티 셀 바디를 가압 장치로 누른다(S20). 본 단계는 한 쌍의 멀티 셀 바디와 그 사이에 놓인 다수개의 MEA를 균일한 압력으로 밀착시키기 위하여 한 쌍의 멀티 셀 바디를 마주하는 방향으로 유압 프레스로 누르는 공정을 포함한다.

다음, 챔버 내의 환경, 예컨대, 온도 및 습도를 원하는 상태로 조정한 후 한 쌍의 멀티 셀 바디에 구비된 제1 채널 및 제2 채널을 통해 MEA 각각에 연료 및 산화제를 공급한다(S30). 본 단계는 MEA 각각을 작동시키기 위한 것으로, MEA에 공급되는 연료 농도, 연료 유량 및 산화제 유량은 MEA 성능의 평가 항목에 따라 임의로 선택될 수 있다.

다음, MEA 각각의 성능 평가를 위하여 멀티 로더로 각 MEA의 특성 파라미터를 검출한다(S40). 멀티 로더는 다수개의 MEA의 각 인출선에 접속되는 다수개의 배선이나 다수개의 탐침을 구비할 수 있다. MEA의 특성 파라미터는 전압-전류 특성, 촉매이용률 특성, 크로스오버 특성, 온도 의존 특성, 연료 농도 의존 특성, 전해질 막 두께 의존 특성, 내구성 등의 성능을 평가하기 위한 파라미터를 포함한다. 예컨대, 특성 파라미터는 전압, 전류, 임피던스, 위상각, 정전용량 등을 포함한다.

다음, MEA 각각에 대하여 액티베이션 공정을 수행한다(S50). 본 단계는 성능 평가를 마친 MEA를 스택 제작을 위한 MEA로 준비하기 위한 과정이다. 본 단계는 MEA를 원하는 조건에서 일정 시간 동안 최초로 동작시키는 공정을 포함한다. 원하는 조건은 연료의 농도나 연료 및 산화제의 공급 유량, MEA에 결합되는 부하 용량, MEA에 대한 부하 결합 시기, 챔버의 온도 및 습도 등을 포함한다. 전술한 액티베이션 공정을 위한 조건은 MEA의 특성이나 사용하고자 하는 액티베이션 방식에 따라 임의로 선택될 수 있다.

다음, 다수개의 MEA에 대하여 퍼징 공정을 수행한다(S60). 본 단계는 액티베이션 공정을 거친 다수개의 MEA 내에 잔류하는 연료, 산화제 및 반응생성물을 제거하여 MEA를 스택 제작용 MEA로서 깨끗하게 준비하기 위한 과정이다. 퍼징 공정은 불활성 가스 예컨대 질소 가스를 이용한 질소 퍼징을 포함할 수 있다. 본 과정에 의하면, 테스트 및 액티베이션 공정을 거친 양품 MEA를 준비, 운송 및 보관하는 데 용이하며, 아울러 준비된 양품 MEA를 이용하여 연료전지 스택을 제작하는 데 적합하다는 장점이 있다.

한편, 전술한 실시예에서 멀티 MEA 테스트 스테이션은 작업 효율 향상을 위하여 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션 및/또는 퍼징 공정과 다수개의 MEA에 대한 로딩 및 언로딩 공정을 교대로 수행할 수 있도록 적어도 두 개의 스테이션이 함께 작동하는 것이 바람직하다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 동시에 수십 내지 수백 개의 MEA를 테스트하고 액티베이션 할 수 있다. 따라서 테스트 및 액티베이션을 위한 공정을 간소화하고 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 또한 다수개의 MEA를 전량 성능 검사할 수 있고 아울러 액티베이션 과정 중에 발생할 수 있는 불량 MEA로 인하여 연료전지 스택 제작 후에 발생할 수 있는 스택 불량의 발생률을 감소시킬 수 있으며, 이로써 스택 불량에 따른 스택 해체로 인한 불필요한 비용 발생을 감소시킬 수 있고 테스트 및 액티베이션을 위한 공정 자동화에 기여할 수 있다.

Claims

다수개의 MEA를 수납할 수 있는 챔버;

상기 MEA의 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 제1 채널을 구비하는 제1 멀티 셀 바디 및 상기 MEA의 애노드 전극으로 연료를 공급하기 위한 제2 채널을 구비하는 제2 멀티 셀 바디;

상기 제1 멀티 셀 바디 및 상기 제2 멀티 셀 바디가 마주하는 방향으로 힘을 가하여 상기 제1 멀티 셀 바디 및 상기 제2 멀티 셀 바디와 이들 사이에 놓인 상기 MEA를 밀착시키는 가압수단;

상기 제1 채널로 상기 산화제를 공급하고 상기 제2 채널로 상기 연료를 공급하기 위한 반응물공급수단; 및

상기 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션 환경을 제어하며 상기 테스트 및 상기 액티베이션을 수행하는 멀티 로더를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 멀티 셀 바디는 상기 MEA 각각에 대응하도록 전기적으로 분리된 복수개의 오목부를 포함하고, 상기 제2 멀티 셀 바디는 상기 MEA 각각에 대응하도록 전기적으로 분리되며 상기 복수개의 오목부에 대응하는 복수개의 또 다른 오목부를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 멀티 셀 바디 및 상기 제2 멀티 셀 바디는 상기 가압 수단의 말단부에 착탈가능하게 부착되는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 1 항에 있어서,

상기 가압수단은 유압식 가압장치를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 1 항에 있어서,

상기 반응물공급수단은 상기 연료를 공급하기 위한 연료펌프 및 상기 산화제를 공급하기 위한 공기펌프를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 5 항에 있어서,

상기 반응물공급수단은 상기 연료펌프로부터 상기 MEA 각각으로 공급되는 상기 연료의 흐름을 제어하는 유체흐름 조절장치를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 1 항에 있어서,

상기 멀티 로더는 상기 MEA에 직류 신호 또는 교류 신호를 인가하기 위한 전원부, 및 상기 MEA의 전압, 전류, 임피던스, 정전용량 및 이들의 조합 중 어느 하 나를 감지하기 위한 감지부를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 1 항에 있어서,

상기 챔버는 항온 항습 챔버인 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 8 항에 있어서,

상기 챔버는 상기 MEA에 인접하게 설치되는 온도 센서를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 채널 또는 상기 제2 채널로 퍼징용 유체를 공급하는 퍼징장치를 추가적으로 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 10 항에 있어서,

상기 다수개의 MEA에 대한 테스트 및 액티베이션 공정과 상기 다수개의 MEA에 대한 로딩 및 언로딩 공정을 교대로 수행하기 위한 제1 스테이션 및 제2 스테이션을 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
제 1 항에 있어서,

상기 연료는 수소를 함유한 액체상 연료 또는 기체상 연료를 포함하는 멀티 MEA 테스트 스테이션.
항온 항습 챔버 내의 제1 멀티 셀 바디 상에 다수개의 MEA를 놓는 단계;

상기 MEA를 사이에 두고 상기 제1 멀티 셀 바디와 상기 제1 멀티 셀 바디에 대응하여 설치되는 제2 멀티 셀 바디를 누르는 단계; 및

상기 제1 멀티 셀 바디에 구비된 제1 채널을 통해 상기 MEA의 캐소드 전극으로 산화제를 공급하고 상기 제2 멀티 셀 바디에 구비된 제2 채널을 통해 상기 MEA의 애노드 전극으로 연료를 공급하는 단계; 및

멀티 로더를 이용하여 상기 다수개의 MEA에 대한 테스트를 수행하는 단계를 포함하는 멀티 MEA 평가 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 멀티 셀 바디를 누르는 단계는 유압 프레스를 이용한 가압 단계를 포함하는 멀티 MEA 평가 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 다수개의 MEA에 대한 테스트를 수행하는 단계는 상기 MEA 각각의 전류, 전압, 임피던스, 정전용량 및 이들의 조합 중 어느 하나의 파라미터를 감지하고 상기 감지된 파라미터를 이용하여 상기 MEA 각각의 성능을 평가하는 단계를 포함하는 멀티 MEA 평가 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 다수개의 MEA에 대하여 액티베이션을 수행하는 단계를 추가적으로 포함하는 멀티 MEA 평가 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 액티베이션을 수행하는 단계는 상기 다수개의 MEA를 원하는 시간 동안 작동시키는 단계를 포함하는 멀티 MEA 평가 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 제1 채널 또는 상기 제2 채널로 퍼징용 유체를 공급하는 단계를 추가적으로 포함하는 멀티 MEA 평가 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 연료는 수소를 함유한 액체상의 연료 또는 기체상의 연료를 포함하는 멀티 MEA 평가 방법.