KR100972956B1 - 연료전지용 기체확산층 품질 검사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지에 사용되는 기체확산층의 다양한 물성값을 비파괴로 단시간 내에 검사하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 양산공정에 있어서 전수 검사로서 기체확산층의 두께, 수평방향 기체 투과도, 굴곡강성 등을 단시간에 비파괴 방식으로 검사할 수 있는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 기체확산층 품질검사 장치는 지지부; 상기 지지부에 설치되며 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하는 적어도 하나 이상의 제 1 가압기구; 상기 제 1 가압기구 하부에 설치되는 평판; 상기 제 1 가압기구의 가압을 제어하는 제 1 제어부; 상기 기체확산층 시편의 두께를 측정하는 두께 게이지; 샘플가압부의 내부에 형성된 유로; 정해진 일정 유량의 기체를 지속적으로 상기 유로에 공급하도록 제어하는 기체공급제어부; 기체 공급원; 기체확산층 시편의 입력 기압을 측정하는 압력게이지; 상기 지지부에 상호 수직 방향으로 설치되어 기체확산층 시편을 고정하는 두 개의 고정기구; 고정기구의 가압을 제어하는 제 3 제어부; 기체확산층 시편의 일단부를 가압하는 로드를 포함하며 두 개의 제 2 가압기구; 제 2 가압기구의 가압을 제어하는 제 2 제어부; 상기 제 2 가압기구가 설정된 일정각도까지 기체확산층 시편을 가압하도록 제한하는 스톱퍼; 상기 제 2 가압기구에 형성되는 돌출부; 및 상기 로드 위에 고정부착된 로드셀;을 포함한다.

Description

연료전지용 기체확산층 품질 검사 장치{Quality control apparatus for gas diffusion layer for fuel cells}

본 발명은 연료전지에 사용되는 기체확산층의 다양한 물성값을 비파괴로 단시간 내에 검사하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 양산공정에 있어서 전수 검사로서 기체확산층의 두께, 수평방향 기체 투과도, 굴곡강성 등을 단시간에 비파괴 방식으로 검사할 수 있는 장치에 관한 것이다.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다. 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다.

대표적으로, 고분자전해질 연료전지의 기본구조는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조의 막전극접합체(membrane-electrode assembly, MEA)와, 기체확산층, 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator)으로 이루어져 있다.

연료전지 스택(stack)은 전기화학반응이 일어나는 단위전지(single cell)를 수십 또는 수백개씩 적층함으로써 구성되는데 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판(end plate)을 타이로드(tie rod)나 공기압으로 압착하게 되어 있다. 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구 냉각수 순환구, 전원 출력 (electric power output)을 위한 커넥션(connection)이 설치되어 있다.

그리고 유로가 형성된 분리판은 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 통로의 역할과 각 막전극접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

이 과정에서 애노드 전극에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원 반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.

기체 확산층(gas diffusion layer)은 연료, 산소 및 반응 생성물인 물의 확산작용과 함께, 촉매층에서 생성되는 전자를 전달하는 역할을 하며, 전기 전도성이 있는 탄소 물질로 이루어지는 것이 보통이다. 일반적으로 기체확산층은 탄소섬유(carbon fiber)로 된 탄소천(carbon cloth) 또는 탄소종이(carbon paper), 탄소펠트(carbon felt)의 형태로 되어 있다. 또, 연료전지용 기체확산층은 상기 기체확산층 위에 코팅된 미세기공층(Micro-porous layer, MPL)을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 등의 물질로 구성되는 것이 일반적이다.

기체확산층의 기초 물성값인 두께, 접촉저항, 기체투과도, 굴곡강성 등은 연료전지 스택 설계 및 제작에 있어서 중요한 인자이다. 기초 물성 각각에 대한 측정을 위한 개별 장치는 존재한다. 또한 출원인의 특허인 한국 특허 제 10-0902316 호에 개시된 기체확산층의 물성평가 장치는 다양한 조건하에서 기체 확산층의 주요한 기초 물성들을 동시에 평가할 수 있는 장치로서 유용한 것이다.

그러나, 양산 공정을 염두에 둘 때 상기 물성평가 장치는 평가치의 정밀도는 높지만 전체 평가를 위해 상당한 시간이 소요된다는 문제점이 있다. 각각의 시료에 대해 단계별로 압축 수준을 변경하고 그 각각의 조건에서 시료를 투과하는 유량 및 차압 또한 단계별로 확인하는 과정을 거치게 되는데, 일반적으로 하나의 시료에 대해 1시간에서 3시간이 소요되는 경우도 있다. 기체확산층의 각 물성을 측정하는 개별 측정 장치의 경우는 더욱 많은 시간이 소요되는 것은 물론이다.

또, 상기 물성 평가장치는 얇은 판(sheet) 또는 롤(roll) 형태로 생산된 시판 기체확산층 재료의 일부를 파손, 분리하여 분석하는 파괴 검사 방식이기 때문에 샘플을 채취한 기체확산층 재료는 연료전지 제작에 사용될 수 없게 되었다. 자동화된 연료전지 스택 제작공정에서 기체확산층의 품질 제어를 위한 사전 검수 장치는'비파괴 방식' 및 '단시간 내의 검수 완료'의 두 가지 조건은 반드시 만족해야 하지만, 이를 만족하는 장치는 아직 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하고자 안출된 것으로서, 연료전지 제작의 전수 검사 단계에서 연료전지의 최종 성능에 큰 영향을 미치는 핵심 물성을 비파괴 방식으로 측정하는 장치를 제공하고자 하는 것이다. 아울러 측정시간을 종래 측정장치 보다 대폭 줄여 생산성 측면에서도 유리한 장치를 제공하고자 한다.

보다 상세하게는 본 발명은 일정 압력으로 눌러진 상태에서 기체확산층의 두께와 수평방향 투과도를 산정하기 위한 차압을 측정할 수 있는 장치를 제공하고자 한다. 아울러 기체확산층 시료의 굴곡강성(bending stiffness)을 서로 수직인 두 방향에 대해 측정할 수 있는 비파괴 방식의 기체확산층 품질검사 장치를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

지지부;

상기 지지부에 설치되며, 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하는 샘플가압부를 포함하는 적어도 하나 이상의 제 1 가압기구;

상기 제 1 가압기구 하부에 설치되어 상기 기체확산층 시편에 가해지는 압력을 지지하는 평판;

상기 제 1 가압기구와 연결되어 상기 제 1 가압기구의 가압을 제어하는 제 1 제어부;

상기 제 1 가압기구의 일면에 부착되어 상기 기체확산층 시편의 두께를 측정하는 두께 게이지;

상기 기체확산층 시편에 기체를 배출하기 위해 상기 샘플가압부의 내부에 형성된 유로;

상기 유로에 연결되며, 정해진 일정 유량의 기체를 지속적으로 상기 유로에 공급하도록 제어하는 기체공급제어부;

상기 유로와 상기 기체공급제어부를 연결하는 연결부;

상기 기체공급제어부에 연결되어 상기 유로에 기체를 공급하는 기체 공급원; 및

상기 유로의 입구 근처에 설치되어 상기 기체확산층 시편의 입력 기압을 측정하는 압력게이지;를 포함한다.

이 때, 상기 샘플가압부는 상기 제1 제어부의 제어에 따라 하강하여 상기 평판 위에 놓인 상기 기체확산층시편을 가압하고, 상기 유로의 입구는 상기 샘플가압부의 상면 또는 측면에 형성되고 상기 유로의 출구는 상기 샘플가압부의 하면에 형성되어 기체를 기체확산층에 배출하게 된다. 따라서 일정한 압력으로 가압된 상태에서 상기 두께 게이지가 기체확산층 시편의 두께를 측정하고, 상기 압력게이지가 기체확산층시편에 유입되는 기체의 압력을 측정할 수 있게 된다.

본 발명의 상기 제 1 가압기구는 상기 지지부에 설치되는 제 1 공압실린더와, 상기 제1 공압실린더의 피스톤 로드에 연결되어 상기 제 1 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하는 샘플가압부를 포함한다. 본 발명의 상기 제 1 제어부는 상기 제 1 공압실린더와 연결되어 상기 제 1 공압실린더의 공압을 제어하는 가변 압력 레귤레이터이며, 상기 두께 게이지는 상기 제 1 공압실린더의 하면에 부착되어 상기 기체확산층의 두께를 측정한다.

본 발명의 상기 연결부는 상기 유로의 입구에 그 일단이 연결되는 호스이고, 상기 기체공급제어부는 상기 호스의 타단에 설치되며, 정해진 일정 유량의 기체를 지속적으로 상기 유로에 공급하도록 제어하는 가변 유량 레귤레이터이다.

본 발명의 기체확산층 품질검사장치는 상기한 장치의 구성에 더하여 상기 지지부에 각기 가로 및 세로 방향으로 설치되며, 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편을 각기 눌러 고정하는 가로 및 세로 방향의 고정기구;

상기 고정기구와 연결되어 상기 고정기구의 가압을 제어하는 제 3 제어부;

상기 지지부에 설치되며, 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편의 일단부를 가압하는 로드를 포함하며 두 개의 제 2 가압기구;

상기 제 2 가압기구와 연결되어 상기 제 2 가압기구의 가압을 제어하는 제 2 제어부;

상기 지지부에 설치된 스톱퍼 지지부에 형성되며, 상기 제 2 가압기구가 설정된 일정각도까지 기체확산층 시편을 가압하도록 제한하는 스톱퍼;

상기 제 2 가압기구에 형성되며, 상기 스톱퍼와 함께 상기 제 2 가압기구의 하강을 제한하는 돌출부(88); 및

상기 로드 위에 고정부착되어 상기 로드에 가해지는 힘의 세기를 측정하는 로드셀;을 더 포함할 수 있다.

상기 가로 방향의 고정기구는 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편을 가로 방향으로 눌러 고정하는 고정부를 포함하며, 상기 세로 방향의 고정기구는 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편을 세로 방향으로 눌러 고정하는 고정부를 포함한다. 상기 고정부의 기체확산층 시편 고정은 상기 평판의 지지에 의해 이루어지고, 상기 제 2 가압기구 중 하나의 로드는 상기 평판 외부 위에 상기 가로 방향의 고정기구의 고정부와 평행하게 배치되고, 상기 제 2 가압기구 중 나머지 하나의 로드는 상기 평판 외부 위에 상기 세로 방향의 고정기구의 고정부와 평행하게 배치된다. 상기 제 2 가압기구의 로드는 가압에 따라 하강하여 기체확산층을 일정 각도까지 꺽도록 하여 기체확산층 시편의 세로 및 가로 방향의 굴곡강성을 측정한다.

본 발명의 상기 고정기구는 지지부에 설치되는 제 3 공압실린더와, 상기 평판의 가장 자리 상부에 가로 또는 세로 방향으로 배치되며 상기 제 3 공압실린더의 피스톤 로드와 연결되어 상기 제 3 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편을 눌러 고정하는 긴 막대 형상의 고정부를 포함한다.

본 발명의 상기 제 2 가압기구는 지지부에 설치되는 제 2 공압실린더와, 상기 제 2 공압실린더의 피스톤로드와 연결되어 상기 제 2 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편의 가장자리를 가압하는 로드를 포함한다.

본 발명의 기체확산층 품질검사장치는 상기 제 1 제어부, 상기 기체공급제어부, 상기 제 2 제어부, 상기 제 3 제어부, 상기 두께 게이지, 상기 압력게이지 및 상기 로드셀에 각기 전기적으로 연결되는 중앙제어장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 중앙제어장치는 상기 제 1 가압기구의 가압과, 상기 기체확산층 시편을 투과하는 기체의 유량 및 상기 고정기구의 고정 및 상기 제 2 가압기구의 로드에 가해지는 힘을 제어한다.

본 발명의 상기 중앙제어장치는 상기 두께 게이지로부터 측정되는 기체확산층 시편의 두께 편차에 따라 기체확산층 시편을 분류하고, 상기 압력게이지의 기압으로부터 수평방향 기체 투과도를 산정하며, 상기 로드셀로부터 전기신호를 받아 상기 기체확산층의 굴곡강성을 표시한다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 기체확산층 품질검사 장치에 의하면, 기체확산층 시편을 파괴하지 않으면서 단시간 내에 기체확산층 시편의 두께, 기체투과도 및 굴곡강성을 측정할 수 있다. 전체 측정 시간은 측정 조건에 따라 다르지만 10초 내지 30 초 이내에 측정 및 산정이 이루어 질 것으로 예상된다.

본 발명의 기체확산층 품질검사 장치는 연료전지 양산공정에서 기체확산층의 품질을 사전 검수하는 데 있어 유용한 장치로, 기체확산층의 연료전지 체결압 이하에서의 두께와 기체 투과도, 그리고 굴곡강성을 단시간 내 비파괴 방식으로 검사할 수 있게 하는 장치이다. 따라서, 본 발명의 장치를 연료전지 생산공정에 사용하면 품질 기준에 미달하는 기체확산층을 제외하고 연료전지 스택을 체결할 수 있게 되어 연료전지의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 기체확산층 품질검사 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명의 기체확산층 품질검사 장치의 일 실시예의 제 1 가압기구의 수직단면도이다.
도 3은 본 발명의 기체확산층 품질검사 장치의 일 실시예의 일부를 나타낸 부분사시도이다.
도 4는 본 발명의 기체확산층 품질검사 장치의 일 실시예에서 유로를 통해 기체확산층 시편에 기체를 배출한 경우 기체의 이동 경로를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 기체확산층 품질검사 장치의 일 실시예에서 굴곡강성을 측정하기 위해 기체확산층 시편을 15°각도로 굽힌 상태를 도시한 부분도이다.

연료전지용 기체확산층은 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC), 인산연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 고분자전해질 막 연료전지(polymer electrolyte fuel cell, PEFC) 등의 연료전지의 구성 요소로서, 산소 및 생성물인 물의 확산과 함께, 전자를 전달하는 연료전지 성능에 있어서 중요한 역할을 하는 것이다.

그러나 시판 중인 기체확산층은 그 두께의 오차범위가 대략 400 μm ± 50 μm의 범위에 있는 등 동일한 제품 내에서도 품질이 균일하지 않아 연료전지 생산 과정에서 기체확산층의 주요물성 전수검사가 필요한 것이 현실이다. 이에 대해 보다 상세히 설명하기 위해, 대략 400개의 단위셀이 적층되는 차량용 연료전지의 경우를 예를 들어 보겠다. 단위 셀당 2개의 기체확산층이 사용되므로, 체결시 기체확산층 당 오차 25μm가 일정한 방향으로 존재하는 경우 단위셀 당 50 μm의 오차가 있고 이것이 400개 적층되면 총 2 cm 의 오차가 생기게 되며 이는 연료전지의 제품성에 치명적인 문제가 된다.

따라서, 연료전지 제품 제조 공정에 기체확산층 전수검사가 필요하며 검사를 마친 기체확산층을 그대로 사용하기 위해 비파괴 방식이어야 하고, 양산 공정의 특성상 단시간 내에 많은 재료를 검사할 수 있는 장치가 필요하다.

본 발명은 연료전지 제작의 전수 검사 단계에서 비파괴 방식으로 물성을 측정하는 장치를 제공하고자 하는 것이다. 아울러 측정시간을 종래 장치 보다 대폭 줄여 생산성 측면에서도 유리한 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 기체확산층의 다양한 물성값 중 연료전지의 최종 성능에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 요소를 선정하여 이 핵심 물성값을 측정하는 장치를 제공하고자 한다. 본 발명에서는, 최종 제작된 연료전지 스택의 균일성 및 재현성에 큰 영향을 미치는 핵심 물성값으로 기체확산층의 두께, 수평방향 기체투과도(in-plane permeability), 굴곡강성(bending stiffness)을 선정하였다.

수평방향 기체투과도(in-plane permeability)는 기체가 기체확산층 시편과 평행한 방향으로 기체확산층 시편을 가로질러 통과하는 투과도로서, 기체확산층의 물성값 자체로도 중요할 뿐 아니라, 분리판 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션을 할 때 기체확산층으로의 우회유동을 예측하는 데 있어서 특히 중요한 인자이다.

본 발명의 기체확산층 품질 검사 장치는 수평방향 기체투과도를 측정할 수 있도록 기체확산층 시편에 입사하는 기체의 유량 및 압력을 측정할 수 있는 장치를 제공한다.

이하, 도면 1 내지 5를 참조하여 본 발명의 기체확산층 품질검사 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 하겠다.

본 발명의 기체확산층 품질 검사 장치는 지지부(20), 적어도 하나 이상의 제 1 가압기구, 평판(10), 제 1 제어부, 변위 센서(44), 기체공급제어부, 연결부, 기체공급원, 압력게이지(54)를 포함한다.

상기 지지부(20)는 본발명의 구성요소인 다양한 기구들을 지지하는 역할을 하며, 제 1도에 도시된 바와 같이 지지기둥(21)에 의해 지지되는 평판일 수도 있으나 기둥과 일체로 형성될 수도 있다. 도 1 에 도시된 지지부(20)는 사각 평판 형상이나 본 발명의 여러 구성요소들을 지지할 수 있는 구조이면 족하므로 다양한 설계 변경이 가능할 수 있다.

상기 제 1 가압기구는 상기 지지부(20)에 설치되며, 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(30)을 가압하는 샘플가압부(50)를 포함한다. 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명하면, 상기 제 1 가압기구는 상기 지지부(20)에 설치되는 제 1 공압실린더(40)와, 상기 제1 공압실린더의 피스톤 로드(43)에 연결되어 상기 제 1 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(30)을 가압하는 샘플가압부(50)를 포함한다.

상기 제 1 가압기구의 갯수는 사전검사 대상인 기체확산층 시편의 면적 및 전체 장치의 구성에 따라 다양할 수 있다. 대략 300 cm² 의 활성면적을 가지는 자동차용 연료전지 기체확산층을 사전 검수 대상으로 한다면, 3개 내지 5개의 가압기구를 구비하는 것이 바람직할 수 있다.

기체확산층 시편(30)을 상기 평판(10)에 놓거나 이동할 때는 상기 샘플가압부(50)는 상기 공압 실린더(40)의 작용에 의해 위로 이동하여 기체확산층 시편을 용이하게 평판 위에 놓거나 치울 수 있다. 상기 샘플 가압부(50)는 도 1 내지 도 3에서는 원기둥형상으로 구현하였으나, 사각기둥이나 바닥면이 평평한 반구형 등 다양한 형상이 가능하며 기체확산층을 하면으로 가압할 수 있는 구성이면 바람직할 것이다.

가압부의 재질은 금속이 바람직할 것이나 가압이 용이한 재질이면 어떤 재질이어도 좋다.

도 1 내지 도3 에 나타난 본 발명의 바람직한 실시예에서는 제 1 가압기구의 가압장치로서 공압실린더를 채택하였으나 모터를 이용할 수도 있다. 가압을 위한 동력원은 당업자가 선택할 수 있는 다양한 동력원이 가능할 것이다.

상기 제 1 제어부(미도시)는 상기 제 1 공압실린더와 연결되어 상기 제 1 공압실린더의 공압을 제어하는 장치이다. 제 1 가압기구가 다수인 경우 공압실린더도 다수개 일 것이고 각각의 공압실린더는 호스(46)나 파이프 등에 의해 단일 호스에 연결되는 매니폴드(manifold)형식으로 이루어질 수 있으며 상기 단일 호스는 다시 제 1 제어부에 연결될 수 있다. 이때 제 1 제어부는 가변 압력 레귤레이터(미도시)인 것이 바람직하며 상기 제 1 가압기구의 공압실린더의 공압을 동일하게 제어하여 다수 가압부가 기체확산층 시편을 동일 압력으로 가압하게 된다.

상기 두께 게이지(44)는 상기 제 1 공압실린더(40)의 하면에 부착되어 상기 기체확산층 시편의 두께를 측정한다. 상기 두께 게이지는 압력에 따른 길이(두께) 변화를 측정한다. 상기 두께 게이지(44)의 두께 측정을 상세히 설명하면, 상기 두께 게이지는 피스톤 로드(43)의 변위를 센싱하여 기체확산층 시편의 두께와 그 변화를 측정하게 된다. 상기 두께 게이지(44)는 LVDT(linear voltage-displacement transducer) 또는 기타 다른 방식의 변위센서일 수 있다.

좀 더 자세히 기체확산층의 두께를 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

1) 샘플의 재료적 성질에 따라 일정 압력에서의 두께를 나타내는 표준 규격으로 기체확산층의 경우 DIN 53855이 있다. 이에 따라 25kPa압력하에서의 두께를 초기 두께로 본다.

2)기체확산층 시편을 놓지 않은 상태에서 충분한 압력, 바람직하게는 실제시편을 압축하도록 설정된 값보다는 높은 압력을 가하면 샘플가압부가 하강하며 샘플가압부와 평판이 닿게 되며 이때 피스톤 로드의 위치가 게이지에 표시된다.

3) 이 때 게이지를 영으로 세팅한다.

4) 가변 압력레귤레이터가 공압피스톤에 가한 압력을 제거하여 샘플가압부가 상승한다.

5) 평판(10) 위에 기체확산층 시편을 놓는다.

6) 그리고 25kPa의 하중을 가하면 그 때 샘플의 두께가 게이지에 표시된다.

7) 이 후 원하는 압력을 가해 그에 따른 두께 변화를 측정할 수 있다.

이와 같이 두께 게이지(thickness gauge)를 사용함으로써 수 μm의 미세 변화를 정확하고 간편하게 측정할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 연료전지 스택의 체결압 보다 낮은 압축력으로 눌려진 상태로 기체확산층 시편의 두께를 측정하게 된다. 바람직하기로는 상기 가압기구에 의해 약 10 기압 이하의 압력이 가해진 상태에서의 기체확산층의 두께가 측정될 것이다.

상기 평판(10)은 제 1 가압기구 하부에 설치되어 상기 기체확산층 시편에 가해지는 압력을 지지하는 것이며, 도 1에서는 고정다리가 없으나 고정다리가 설치되는 구성일 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 가압기구가 기체확산층 시편을 가압한 상태로 기체확산층의 두께와 수평방향 투과도를 산정하기 위한 입력기압이 동시에 측정된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 샘플가압부(50)에는 상기 기체확산층 시편(30)에 기체를 배출하기 위해 내부에 기체가 통과하는 유로(52)가 형성된다. 상기 유로의 입구는 상기 샘플가압부(50)의 상면 또는 측면에 형성되고 상기 유로의 출구는 상기 샘플가압부의 하면에 형성되어 기체를 기체확산층으로 배출한다.

상기 유로(52)에 기체를 공급하기 위해 상기 유로 입구쪽으로 호스나 파이프 등의 연결부(56)가 결합된다. 상기 가압기구가 다수인 경우 다수의 샘플가압부(50)에 형성된 유로(52)의 입구에 연결된 다수 호스는 단일 호스(미도시)에 연결되는 매니폴드(manifold)형식으로 이루어질 수 있으며 상기 단일 호스는 다시 기체공급제어부(미도시)에 연결되는 것이 바람직하다.

상기 기체공급제어부에는 기체를 공급하는 기체공급원(미도시)이 연결되어 상기 유로에 기체를 공급한다. 상기 기체공급제어부는 정해진 일정 유량의 기체를 지속적으로 상기 유로에 공급하도록 제어하는 장치로 가변 유량 레귤레이터가 바람직하다. 상기 기체공급원에서 공급된 기체는 상기 유로를 지나 상기 출구를 나와 기체확산층에 배출되어 기체확산층 시편을 수평으로 통과한 후 기체확산층 시편의 상부로 배출된다. 도 4 에 상기 기체의 경로가 화살표 방향인 것이 도시되어 있다.

이때 기체확산층 시편으로부터 배출되는 기체의 배출압력은 대기압과 같으며 상기 유로(52)의 입구근처에 압력게이지(54)가 설치되어 기체확산층 시편으로 입사및 배출되는 압력차이를 측정한다.

기체확산층 시편의 수평방향 기체 투과도(in-plane permeability)를 산정하기 위해 차압을 구해야 하는데, 차압은 기체가 기체확산층 시편의 수평방향으로 가로질러 통과하기 전압력과 시편을 지난 후 대기압과의 압력 차이를 나타낸다.

상기 압력게이지(54)는 공급 기체의 입력 기압을 측정하며 이로부터 대기압에 대한 차압을 구하고 상기 수평방향 기체 투과도를 산정할 수 있게 된다.

본 발명의 장치에 의해 측정된 압력으로부터 Darcy's Law 를 이용하여 기체투과도(gas permeability)를 계산한다.

본 발명의 측정 대상이 되는 기체확산층이 미세기공층(Micro-porous layer, MPL)이 코팅된 것인 경우에는 미세기공층이 하부에 오도록 하여 측정한다. 즉, 기체확산층 시편의 미세기공층을 상기 평판(10)에 면하도록 배치해야 원하는 수평방향 투과도를 측정할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예는 또한 기체확산층 시편의 굴곡강성을 측정하는 굴곡강성측정부를 추가로 구비할 수 있다.

상기 굴곡강성측정부는 상기 지지부(20)에 각기 가로 및 세로 방향으로 설치되며 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(30)을 각기 눌러 고정하는 두 개의 고정기구; 상기 지지부에 설치되며, 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편의 일단부를 가압하는 로드(rod)를 포함하는 두 개의 제 2 가압기구; 및 상기 로드 위에 고정부착되어 상기 로드에 가해지는 힘의 세기를 측정하는 로드셀(load cell, 84a, 84b)을 포함한다.

상기 고정기구는 상기 지지부(20)에 설치되는 제 3 공압실린더(70a, 70b)와, 상기 제 3 공압실린더(70a, 70b)의 피스톤 로드(73a, 73b)에 연결되어 상기 제 3 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(30)을 누르는 고정부(71a, 71b)를 포함한다. 상기 가로 방향의 고정기구는 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편을 가로 방향으로 눌러 고정하는 고정부(71a)를 포함하며, 상기 세로 방향의 고정기구는 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편을 세로 방향으로 눌러 고정하는 고정부(71b)를 포함하며, 상기 고정부(71a, 71b)의 고정은 상기 평판(10)의 지지에 의해 이루어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 고정부(71a, 71b)는 공압방식에 의해 이동하게 되나, 모터에 의해 구동될 수도 있다.

상기 제 2 가압기구는 상기 지지부(20)에 설치되는 제 2 공압실린더(80a, 80b)와, 상기 제 2 공압실린더의 피스톤로드(83a, 83b)에 연결되어 상기 제 2 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(30)에 힘을 가하는 로드(85a, 85b)를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 제 2 가압기구는 공압방식을 채택하였으나 모터에 의해 구동될 수도 있다.

상기 제 2 가압기구중 하나인 가로 방향의 제 2 가압기구의 로드(85a)는 상기 평판 외부 위에 상기 가로 방향의 고정부(71a)와 평행하게 배치되고, 제 2 가압기구의 로드는 가압에 따라 하강하여 기체확산층을 일정 각도까지 꺽도록 하여 기체확산층 시편의 세로방향의 굴곡강성을 측정한다. 기체확산층 시편의 면적의 일부는 상기 평판 상이 아닌 상기 평판 외부로 일정 길이로 노출되어 놓여지게 되고 상기 고정부(71a)는 상기 평판의 가장자리 근처에서 상기 기체확산층을 눌러 상기 평판(10)의 지지에 의해 상기 기체확산층 시편을 고정하게 된다.

한편, 상기 제 2 가압기구중 나머지 하나인 세로 방향의 제 2 가압기구의 로드(85b)는 상기 평판 외부 위에 상기 세로 방향의 고정부(71b)와 평행하게 배치되고, 제 2 가압기구의 로드는 가압에 따라 하강하여 기체확산층을 일정 각도까지 꺽도록 하여 기체확산층 시편의 가로방향의 굴곡강성을 측정한다. 기체확산층 시편의 면적의 일부는 상기 평판 상이 아닌 상기 평판 외부로 일정 길이로 노출되어 놓여지게 되고 상기 고정부(71b)는 상기 평판의 가장자리 근처에서 상기 기체확산층을 눌러 상기 평판(10)의 지지에 의해 상기 기체확산층 시편을 고정하게 된다.

굴곡강성은 기체확산층 시료의 일 방향과 그와 직각인 방향으로 두 방향에(본 발명에서는 가로 방향과 세로 방향으로 나타냄) 대해 모두 측정해야 하며, 일정한 길이의 시료가 하방으로 눌렸을 때 일정각도까지 꺾일 때 받는 힘을 의미한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 각도는 7.5°또는 15°가 바람직할 것이다.

도 5는 상기 고정부(71a, 71b)가 기체확산층 시편을 고정한 상태로 상기 로드(85a, 85b)가 상기 기체확산층 시편을 15°각도로 눌렀을 때의 모습을 나타낸 도면이다. 상기 로드셀(84a, 84b)은 기체확산층 시편을 도 5에서와 같이 일정 각도로 꺾을 때 상기 시편이 받는 힘을 측정한다. 상기 로드셀(load cell)은 힘을 전기적 신호로 변환하는 변환기로, 스트레인 게이지(strain gauge)로 구성되거나 피에조 물질(piezo-electric) 로드셀, 또는 진동 와이어 로드셀(vibrating wire load cell) 등이 될 수 있을 것이다.

상기 고정부(71a, 71b)와 상기 로드(85a, 85b)는 긴 막대 형상인 것이 바람직하다. 상기 고정부(71a, 71b)와 로드(85a, 85b)는 기체확산층 시편을 손상하지 않도록 기체확산층 시편과 접촉되는 부분이 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 고정부(71a, 71b)와 로드(85a, 85b)는 긴 원통형상일 수 있다.

상기 제 3 공압실린더(70a, 70b) 및 제 2 공압실린더(80a, 80b)에는 각기 제 3 제어부(미도시)와 제 2 제어부(미도시)가 구비되어 상기 제 3 및 제 2 공압실린더의 공압을 제어한다. 이때 상기 제 3 제어부 및 상기 제 2 제어부는 압력 레귤레이터(미도시)인 것이 바람직하다.

상기 제 2 가압기구가 설정된 일정각도까지 기체확산층 시편을 가압하도록 하기 위해 스톱퍼(stopper, 89a, 89b)와 상기 제 2 공압 피스톤 로드의 돌출부(88a, 88b)가 구비된다. 상기 지지부에 스톱퍼 지지부(87a, 87b)가 설치되며, 상기 스톱퍼 지지부에는 돌출된 스톱퍼(89a, 89b)가 형성되거나 부착된다. 상기 제 2 공압 피스톤 로드의 돌출부(88a,88b)와 함께 상기 스톱퍼는 상기 제 2 가압기구가 설정된 일정각도까지 기체확산층 시편을 가압하도록 제한한다.

상기 제 2 가압기구가 설정된 일정각도까지 기체확산층 시편을 가압하도록 일정 각도로 기체확산층이 꺽이도록 위치가 제한되는 구성을 가질 수 있다.

그 밖에 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 제 1 제어부, 기체공급제어부, 제 2 제어부, 상기 제 3 제어부, 상기 두께 게이지(44), 상기 압력게이지(54) 및 상기 로드셀(84) 에 각기 전기적으로 연결되는 중앙제어장치(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 중앙제어장치는 상기 제 1 가압기구의 가압과, 상기 기체확산층 시편을 투과하는 기체의 유량 및 상기 고정기구의 고정 및 상기 제 2 가압기구의 로드에 가해지는 힘을 제어한다. 또 상기 중앙제어장치는 상기 두께 게이지로부터 측정되는 기체확산층 시편의 두께 편차에 따라 기체확산층 시편을 분류하고, 상기 압력게이지의 기압으로부터 수평방향 기체 투과도를 산정하며, 상기 로드셀로부터 전기신호를 받아 상기 기체확산층의 굴곡강성을 표시한다.

본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 상기 두께게이지의 배치에 변형이 가해진다. 상기 평판(10)으로부터 일체로 또는 연결부재에 의해 강성으로 수평방향으로 뻗어나온 연장부재가 구비되며, 상기 샘플가압부 각각으로부터 수평으로 뻗어 나와 상기 연장부재 위에 수직으로 떨어지는 게이지 지지부가 구비되며, 게이지 지지부재에는 가압상태에서 상기 기체확산층의 두께를 측정할 수 있는 두께 게이지가 고정된다. 그 밖의 다른 구성은 먼저 설명한 본 발명의 바람직한 실시예와 동일하다.

10 : 평판 20 : 지지부
30 : 기체확산층 시편 40 : 제 1 공압실린더
41 : 제 1 피스톤 43 : 제 1 피스톤 로드
44 : 두께 게이지 46 : 호스
50 : 샘플 가압부 52 : 유로
54 : 압력 게이지 56 : 호스 또는 파이프(연결부)
70, 70a, 70b : 제 3 공압실린더 71,71a, 71b : 고정부
73, 73a, 73b : 제 3 피스톤 로드 80, 80a, 80b : 제 2 공압실린더
83, 83a, 83b : 제 2 피스톤 로드 84, 84a, 84b : 로드셀(load cell)
85, 85a, 85b : 로드(rod) 87, 87a, 87b : 스톱퍼 지지대
88, 88a, 88b : 돌출부 89, 89a, 89b : 스톱퍼(stopper)

Claims (6)

1. 지지부;
   상기 지지부에 설치되며, 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하는 샘플가압부를 포함하는 적어도 하나 이상의 제 1 가압기구;
   상기 제 1 가압기구 하부에 설치되어 상기 기체확산층 시편에 가해지는 압력을 지지하는 평판;
   상기 제 1 가압기구와 연결되어 상기 제 1 가압기구의 가압을 제어하는 제 1 제어부;
   상기 제 1 가압기구의 일면에 부착되어 상기 기체확산층 시편의 두께를 측정하는 두께 게이지;
   상기 기체확산층 시편에 기체를 배출하기 위해 상기 샘플가압부의 내부에 형성된 유로;
   상기 유로에 연결되며, 정해진 일정 유량의 기체를 지속적으로 상기 유로에 공급하도록 제어하는 기체공급제어부;
   상기 유로와 상기 기체공급제어부를 연결하는 연결부;
   상기 기체공급제어부에 연결되어 상기 유로에 기체를 공급하는 기체 공급원; 및
   상기 유로의 입구 근처에 설치되어 상기 기체확산층 시편의 입력 기압을 측정하는 압력게이지;를
   포함하며,
   상기 샘플가압부는 상기 제1 제어부의 제어에 따라 하강하여 상기 평판 위에놓인 상기 기체확산층시편을 가압하고,
   상기 유로의 입구는 상기 샘플가압부의 상면 또는 측면에 형성되고 상기 유로의 출구는 상기 샘플가압부의 하면에 형성되어 기체를 기체확산층에 배출하는 것을 특징으로 하는 기체확산층의 품질 검사 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1 가압기구는 상기 지지부에 설치되는 제 1 공압실린더와, 상기 제1 공압실린더의 피스톤 로드에 연결되어 상기 제 1 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하는 샘플가압부를 포함하며, 상기 제 1 제어부는 상기 제 1 공압실린더와 연결되어 상기 제 1 공압실린더의 공압을 제어하는 가변 압력 레귤레이터이며, 상기 두께 게이지는 상기 제 1 공압실린더의 하면에 부착되어 상기 기체확산층 시편의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 기체확산층의 품질 검사 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 연결부는 상기 유로의 입구에 그 일단이 연결되는 호스이고, 상기 기체공급제어부는 상기 호스의 타단에 설치되며, 정해진 일정 유량의 기체를 지속적으로 상기 유로에 공급하도록 제어하는 가변 유량 레귤레이터인 것을 특징으로 하는 기체확산층의 품질 검사 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 지지부에 각기 가로 및 세로 방향으로 설치되며, 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편을 각기 눌러 고정하는 2 개의 고정기구;
   상기 고정기구와 연결되어 상기 고정기구의 가압을 제어하는 제 3 제어부;
   상기 지지부에 설치되며, 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편의 일단부를 가압하는 로드를 포함하는 두 개의 제 2 가압기구;
   상기 제 2 가압기구와 연결되어 상기 제 2 가압기구의 가압을 제어하는 제 2 제어부;
   상기 지지부에 설치된 스톱퍼 지지부에 형성되며, 상기 제 2 가압기구가 설정된 일정각도까지 기체확산층 시편을 가압하도록 제한하는 스톱퍼;
   상기 제 2 가압기구에 형성되며, 상기 스톱퍼와 함께 상기 제 2 가압기구의 하강을 제한하는 돌출부(88); 및
   상기 로드 위에 고정부착되어 상기 로드에 가해지는 힘의 세기를 측정하는 로드셀;을
   포함하며,
   상기 가로 방향의 고정기구는 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편을 가로 방향으로 눌러 고정하는 고정부를 포함하며, 상기 세로 방향의 고정기구는 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편을 세로 방향으로 눌러 고정하는 고정부를 포함하며, 상기 고정부의 기체확산층 시편 고정은 상기 평판의 지지에 의해 이루어지고, 상기 제 2 가압기구 중 하나의 로드는 상기 평판 외부 위에 상기 가로 방향의 고정부와 평행하게 배치되고, 상기 제 2 가압기구 중 나머지 하나의 로드는 상기 평판의 외부 위에 상기 세로 방향의 고정부와 평행하게 배치되고, 제 2 가압기구의 로드는 가압에 따라 하강하여 기체확산층을 일정 각도까지 꺽도록 하여 기체확산층 시편의 세로 및 가로 방향의 굴곡강성을 측정하는 것을 특징으로 하는 기체확산층 품질 검사 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 고정기구는 지지부에 설치되는 제 3 공압실린더와, 상기 평판의 가장 자리 상부에 가로 또는 세로 방향으로 배치되며 상기 제 3 공압실린더의 피스톤 로드와 연결되어 상기 제 3 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편을 눌러 고정하는 긴 막대 형상의 고정부를 포함하고,
   상기 제 2 가압기구는 지지부에 설치되는 제 2 공압실린더와, 상기 제 2 공압실린더의 피스톤로드와 연결되어 상기 제 2 공압실린더의 가압에 따라 하강하여 상기 기체확산층 시편의 가장자리를 가압하는 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체확산층 품질 검사 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 1 제어부, 상기 기체공급제어부, 상기 제 2 제어부, 상기 제 3 제어부, 상기 두께 게이지, 상기 압력게이지 및 상기 로드셀에 각기 전기적으로 연결되는 중앙제어장치를 더 포함하며,
   상기 중앙제어장치는 상기 제 1 가압기구의 가압과, 상기 기체확산층 시편을 투과하는 기체의 유량 및 상기 고정기구의 고정 및 상기 제 2 가압기구의 로드에 가해지는 힘을 제어하며, 상기 두께 게이지로부터 측정되는 기체확산층 시편의 두께 편차에 따라 기체확산층 시편을 분류하고, 상기 압력게이지의 기압으로부터 수평방향 기체 투과도를 산정하며, 상기 로드셀로부터 전기신호를 받아 상기 기체확산층의 굴곡강성을 표시하는 것을 특징으로 하는 기체확산층 품질 검사 장치.

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