KR100940233B1

KR100940233B1 - 연료전지 누설 검출장치

Info

Publication number: KR100940233B1
Application number: KR1020090094514A
Authority: KR
Inventors: 박구곤; 김민진; 손영준; 박석희; 임성대; 양태현; 윤영기; 이원용; 김창수
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2010-02-04
Also published as: US20110081587A1

Abstract

본 발명은 연료전지의 누설 검출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캐소드/애노드 반응기체 및 냉각유체가 공급 매니폴드를 통해 내부로 공급되어 전기화학반응을 일으킨 뒤 생성물과 냉각유체가 다시 배출 매니폴드를 통해 배출되는 연료전지의 누설 여부를 확인하는 누설 검출장치로서, 검출가스 저장소와 연결되는 검출가스 유입부; 상기 연료전지의 공급 매니폴드에 검출가스를 공급하는 공급부; 상기 연료전지의 배출 매니폴드와 연결되는 회수부; 및 상기 연료전지로 공급된 검출가스의 압력을 측정하는 측정부; 를 구비하여, 불활성 검출가스를 사용하여 연료전지의 전체 누설 여부 및 누설 부위를 검출할 수 있게 한 것이다.

연료전지, 누설, 리크, 기밀, 검출, 감지, 불활성

Description

연료전지 누설 검출장치{Apparatus for detecting leak in fuel cells}

본 발명은 연료전지의 누설 검출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캐소드/애노드 반응기체 및 냉각유체가 공급 매니폴드를 통해 내부로 공급되어 전기화학반응을 일으킨 뒤 생성물과 냉각유체가 다시 배출 매니폴드를 통해 배출되는 연료전지의 누설 여부를 확인하는 누설 검출장치로서, 검출가스 저장소와 연결되는 검출가스 유입부; 상기 검출가스의 공급압력을 조절하는 압력조절기; 상기 연료전지의 공급 매니폴드에 검출가스를 공급하는 공급부; 상기 연료전지의 배출 매니폴드와 연결되는 회수부; 및 상기 연료전지로 공급된 검출가스의 압력을 측정하는 측정부; 를 구비하여, 불활성 검출가스를 사용하여 연료전지의 전체 누설 여부 및 누설 부위를 검출할 수 있게 한 것이다.

연료전지는 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 발전기에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 또한 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

사용되는 전해질의 종류에 따라, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산형 연료전지(PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있으며 이 중 PEMFC는, 연료전지의 작동 온도로서는 낮은 온도인 상온에서부터 200℃까지 작동될 수 있으며, 매우 높은 전력밀도를 가질 수 있기 때문에, 자동차, 가정, 휴대용 기기 등의 다양한 전력원으로서 적용될 수 있다.

이러한 PEMFC를 비롯한 연료전지는 기본적으로 여러 개의 단위셀이 여러 개 적층되어 하나의 스택(Stack)을 이루며, 단위셀 사이에 냉각부를 구성하게 된다.

PEMFC의 단위셀의 구성을 더욱 상세하게 살펴보면, 가장 안쪽에 주요 구성 부품인 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 전극막은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있도록 이온전도성을 가진 전해질막과, 이 전해질막 양면에 산소와 수소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드(cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다. 또한, 상기 막전극 접합체(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생 된 물을 배출하도록 반응기체 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치한다.

따라서 연료전지의 애노드에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온과 전 자가 발생하며, 이때 생성된 수소 이온과 전자는 각각 전해질막과 도선을 통하여 캐소드극으로 이동하게 된다. 이와 동시에, 캐소드극에서는 애노드극으로부터의 수소이온과 전자를 받아 산소의 환원반응이 진행되면서 물을 생성하고, 이때 도선을 따라서는 전자의 흐름에 의해, 전해질막을 통해서는 프로톤의 흐름에 의하여 전기 에너지가 생성된다. 위와 같은 단위전지 즉, 단위셀을 통해 얻어지는 전압은 1V 이하의 낮은 값을 가지므로 실제로는 수개의 단위셀을 적층시켜 구성된 스택(Stack)을 형성하여 원하는 출력을 얻게 된다.

이러한 스택의 경우 반응 기체 즉, 연료 및 공기 및 냉각유체는 매니폴드를 통해 각각의 단위셀과 냉각부로 공급된다. 매니폴드는 상기 스택의 외부에 형성될 수도 있고, 스택 내부에 빈 통로를 형성하여 구비할 수도 있다. 이때각 반응 기체와 냉각유체가 공급되면서 스택의 외부로 유출되지 않고, 동시에 서로 섞이지 않은 채로 각 단위셀의 애노드 및 캐소드로 적절히 공급될 수 있도록 기밀을 유지하는 것은 스택의 기본성능 및 내구성을 확보하는 측면에서 매우 중요하다. 따라서 제품으로서 공급전에 누설 테스트를 진행하게 된다.

이와 관련하여 일본공개특허 제2004-515889호는 도 1과 같이 무부하 상태에서 각 매니폴드에 도관(13,14)을 통해 제1테스트 가스용 실린더(15)로부터 테스트 가스(0.1~20 중량%의 수소 함유 가스와 0.1~30 용량%의 산소 함유 가스)를 보낸 뒤 연료전지(3)의 셀 전압의 시간적 추이를 감시하여 셀전압 측정기(26)의 전압이 저하되는 경우 누설이 있는 것으로 판단하는 방법을 제안하고 있다.

그러나 상기와 같은 방법은 전압을 측정하기 위한 장비를 함께 구비하여야 하는 번거로움이 있고, 테스트 가스의 외부 누설 시 발화위험을 안고 있을 뿐만 아니라 나아가 MEA에 심각한 파손이 기 존재하는 경우는 공급한 수소와 산소가 전극촉매상에서 전기화학반응이 발생하여 셀 파손현상이 발생할 위험도 있다. 더욱이 상기 일본공개특허 제2004-515889호는 각 단위셀간의 분리막에서 기밀이 잘 유지되는지 여부를 검출할 수 있을 뿐 누설이 발생원인 지점을 정확하게 파악할 수는 없는, 즉 캐소드측인지 애노드측인지 혹은 분리막 사이에 형성될 수 있는 냉각부인지는 추가적으로 판단할 수는 없는 문제점이 있으며 단위셀간이 아닌 연료전지 스택 전체에서 외부로의 누설은 판단할 수 없어 구체적인 제품의 개선방향을 제시할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 한 것으로 연료전지의 최종 누설 여부를 불활성 검출가스를 사용하여 안전하고 정밀하게 검출할 수 있는 연료전지 누설 검출장치를 제공한다.

또한 연료전지에 대한 실제운전 과정이 없이도 누설 확인이 가능하여, 대상 연료전지 스택에 대한 물리적 변형 및 파손이 없는 방법을 제공한다.

나아가 검출가스를 연료전지 반응기체 및 냉각유체의 각 유로에 별개로 주입하고 비교할 수 있는 구성을 제공함으로써 구체적인 누설 부위를 검출하고 개선방향을 제시할 수 있는 누설 검출장치를 제공한다.

검출가스의 누설을 확인이 가능한 기포발생장치를 추가로 연결하여 빠르게 시각적으로 누설 여부를 검출할 수 있는 누설 검출장치를 제공한다.

본 발명의 누설 검출장치는 애노드/캐소드 반응기체 및 냉각유체가 공급 매니폴드를 통해 내부로 공급되어 전기화학반응을 일으킨 뒤 생성물과 냉각유체가 다시 배출 매니폴드를 통해 배출되는 연료전지의 누설 여부를 확인하는 장치로서, 검출가스 저장소와 연결되는 검출가스 유입부; 상기 연료전지의 공급 매니폴드에 검출가스를 공급하는 공급부; 상기 연료전지의 배출 매니폴드와 연결되는 회수부; 및 상기 연료전지로 공급된 검출가스의 압력을 측정하는 측정부; 를 포함하여 이루어 진다.

한편, 상기 공급부와 상기 회수부는 각각 애노드 반응기체, 캐소드 반응기체, 냉각유체의 공급/배출 매니폴드와 각각 연결되는 제1, 2, 3 공급부와 제1, 2, 3 회수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 상기 제1, 2, 3 회수부의 끝 부분은 유량계 또는 검출가스 기포 발생장치와 연통 될 수 있다.

또 다른 한편, 상기 공급부로의 검출가스의 공급압력을 조절하는 압력조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 한편, 상기 연료전지(300)와 누설 검출장치(100)에 잔류하는 검출가스를 외부로 배출하기 위한 벤트부(180);와

상기 벤트부(180)에서 검출가스의 배출압력을 제한하는 릴리프밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 검출가스는 질소 또는 공기 등 불활성 기체인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지 누설 검출장치는 불활성 기체를 사용하여 안전하게 연료 전지의 누설을 검출할 수 있다.

또한 연료전지에 대한 실제운전 과정이 없이도 누설 확인이 가능하여, 대상 연료전지 스택에 대한 물리적 변형 및 파손이 없이 누설을 검출할 수 있다.

압력 변화를 감지하여 누설 여부를 검출하므로 정밀한 검출이 가능하며 압력 조절기를 통하여 밸브 작동에 따른 압력 변화의 영향을 최소화할 수 있다.

또한 유량계 또는 검출기체 기포발생장치를 통해 시각적으로 누설 여부를 빠르게 감지할 수 있다.

연료전지 전체에서 외부로의 누설뿐만 아니라 반응기체와 냉각유체의 공급/배출 매니폴드와 각각 연결하여 각 유로간의 누설이 발생하는지를 검출할 수 있다.

나아가 검출 순서를 프로그램화하여 자동으로 신속한 검출이 이루어지도록 할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 연료전지의 누설 검출장치(100)를 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 5는 각각 본 발명의 연료전지 누설 검출장치(100)의 사시도, 평면도, 정면도 및 후면도이다. 도 6은 본 발명의 누설 검출장치(100)의 흐름도이다.

본 발명의 누설 검출장치(100)는 검출가스 저장소(400)와 연결되는 검출가스 유입부(110); 상기 연료전지의 공급 매니폴드(311, 312, 313)에 검출가스를 공급하는 공급부(130); 상기 연료전지의 배출 매니폴드(321, 322, 323)와 연결되는 회수부(150); 및 상기 연료전지(300)로 공급된 검출가스의 압력을 측정하는 측정부(170); 상기 연료전지(300)와 누설 검출장치(100)에 잔류하는 검출가스를 외부로 배출하기 위한 벤트부(180)로 구성된다.

누설 검출장치(100) 후면에 구비된 상기 유입부(110)는 전면의 유입밸브(111)의 개폐에 의해 검출가스 저장소(400)로부터 검출가스를 누설 검출장치(100)로 공급받는 구성이다. 본 발명에서는 검출가스로서 질소 또는 공기와 같은 불활성 기체를 사용하여 발화위험을 최소화하는 것이 바람직하다.

상기 공급부(130)는 압력조절기(120)를 지나 일정한 압력의 검출가스를 연료전지의 공급 매니폴드(311, 312, 313)로 공급하는 구성으로 공급밸브(141, 142, 143)에 의해 개폐된다. 본 발명에서는 공급부(130)를 단일하게 구성하지 않고 애노드 반응기체, 냉각유체 및 캐소드 반응기체 공급 매니폴드(311, 312, 313)와 각각 연결되는 제1, 2, 3 공급부(131, 132, 133)와 그 공급밸브(141, 142, 143)를 구비함으로써 후술할 각 유로별 누설탐지가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 회수부(150)는 상기 공급 매니폴드(311, 312, 313)를 통해 공급된 뒤 연료전지(300) 내부를 흘러 배출 매니폴드(321, 322, 323)를 통해 배출되는 검출가스를 회수하는 구성으로 그 타단부는 회수밸브(161, 162, 163)에 의해 개폐된다. 상기 회수부(150) 역시 상기 공급부(130)와 마찬가지로 캐소드 반응기체, 냉각 유체 및 애노드반응기체 배출 매니폴드(321, 322, 323))와 각각 연결되는 제1, 2, 3 회수부(151, 152, 153)와 그 회수밸브(161, 162, 163)를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 측정부(170)는 상기 공급밸브(141, 142, 143)와 상기 회수밸브(161, 162, 163) 사이에 임의의 위에 구비되어 일정압력으로 공급된 검출가스의 압력변화를 감지한다.

상기 벤트부(180)는 상기 연료전지(300)와 누설 검출장치(100)에 잔류하는 검출가스를 외부로 배출하기 위한 것으로 어디에 위치하여도 무방하나 벤트부(180)를 공급부(130)의 전단에 위치하도록 하여 검출가스가 공급부부터 완전히 배출될 수 있도록 하였다. 상기 벤트부(180)는 특히 검출가스의 배출압력을 제한하는 릴리프밸브를 포함하는데 배출압력이 급격히 증가함에 따라 MEA가 손상될 위험을 사전에 차단한다.

또한, 검출 중간 또는 검출 완료 후 잔류하는 검출가스를 배출하기 위한 벤트부(180)와 벤트벨브(181)가 구비된다.

벤트부(180)에는 압력조절기(120) 고장 등 예상치 못한 사고로 인해 연료전지 스택으로 과도한 압력이 가해져 셀 구성품인 MEA의 물리적 파손이 발생하지 않도록 별도의 릴리프밸브를 구비한다.

이밖에 압력조절기(120)(FPR, Forward Pressure Regulator)를 추가로 구비하여 공급부(130)로의 검출가스의 공급압력이 일정하도록 한다. 압력조절기(120)로 인하여 상기 각종 밸브의 개폐조작에 불구하고 이로 인한 압력의 유동변화를 최소화할 수 있다.

상기 누설 검출장치(100)에서 연료전지(300) 또는 검출가스 저장소(400) 등 외부와 연결되는 구성은 누설 검출장치(100)의 상면과 후면에 구비하고, 각종 게이지 및 밸브 등은 전면에 구비하여 수동작동이 용이하도록 하였다.

한편, 상기 제1, 2, 3 회수부(151, 152, 153)의 끝 부분은 도 4의 누설 검출장치(100) 후면의 유량계(미도시) 또는 기포연결부(190)를 통해 물통 등 검출가스 기포발생장치(200)와 연통 되도록 하였다. 만일 각 회수부(150)로 검출기체가 흐르는 경우 압력 변화를 감지하는 것 이외에 가시적으로 먼저 유량계가 흐름발생 여부 또는 기포발생장치(200)에서 기포의 발생 여부를 통해 확인이 신속하게 이루어지도 록 한 것이다.

이하, 본 발명의 누출 검출장치(100)를 이용한 검출방법을 도 6을 참고로 살펴본다.

검출방법은 크게 2단계로 이루어진다. 먼저, 연료전지(300) 전체에서 외부로의 누출이 있는지를 이하의 순서에 의해 검출한다.

연료전지(300)의 애노드 반응기체 공급 매니폴드(311)는 누설 검출장치의 제1공급부(131)와 배출 매니폴드(321)는 제2회수부(151)와 연결한다. 마찬가지로 냉각유체 공급/배출 매니폴드(312, 322)는 제2공급부/회수부(132, 152)와 연결하고 캐소드 반응기체 공급/배출 매니폴드(313, 323)는 제3공급부/회수부(133, 153)와 연결한다. 압력조절기(120)를 원하는 압력수준으로 설정한 뒤 전면의 유입밸브(111)를 개방하여 검출가스 저장소(400)로부터 검출가스를 공급받고 압력조절기(120)를 통해 일정 압력으로 조정한다.

제1, 2, 3 공급밸브(141, 142, 143)와 회수밸브(161, 162, 163)를 모두 개방하여 상기 공급밸브(141, 142, 143)부터 연료전지(300)를 지나 회수밸브(161, 162, 163)까지 검출가스로 채운 뒤 회수밸브(161, 162, 163)를 잠근다.

밸브를 잠그기 직전의 측정부(170)의 압력에 비해 일정 시간이 경과시 압력 강하가 있는지를 살펴 연료전지(300) 전체에서 외부로의 누설 여부를 검출한다.

상기 외부로의 누설이 없음이 확인이 되고 나면 연료전지(300) 내부에서 각 유로간에 누설이 있는지를 확인한다. 즉 적층되는 단위셀간에 기밀이 잘 유지되고 있는지 단위셀 내부에서 막전극 접합체를 통해 애노드과 캐소드간에 기밀이 잘 유지되고 있는지 검출한다. 검출을 위한 밸브의 개폐 순서는 다음과 같다.

밸브위치	제1공급	제2공급	제3공급	제1회수	제2회수	제3회수
애노드 반응기체	열림	닫힘	닫힘	닫힘	열림	열림
캐소드 반응기체	닫힘	열림	닫힘	열림	닫힘	열림
냉각유체	닫힘	닫힘	열림	열림	열림	닫힘

애노드 반응기체가 누설 없이 공급/배출이 되는지 검출하기 위해서는 상기 표와 같이 공급밸브는 애노드 반응기체 공급 매니폴드와 연결된 제1공급밸브만(141)을 개방하고 검출기체를 일정 압력으로 제1공급부(131)로 공급한다. 나머지 공급밸브(142, 143)는 잠근다. 회수부는 애노드반응기체 배출 매니폴드(321)와 연결된 제1회수밸브(161)를 잠그고 나머지 회수밸브(162, 163)를 개방하게 된다. 이 때 제2회수밸브(162)와 제3회수밸브(163)을 순차적으로 개방을 하여 애노드 반응기체가 구체적으로 누설되는 위치를 알 수 있게 된다.

즉, 애노드 반응기체가 흐르는 유로 상 연료전지(300) 내부에서 누설이 없다면 일정 범위의 압력이 유지되고 제2회수부(152) 및 제3회수부(153)로 회수되는 검출기체가 검출되지 않아야 한다. 그러나 애노드 반응기체가 냉각부로 누설된다면 검출기체는 제2회수밸브(162)의 개방시 제2회수부(152)를 통해 검출될 것이고 막전극 접합체와의 기밀이 유지되지 않는다면 제2회수밸브(163)의 개방시 제3회수부(153)에 검출이 될 것이다. 검출 여부는 측정부(170)의 압력게이지 또는 유량계로도 판단할 수 있고 시각적으로 검출기체 기포발생장치(200)를 통해서도 알 수 있다.

동일한 방법으로 검출하고자 하는 캐소드 반응기체 또는 냉각유체의 매니폴드(313, 312)와 연결된 공급부(133, 132)만을 개방하여 반응기체를 공급하되 그 회수부(153, 152)는 잠그고 다른 회수부들을 개방함으로써 누설 여부를 확인할 수 있다.

이러한 본 발명의 누설 검출장치(100)를 이용한 검출은 수동으로 밸브를 개폐하는 동작에 의해 이루어지는 예를 상술하였으나 밸브의 개폐를 자동으로 제어하여 순서에 따라 누설 여부를 검출하는 제어부를 두어 빠르게 자동검출이 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

도 1은 종래기술의 누설검출 장치의 구성.

도 2는 본 발명의 누설검출 장치의 사시도.

도 3은 도 1의 누설검출 장치의 평면도.

도 4는 도 1의 누설검출 장치의 정면도.

도 5는 도 1의 누설검출 장치의 후면도.

도 6은 본 발명의 누설검출 장치의 흐름도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100 : 누설 검출장치

110 : 유입부 111: 유입밸브

120 : 압력조절기 130 : 공급부

131, 132, 133 : 제1, 2, 3 공급부

141, 142, 143 : 제1, 2, 3 공급밸브

150 : 회수부 151, 152, 153 : 제1, 2, 3 회수부

161, 162, 163 : 제1, 2, 3 회수밸브

170 : 측정부 180 : 벤트부

181 : 벤트밸브 182 : 릴리프밸브

190 : 기포연결부

200 : 기포발생장치 300 : 연료전지

310 : 공급 매니폴드 311：애노드 반응기체 공급 매니폴드

312：냉각유체 공급 매니폴드

313：캐소드 반응기체 공급 매니폴드

320：배출 매니폴드　　 321：애노드 반응기체 배출 매니폴드

322：냉각유체 배출 매니폴드　

323：캐소드 반응기체 배출 매니폴드

400：검출가스 저장소

Claims

캐소드/애노드 반응기체 및 냉각유체가 공급 매니폴드(311, 312, 313 )를 통해 내부로 공급되어 전기화학반응을 일으킨 뒤 생성물과 냉각유체가 다시 배출 매니폴드(321, 322, 323)를 통해 배출되는 연료전지(300)의 누설 여부를 확인하는 누설 검출장치(100)로서,

검출가스 저장소(400)와 연결되는 검출가스 유입부(110);

상기 연료전지의 공급 매니폴드(311, 312, 313)에 검출가스를 공급하는 공급부(130);

상기 연료전지의 배출 매니폴드(321, 322, 323)와 연결되는 회수부(150);

상기 연료전지로 공급된 검출가스의 압력을 측정하는 측정부(170); 및

상기 공급부(130)와 상기 회수부(150)는 각각 애노드 반응기체, 냉각유체 및 캐소드 반응기체 공급/배출 매니폴드(311, 312, 313, 321, 322, 323)와 각각 연결되는 제1, 2, 3 공급부(131, 132, 133)와 제1, 2, 3 회수부(151, 152, 153);를 포함하고,

상기 제1, 2, 3 회수부(151, 152, 153)의 끝 부분은 유량계 또는 검출가스 기포 발생장치(200)와 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 누설 검출장치(100).
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제 1 항에 있어서,

상기 공급부로의 검출가스의 공급압력을 조절하는 압력조절기(120)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 누설 검출장치(100).
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 연료전지(300)와 누설 검출장치(100)에 잔류하는 검출가스를 외부로 배출하기 위한 벤트부(180);와

상기 벤트부(180)에서 검출가스의 배출압력을 제한하는 릴리프밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 누설 검출장치(100).
제 1 항에 있어서,

상기 검출가스는 질소 또는 공기 등 불활성 기체인 것을 특징으로 하는 연료전지 누설 검출장치(100).