KR100975601B1 - 연료 전지 스택의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 단계를 포함하는 연료 전지 스택의 제조 방법에 관한 것이다: a) 연료 전지 스택(1)을 쌓는 단계 및 b) 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)을 가열 및 압축하면서 상기 연료 전지 스택을 접합하는 단계. 본 발명에 따라 하나 이상의 조절된 힘이 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)을 압축하는 동안 상기 연료 전지 스택에 가해진다.
연료 전지 스택, 가열, 압축, 힘

Description

연료 전지 스택의 제조 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING A FUEL CELL STACK}
본 발명은 하기 단계를 포함하는 연료 전지 스택의 제조 방법에 관한 것이다: a) 연료 전지 스택을 쌓는 단계 및 b) 상기 쌓인 연료 전지 스택을 가열 및 압축하면서 상기 연료 전지 스택을 접합하는 단계.
본 발명은 또한 쌓인 연료 전지 스택의 가열 장치 및 쌓인 연료 전지 스택의 압축 장치를 포함하는 연료 전지 스택의 제조 장치, 특히 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.
예컨대 공지된 SOFC(SOFC="Solid Oxide Fuel Cell")-연료 전지 스택은 일반적으로 다수의 연료 전지 소자 및 그 사이에 배치된 시일, 한 쌍의 단부 플레이트 및 집전기 플레이트를 포함한다. 이러한 연료 전지 스택은 공지된 제조 방법에 의해 예컨대 하기와 같이 제조된다: 먼저, 연료 전지 스택이 차가운 상태로 쌓인다. 이때, 연료 전지의 애노드 측은 환원되지 않은 상태이다(예컨대 Ni가 아니라 NiO). 압축성 시일은 여전히 압축되지 않은 상태이고, 예컨대 유리 페이스트 또는 땜납 유리와 같은 유리 시일은 여전히 용융되지 않은 상태이다. 즉, 그린(green) 상태이다. 공지된 제조 방법에서, 쌓인 연료 전지 스택은 후속해서 퍼니스(furnace) 내에서, 유리 페이스트 또는 땜납 유리가 용융될 때까지, 가열된다. 이 경우, 연료 전지 스택은 기계적 부하 하에 압축됨으로써, 시일이 용융되어 밀봉된다. 동시에 또는 후속해서 환원 가스, 예컨대 수소가 연료 전지 스택의 애노드실 내로 유입됨으로써, 애노드가 환원된다. 예컨대 NiO로 부터 Ni로 된다. 경우에 따라, 환원 과정 동안 기계적 부하가 계속 가해진다. 즉, 수축시 연료 전지의 두께 감소를 보상하기 위해, 연료 전지 스택의 추가 압축이 이루어진다.
쌓인 연료 전지 스택의 압축 가능성은 예컨대 US 4,615,107호에 공지되어 있다.
연료 전지 스택의 제조를 위한 공지된 방법 및 장치에서의 문제점은 연료 전지 스택의 접합이 제어되지 않은 채로 그리고 프로세스에 개입할 수 있는 가능성 없이 이루어지기 때문에 높은 불량률이 나타난다는 것이다. 또한, 예컨대 연료 전지 스택의 기밀성 검사가 접합 과정의 종료 후에야 수행될 수 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지 스택의 제조 시에 나타나는 높은 불량률이 감소되고, 그로 인해 비용이 감소되도록, 상기 방식의 방법 및 장치를 개선하는 것이다.
상기 목적은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시예 및 개선예는 종속 청구항에 제시된다.
본 발명에 따른 방법은 전술한 방식의 방법에 있어서, 쌓인 연료 전지 스택의 압축이 하나 이상의 조절된 힘을 쌓인 연료 전지 스택에 가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다. 압축을 일으키는 힘의 조절은 접합 과정 중에 이미 순간적으로 얻어지는 접합 결과에 의존해서 (자동적으로)제조 과정에 개입할 수 있다는 장점을 제공한다. 예컨대, 연료 전지 스택의 압축을 일으키는 힘은, 실제 접합 결과에 의해 연료 전지 스택의 내밀성이 높은 확률로 주어지거나 또는 측정 기술로 입증될 때까지, 증가될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서는 하나 이상의 힘 센서에 의해 검출되는 쌓인 연료 전지 스택의 긴장이 하나 이상의 힘을 조절하는데 고려된다. 힘 센서(들)는 예컨대 쌓인 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택이 조절된 힘에 의해 가압되는 지지면 사이에 제공될 수 있다.
이에 대해 추가로 또는 대안으로서, 하나 이상의 거리 센서에 의해 검출되는 쌓인 연료 전지 스택의 치수 변동이 하나 이상의 힘을 조절하는데 고려된다. 연료 전지 스택의 치수 변동은 많은 경우에 얻어지는 접합 결과를 추론할 수 있게 한다. 하나 이상의 거리 센서 사용에 대한 대안으로서, 이와 관련해서 연료 전지 스택의 치수를 검출하기에 적합한 다른 센서, 예컨대 광학 센서가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서는, 하나 이상의 조절된 힘이 압력 및/또는 인장 장치에 의해 발생되고, 바람직하게는 하나 이상의 인장 로드를 통해 연료 전지 스택으로 전달된다. 상기 압력 및/또는 인장 장치는 조절된 힘을 당업자에게 잘 알려진 여러 가지 방식으로, 예컨대 유압식으로, 공기압식으로 또는 전기적으로 발생시킨다. 하나 이상의 조절된 힘이 인장에 의해 발생되면, 하나 이상의 인장 로드의 사용이 바람직하다. 이는 특히 하나 이상의 인장 로드가 제조 공정의 종료 후에도 연료 전지 스택의 긴장을 유지하도록 설계되는 경우에 적용된다.
이와 관련해서, 하나 이상의 인장 로드가 연료 전지 스택 내에 제공된 리세스를 통해 연장하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 리세스가 연료 전지 스택의 중앙에 배치되면, 많은 경우, 접합 공정 시에 연료 전지 스택의 압축을 위해 그리고 제조 공정 후에 연료 전지 스택의 긴장을 유지하기 위해 단 하나의 인장 로드만을 사용하는 것으로 충분하다.
본 발명에 따른 방법이 단계 b) 중에 및/또는 후에 수행되는 하기 단계: c) 이미 적어도 부분적으로 접합된 연료 전지 스택의 기밀성 검사 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 관련해서, 기밀성의 검사가 접합 중에, 즉 경우에 따라 필요한 기밀성이 아직 보장되지 않으면 연료 전지 스택이 여전히 더 압축될 수 있는 시점에, 이루어지는 것이 특히 바람직하다.
이와 관련해서, 단계 c)는, 연료 전지 스택에 가스, 바람직하게는 불활성 검사 가스를 유입하고, 이 가스의 압력 강하를 통해 연료 전지 스택의 누설을 검출하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
이와 관련해서, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서는 연료 전지 스택의 누설이 검출된 경우 연료 전지 스택이 더 가열되고 및/또는 연료 전지 스택이 더 압축된다. 이 경우에도 추가 압축이 바람직하게는 조절되고, 압력 손실이 추가로 또는 대안으로 조절에 고려될 수 있다.
본 발명에 따른 방법이 단계 b) 중에 및/또는 후에 그리고 바람직하게는 단계 c) 중에 및/또는 후에 수행되는 하기 단계: d) 수소 및 질소와 같은 환원 가스, 특히 환원 가스 혼합물을 연료 전지 스택의 연료 전지 내로 도입함으로써, 연료 전지 스택의 연료 전지를 화학적으로 포밍하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 예컨대 환원 가스의 배출을 검출함으로써, 상기 포밍 과정 중에도 연료 전지 스택의 내밀성이 모니터링되어, 제조 과정의 이 시점에서도 여전히 적합한 대응 조치가 취해질 수 있는 것이 바람직하다. 상기 대응 조치는 예컨대 연료 전지 스택의 추가의 조절된 압축일 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택의 긴장이 계속 모니터링되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 단계 d)에 의해 야기되는 연료 전지 스택의 용적 변동이 연료 전지 스택의 상응하는 압축에 의해 적어도 부분적으로 보상되는 것이 바람직하다. 이와 관련해서, 상기 압축은 바람직하게는 본 발명의 의미로 조절되어 이루어진다.
본 발명에 따른 방법이 단계 d) 후에 수행되는 하기 단계: e) 연료 전지 스택의 전기적 기능성의 검사 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 제조되는 연료 전지 스택의 질이 비교적 간단한 방식으로 결정될 수 있다.
단계 e)의 수행은, 연소 가스를 연료 전지 스택의 애노드 측에 제공하고 캐소드 가스를 연료 전지 스택의 캐소드 측에 제공하여, 연료 전지 스택에서 발생한 전압 및/또는 연료 전지 스택에서 인출 가능한 전류를 측정함으로써 이루어진다. 연료 전지 스택의 전기적 기능성 검사는, 연료 전지 스택이 포밍 후에 밀봉 상태인 경우에만 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 전술한, 바람직한 방법은 하기 추가 단계: f) 하나 이상의 인장 로드가 압력 및/또는 인장 장치로부터 분리될 때에도 연료 전지 스택의 긴장을 적어도 근사적으로 유지시키는 하나 이상의 록킹 소자와 하나 이상의 인장 로드를 연결하는 단계를 포함한다. 예컨대, 인장 로드가 적어도 부분적으로 나사선 로드로 형성되면, 록킹 소자는 간단한 방식으로 너트로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서 적어도 단계 b) 및 d), 바람직하게는 적어도 단계 b), c), d) 및 e)가 하나의 기밀한 프로세스 챔버 내에서, 바람직하게는 프로세스 챔버가 중간에 개방되는 일 없이, 수행되면, 공지된 제조 방법에 비해 특히 바람직하다. 상기 프로세스 챔버는 고정 프로세스 챔버이거나 또는 제조 공정 중에 다수의 처리 스테이션 사이로 이리 저리 이동되는 하나의 프로세스 챔버이다.
본 발명에 따른 장치는 전술한 방식의 장치에 있어서, 쌓인 연료 전지 스택을 압축하는 압축 장치가 압력 및/또는 인장 장치를 포함하고, 상기 압력 및/또는 인장 장치는 하나 이상의 조절된 힘을 쌓인 연료 전지 스택에 가하기에 적합한 것을 특징으로 한다. 이러한 해결책은 본 발명에 따른 방법과 마찬가지로 연료 전지 스택의 제조 동안 그 압축이, 연료 전지 스택이 소정 특성을 가질 때까지 적절하게 조절될 수 있게 한다. 이로 인해, 특히 지금까지의 높은 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따른 장치에 의해, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어지는 장점이 동일하거나 또는 유사한 방식으로 구현되기 때문에, 여기서는 반복 설명하지 않으며, 본 발명에 따른 방법과 관련한 상응하는 설명을 참고할 수 있다.
동일한 것이 본 발명에 따른 장치의 하기 바람직한 실시예에도 적용되며, 이와 관련해서도 본 발명에 따른 방법의 실시예와 관련한 상응하는 설명을 참고할 수있다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에서는 상기 압력 및/또는 인장 장치에는 하나 이상의 힘을 조절하기 위해 조절 장치가 배속되며, 상기 조절 장치는 하나 이상의 힘을 하나 이상의 힘 센서에 의해 검출되는 쌓인 연료 전지 스택의 긴장에 의존해서 및/또는 하나 이상의 거리 센서에 의해 검출되는 쌓인 연료 전지 스택의 치수 변동에 의존해서 조절한다.
압력 및/또는 인장 장치는 하나 이상의 조절된 힘을 인장 로드를 통해 상기 쌓인 연료 전지 스택으로 전달하기에 적합한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 장치는 쌓인 연료 전지 스택의 수용을 위해 제공된 기밀한 프로세스 챔버 및 가스 공급 장치를 포함하며, 상기 가스 공급 장치는 프로세스 챔버 및/또는 이 챔버 내에 배치된 연료 전지 스택에 가스를 공급하기 위해 제공된다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 개선예에서, 본 발명에 따른 장치는 가스 배출 장치를 갖는다.
본 발명에 따른 장치가 전기적 검사 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
연속적인 조립 프로세스를 보장하기 위해, 본 발명에 따른 장치는 다수의 기밀한 가동 프로세스 챔버를 포함하고, 상기 챔버들은 개별 연료 전지 스택의 제조 단계를 수행하기 위해 여러 처리 스테이션으로 이동될 수 있다.
이와 관련해서, 다수의 기밀한 프로세스 챔버가 카루우젤(Carousel)의 형태로 배치되는 것이 바람직하다. 특별한 실시예에서는 조립 또는 프로세스 챔버가 카루우젤의 아암에 배치되는 것이 가능하다. 이 경우에는, 가스공급 및 배출관, 및 전기 라인이 바람직하게 카루우젤의 허브에 배치되고, 개별 프로세스 챔버로 별 모양으로 연장할 수 있다. 카루우젤이 특정 위치에 있으면, 프로세스 챔버가 개방되고 연료 전지 스택이 프로세스 챔버 내에 쌓이거나 또는 이미 쌓인 연료 전지 스택이 프로세스 챔버 내로 삽입된다. 그리고 나서, 프로세스 챔버는 다시 폐쇄되고 카루우젤은 이동된다. 따라서, 접합 및 검사를 위한 모든 단계가 카루우젤의 일 회전에 필요한 시간 내에 끝날 수 있다. 이 경우, 완성된 연료 전지 스택은 그것이 차가운 상태로 올려졌던 것과 동일한 위치에서 인출될 수 있다.
이상의 설명에서, 본 발명의 중요한 관점은 조절되는 접합 과정에 의해 공지된 제조 방법에서 나타났던 높은 불량률이 현저히 감소될 수 있다는 것임을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하기에 적합한 본 발명에 따른 장치의 실시예를 나타낸 개략도.
도 2는 도 1에 따른 장치의 구성 요소로서, 연료 전지 스택의 기계적 긴장 및 모니터링을 위한 장치의 개략도.
도 3은 도 1에 따른 장치의 구성 요소로서, 가스 공급 및 배출 장치의 개략 도.
도 4는 도 1에 따른 장치의 구성 요소로서, 연료 전지 스택의 전기적 모니터링 장치의 개략도.
도 1은 테이블(5) 및 상기 테이블 상에 놓인 기밀한 캡(2)으로 형성된 기밀한 프로세스 챔버(11)를 도시한다. 프로세스 챔버(11) 내에 연료 전지 스택(1)이 쌓인다. 테이블(5)과 상기 쌓인 연료 전지 스택(1) 사이에는 절연판(4)이 배치되며, 프로세스 챔버(11) 또는 이 챔버 내에 배치된 연료 전지 스택(1)을 상기 연료 전지 스택(1)의 전기적 모니터링 장치(6), 가스 공급 및 배출 장치(7) 및 상기 연료 전지 스택(1)의 기계적 긴장 및 모니터링을 위한 장치(8)와 연결하는 라인 및 그 밖의 연결 수단이 밀봉 상태로 상기 절연판을 통해 연장한다. 기밀한 캡(2)의 상부 영역에는 (다른) 가스 공급부(9) 및 (다른) 가스 배출부(10)가 도시되며, 상기 (다른) 가스 공급부(9) 및 (다른) 가스 배출부(10)는 경우에 따라 상기 가스 공급 및 배출 장치(7)에 배속될 수 있다. 프로세스 챔버(11) 내에는 또한 가열 소자(3)가 배치되며, 상기 가열 소자(3)에 의해 프로세스 챔버(11) 또는 이 챔버 내에 배치된 연료 전지 스택(1)이 가열될 수 있다.
도 1에 도시된 장치는 이하에서, 도 1에 도시된 장치의 개별 구성 요소를 상세히 도시한 도 2 내지 도 4를 참고로 상세히 설명된다.
도 2는 도 1에 따른 장치의 구성 요소로서, 연료 전지 스택의 기계적 긴장 및 모니터링을 위한 장치를 도시한다. 도 2에는 테이블(5) 또는 절연판(4) 상에 배치된 연료 전지 스택(1)이 부분적으로만 도시되어 있다. 연료 전지 스택은 하부 베이스 플레이트(1.2) 및 상부 커버 플레이트(1.1)를 포함한다. 하부 베이스 플레이트(1.2)와 상부 커버 플레이트(1.1) 사이에는 개별 연료 전지(1.3)가 배치된다. 연료 전지 스택(1)은 리세스(1.5)를 포함하며, 도시된 경우 인장 로드(1.4)가 상기 리세스를 통해 연장한다. 상기 인장 로드는 완전히 조립된 상태에서 연료 전지 스택(1)을 긴장시키거나 또는 유지시킨다. 이러한 목적을 위해, 록킹 소자(1.6)가 제공된다. 상기 록킹 소자(1.6)는 인장 로드(1.4)가 적어도 그 하부에서 나사 형성 로드로 이루어지면 예컨대 너트를 포함할 수 있다. 인장 로드(1.4)는 커플링 소자(8.2)를 통해 인장 장치(8.1)와 분리 가능하게 연결된다. 인장 장치(8.1)는 지지체 프레임(8.3)을 통해 테이블(5)과 넌포지티브하게 연결되며, 이에 의해, 조절된 힘(F)을 방향(x)으로 인장 로드(1.4) 및 나아가서는 연료 전지 스택(1)으로 가하도록 설계된다. 이로 인해, 연료 전지 스택(1)은 다소 긴장된다. 인장 장치(8.1)는 조절된 힘(F)을 예컨대 유압식으로, 공기압식으로 또는 전기적으로 발생시킬 수 있다. 조절 장치(8.6)는 발생될 인장력에 대한 조절값을 인장 장치(8.1)에 공급한다. 조절 장치(8.6)는 도시된 실시예에서 하나 이상의 힘 센서(8.4)에 의해 검출된 하나 이상의 힘에 의존해서 그리고 하나 이상의 거리 센서(8.5)에 의해 검출된 연료 전지 스택(1)의 치수 변동에 의존해서 조절값을 발생한다.
도 3은 도 1에 따른 장치의 구성 요소로서, 가스 공급 및 배출 장치를 도시한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)은 가스의 안내를 위한, 특히 애노드 가스의 안내를 위한 내부 채널(1.5)들을 포함하며, 상기 내부 채널들은 각각 적어도 일측이 외부를 향해 개방되어 있다. 연료 전지 스택(1)은 또한 캐소드 가스를 안내하기 위한 도시되지 않은, 다른 내부 채널들을 포함할 수 있다. 이에 대해 추가로 또는 대안으로서, 연료 전지의 캐소드 측이 외부를 향해 개방될 수 있다. 내부 밸브 채널들(1.5)은 애노드 가스 공급관(7.7)용 분리 가능한 관 연결부(7.1) 및 애노드 가스 배출관(7.8)용 분리 가능한 관 연결부(7.2)로 통한다. 애노드 가스 공급부에는 밸브(7.3)가 배속되는 한편, 애노드 가스 배출부에는 밸브(7.4)가 배속된다. 하나 이상의 분리 가능한 관 연결부, 예컨대 분리 가능한 관 연결부(7.1)와 관련 차단 밸브, 예컨대 차단 밸브(7.3) 사이에는 압력 측정 장치(7.5)가 제공된다. 압력 측정 장치(7.5)는 가스 제어/조절 장치(7.6)와 연결된다. 연료 전지 스택(1)이 캐소드 가스용의 도시되지 않은 내부 채널을 가지면, 이것은 분리 가능한 관 연결부를 통해 외부 캐소드 가스 공급 및 배출부와 연결될 수 있다. 애노드 가스 안내의 제어 또는 조절을 위해, 도시되지 않은 다른 밸브 및 압력 센서가 제공될 수 있다. 이를 위해, 가스 제어/조절 장치(7.6)는 기존 밸브들, 특히 도시된 밸브들(7.3, 7.4)을 개폐하도록 설계된다.
도 4는 도 1에 따른 장치의 구성 요소로서, 연료 전지 스택의 전기적 모니터링 장치를 도시한다. 도 4는 절연판(4) 상에 배치된 연료 전지 스택(1)의 에지 영역을 도시한다. 커버 플레이트(1.1)는 전기 접촉 소자(6.2)를 통해 접속 단자(D)와 접속된다. 유사한 방식으로, 베이스 플레이트(1.2)는 접촉 소자(6.4)를 통해 접속 단자(A)와 접속된다. 또한, 도시된 경우 2개의 개별 전지(1.3)는 접촉 소자(6.3)를 통해 접속 단자(B, C)와 접속된다. 접촉 소자들(6.2, 6.3, 6.4)은 경우에 따라 하나 이상의 홀더(6.1)에 의해 기계적으로 지지될 수 있다. 가장 간단한 경우, 단 하나의 개별 전지가 하나의 접촉 소자와 접속되는 것으로 충분하지만, 2개 이상의 개별 전지(1.3)가 전기적으로 탭(tap)되는 것이 바람직하다. 접속 단자(A 내지 D)에서 연료 전지 스택(1)의 기능성을 검사하기 위해 전압 및/또는 전류가 탭될 수 있다. 접촉 소자들(6.2, 6.3, 6.4)은 바람직하게는 내열성 합금으로 이루어진다. 또한, 바람직하게는 상기 접촉 소자들이 탄성적으로 구현됨으로써, 제조 공정 동안 연료 전지 스택(1)이 조금 움직여도 항상 전기 접촉이 유지될 수 있다.
이하에서, 도 2 내지 도 4에 도시된, 도 1에 따른 장치의 구성 요소의 기능 및 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 가능성을 설명한다.
연료 전지 스택의 접합
먼저, 연료 전지 스택은 차가운 상태로 쌓인다. 즉, 환원되지 않은 상태에 있는 개별 전지(1.3), 베이스 플레이트(1.2) 및 커버 플레이트(1)가 쌓인다. 이 경우, 땜납 유리가 페이스트로서 도포되거나 또는 박막으로서 함께 쌓인다. 그리고 나서, 쌓인 연료 전지 스택(1)은 절연판(4) 상에 놓인다. 본 발명이 이러한 실시예에 국한되지는 않지만, 도시된 경우 단 하나의 인장 로드(1.4)가 인장 장치(8.1)의 관련 커플링 소자(8.2)와 연결된다(도 2). 그 다음에, 분리 가능한, 기밀한 연결부(7.1, 7.2)가 형성되고, 밸브들(7.3, 7.4)은 처음에는 폐쇄되어 있다(도 3). 또한, 전기 접촉 소자들(6.2, 6.3, 6.4)이 배치된다(도 4). 그 다음에, 캡(2)이 폐쇄된다(도 1). 가스 공급부(9)를 통해 프로세스 챔버(11)가 불활성 가스로 채워질 수 있고, 가스 배출부(10)를 통해 가스 교환이 실시될 수 있다. 경우에 따라 예열된 가열 소자(3)의 스위치가 켜지면, 프로세스 챔버(11) 및 이것 내에 배치된 연료 전지 스택(1)이 가열된다. 이로 인해, 땜납 유리가 용융되기 시작한다. 이제, 인장 장치(8.1)가 활성화되고, 이로 인해 인장 장치가 연료 전지 스택(1)를 압축하여 긴장시키기 시작한다. 이러한 방식에서, 땜납 유리의 수축에 기인한 연료 전지 스택(1)의 길이 감소가 적어도 대부분 보상된다. 힘 센서(8.4) 및 거리 센서(8.5)에 의해 연료 전지 스택의 긴장의 힘-거리 곡선이 검출된다. 다수의 인장 로드들이 제공되는 실시예에서, 이것은 바람직하게는 각각의 인장 로드에 대해 실시된다. 힘-거리 곡선은 하나 이상의 미리 규정된 설정 곡선과 비교된다. 편차가 생기면, 이는 연료 전지 스택(1)의 불균일한 긴장을 의미한다. 이 경우에는 적합한 대응 조치가 취해질 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 인장 장치에 의해 발생된 힘이 증가되거나 감소될 수 있다. 도시되지 않았지만, 다수의 인장 로드 및 경우에 따라 다수의 인장 장치가 제공되는 것도 바람직한데, 그 이유는 이 경우에는 연료 전지 스택(1)의 불균일한 긴장이 특히 효과적으로 저지될 수 있기 때문이다.
연료 전지 스택의 내밀성 검사
연료 전지 스택(1)의 기밀성이 주어질 정도로 유리 시일이 용융되는 상태에 이르면, 밸브들(7.3, 7.4)의 개방에 의해 불활성 검사 가스가 연료 전지 스택(1)에 유입된다(도 3). 특정 압력에 도달할 때까지 가스가 공급된다. 그 다음에, 밸브들(7.3, 7.4)이 폐쇄된다. 경우에 따라, 연료 전지 스택에서 온도 충격을 방지하기 위해, 검사 가스가 예열될 수 있다. 연료 전지 스택(1) 내의 압력은 압력 센서(7.5)에 의해 검출되어 가스 제어/조절 장치(7.6)에서 평가된다. 미리 주어진 시간에 걸쳐 검출된 압력 강하가 한계치를 초과하면, 연료 전지 스택이 누설되는 것으로 추론된다. 압력 강하의 검출에 추가해서 또는 그에 대한 대안으로서, 누설 시에 프로세스 챔버(11) 내로 흘러나오는 검사 가스가 사용될 수 있다. 가스 배출관(10)을 통해 미량의 검사 가스가 흡입되고, 도시되지 않은 가스 센서에 의해 상기 검사 가스의 양이 검출될 수 있다. 압력 강하의 정도 또는 배출되는 검사 가스의 양은 연료 전지 스택(1)의 내밀성에 대한 척도이다. 누설이 검출되면, 프로세스 중에도 대응 조치가 취해질 수 있다. 예컨대, 더 강하게 긴장시키고, 시일의 용융을 위한 시간이 더 길게 선택되고 및/또는 온도가 증가될 수 있다. 대응 조치의 개시에도 불구하고 연료 전지 스택(1)의 소정 특성이 얻어지지 않으면, 프로세스는 만일의 경우 중단될 수 있다. 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 안내하기 위해 내부 채널이 제공되는 경우, 내밀성에 대한 연료 전지 스택(1)의 검사가 유사하게 이루어질 수 있다.
연료 전지 스택의 포밍( forming )
내밀성 기준이 충족되면, 다음 단계에서 연료 전지의 화학적 포밍이 이루어진다. 즉, 환원이 이루어진다. 이러한 목적을 위해, 연료 전지 스택(1)의 기계적 긴장이 계속 모니터링되지만(도 2), 밸브(7.3, 7.4)(도 3)를 통해 수소 및 질소와 같은 환원 가스, 바람직하게는 환원 가스 혼합물의 바람직하게는 연속적인 흐름이 기밀한 연료 전지 스택(1)을 통해 안내된다. 상기 포밍 가스(forming gas)는 연료 전지 스택(1) 내에서의 온도 충격을 방지하기 위해 경우에 따라 예열될 수 있다. 특히 상기 포밍 가스가 인화 또는 폭발 위험이 있는 경우, 프로세스 챔버(11)로부터 포밍 가스의 배출은 확실하게 방지되어야 한다. 이러한 목적을 위해, 프로세스 챔버(11) 내에서 가스 공급부 및 배출부(9, 10)을 통해 저압이 유지될 수 있다. 이로 인해, 포밍 동안 경우에 따라 나타날 수 있는 연료 전지 스택(1)의 누설 시에 배출 수소 가스는 프로세스 챔버(11) 내로 유입된 공기에 의해 즉각 연소된다. 이에 대해 추가로 또는 대안으로서, 프로세스 챔버(1)로부터 나오는 포밍 가스를 제거하기 위해, 프로세스 챔버(11)내에서 가스 공급부 및 배출부(9, 10)을 통한 지속적인 가스 교환이 보장될 수 있다. 미량의 유출 포밍 가스는 경우에 따라 가스 배출부(10)의 상류에 있는 센서에 의해 측정될 수 있다. 이러한 미량의 유출 포밍 가스는 프로세스 중에 연료 전지 스택(1)의 누설에 대한 척도이다. 누설이 검출되면, 항상 적합한 대응 조치가 취해질 수 있다. 포밍 중에, 연료 전지의 마이크로 구조가 변한다. 이는 용적 변동을 수반한다. 압축 동안 하나 이상의 힘(F: 도 2)의 조절에 의해 상기 용적 변동이 적어도 대부분 보상될 수 있다.
연료 전지 스택의 전기적 기능성 검사
연료 전지 스택(1)이 포밍 후에 여전히 밀봉 상태이고 모든 연료 전지가 환원되면, 연료 전지 스택(1)은 전기적으로 작동 준비 상태에 있다. 수소 함유 연소 가스가 밸브들(7.3, 7.4)(도 3)을 통해 연료 전지 스택(1)에 유입된다. 캐소드 가스, 예컨대 공기가 가스 공급부 및 배출부(9, 10)를 통해 프로세스 챔버(11)에 유입된다. 내부 채널을 통해 캐소드 가스를 안내하는 경우, 이것은 연료 전지 스택(1)을 캐소드 가스로 채우기 위해 사용된다. 연료 전지 스택(1)의 애노드 측에 연소 가스를 공급하고 연료 전지 스택(1)의 캐소드 측에 캐소드 가스를 공급함으로써, 연료 전지 스택(1) 내에 전압이 생긴다. 상기 전압의 크기는 연료 전지 스택(1)의 품질에 대한 척도이다. 상기 전압은 접촉 소자들(6.2, 6.4)을 통해 탭 될 수 있고 접속 단자(A, D)에서 측정될 수 있다. 접촉 소자(6.3)를 통해 탭 되어 접속 단자(B, C)에서 측정될 수 있는, 특정 수의 개별 전지들(1.3) 사이의 전압 차는 접촉 소자들(6.3) 사이에 놓인 개별 전지(1.3)의 품질에 대한 척도이다. 바람직한 실시예에서, 개별 연료 전지마다 측정되는데, 그 이유는 그것이 모든 개별 전지가 미리 주어진 전압과 미리 주어진 값 이상 차이나지 않는것이 품질 기준이기 때문이다. 경우에 따라 적어도 접촉 소자(6.2, 6.4)는 순수한 탭 전압보다 높은 전류를 안내할 수 있도록 구현된다. 연료 전지 스택(1)을 검사하기 위해, 접촉 소자(6.2) 및 (6.4)를 통해 연료 전지 스택(1)으로부터 전류가 인출될 수 있다. 이 때에, 접촉 소자들(6.2, 6.4) 사이의 그리고 접촉 소자들(6.3) 사이의 전압은 감소한다. 검사 기준은 전류의 상승 시에 전압의 감소 곡선이 미리 규정된 곡선과 특정 값 이상 차이나지 않는 것일 수 있다.
연료 전지 스택의 인출
인장 로드(1.4)가 인장 장치(8.1)에 의해 기계적 응력 하에 놓이는 동안, 연료 전지 스택 측에서 커플링 소자(8.2) 앞에 록킹 소자(1.6)가 장착된다(도 2). 상기 록킹 소자는 커플링 소자(8.2)가 개방되고 인장 장치(8.1)가 연료 전지 스택(1)으로부터 분리되는 경우에도 인장 로드(1.4)에서 인장력을 계속 유지시킨다. 바람직하게는 인장 로드(1.4) 및 록킹 소자(1.6)가 연료 전지 스택(1)에 남는다. 록킹 소자(1.6)는 연료 전지 스택(1)의 가열 전에 인장 로드(1.4) 상에 느슨하게 예비 조립되고, 연료 전지 스택(1)의 성공적인 긴장 후에야 조여지거나 록킹되는 것도 바람직하다. 커플링 소자(8.2)의 적합한 실시예에서, 록킹 소자(1.6)를 조이거나 록킹하는 것은 베이스 플레이트(5)의 차가운 측면으로부터 이루어질 수 있다.
제조 공정에 통합
상술한 단계들은 조립 및 검사 챔버로서 사용되는 별도의 개별 프로세스 챔버(11)에서 수행될 수 있다.
그러나, 다수의 프로세스 챔버들이 연속적인 조립을 위한 장치에 통합되는 것이 바람직하다. 이러한 연속적인 조립을 위한 장치는 예컨대 카루우젤(Carousel)로 형성될 수 있고, 그것의 아암에는 각각 프로세스 챔버들(11)이 배치될 수 있다. 바람직하게는 가스 공급 및 배출관과 전기 공급부가 카루우젤의 허브에 배치되고 별 모양으로 프로세스 챔버(11)로 연장한다. 카루우젤이 특정 위치에 배치되면, 캡(2)이 개방되어, 쌓인 연료 전지 스택(1)이 차가운 상태로 삽입될 수 있다. 그리고 나서, 캡(2)이 폐쇄되고 카루우젤이 계속 회전한다. 접합 및 검사를 위한 모든 단계들이 바람직하게는 카루우젤의 일 회전에 필요한 시간에 끝난다. 카루우젤이 다시 출발 위치에 배치되면, 완성된 연료 전지 스택(1)이 인출되고, 다른 차가운 상태로 쌓인 연료 전지 스택(1)이 놓여질 수 있다.
본 발명은 선행 기술에 비해, 연료 전지 스택의 제조 시에 발생하는 불량률을 현저히 줄이고 연료 전지 스택의 질을 높일 수 있다.
상기 설명, 도면 및 청구범위에 개시된 본 발명의 특징들은 개별적으로 그리 고 임의의 조합으로 본 발명의 구현을 위해 중요하다.
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Claims (22)

  1. a) 연료 전지 스택(1)을 쌓는 단계, 및
    b) 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)을 가열 및 압축하면서 상기 연료 전지 스택을 접합하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 스택의 제조 방법에 있어서,
    상기 쌓인 연료 전지 스택의 압축은 하나 이상의 조절된 힘(F)을 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)에 가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 힘 센서(8.4)에 의해 검출되는 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)의 긴장이 상기 하나 이상의 힘(F)을 조절하는데 고려되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 거리 센서(8.5)에 의해 검출되는 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)의 치수 변동이 상기 하나 이상의 힘(F)을 조절하는데 고려되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 조절된 힘은, 압력 및 인장 장치(8.1) 중 하나 이상에 의해 발생되어, 하나 이상의 인장 로드(1.4)를 통해 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)으로 전달되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 인장 로드(1.4)는 상기 쌓인 연료 전지 스택(1) 내에 제공된 리세스(1.5)를 통해 연장하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계 b) 동안 및 단계 b) 후 중 하나 이상에 수행되는,
    c) 상기 이미 적어도 부분적으로 접합된 연료 전지 스택(1)의 기밀성을 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단계 c)는, 상기 연료 전지 스택(1)에 가스를 유입하여, 이 가스의 압력 강하를 통해 상기 연료 전지 스택(1)의 누설을 검출하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연료 전지 스택(1)의 누설이 검출되는 경우, 상기 연료 전지 스택(1)에는 추가적인 가열 및 추가적인 압축 중 하나 이상이 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계 b) 동안 및 단계 b) 후 중 하나 이상에 수행되는,
    d) 수소와 질소 같은 환원 가스를 상기 연료 전지 스택(1)의 상기 연료 전지(1.3) 내로 도입함으로써, 상기 연료 전지 스택(1)의 상기 연료 전지(1.3)를 화학적으로 포밍하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 단계 d)에 의해 야기되는 상기 연료 전지 스택(1)의 용적 변동이 상기 연료 전지 스택(1)의 상응하는 압축에 의해 적어도 부분적으로 보상되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 단계 d) 후에 수행되는,
    e) 상기 연료 전지 스택(1)의 전기적 기능성을 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 단계 e)의 수행은, 연소 가스를 상기 연료 전지 스택(1)의 애노드 측에 제공하고 캐소드 가스를 상기 연료 전지 스택(1)의 캐소드 측에 제공하여, 상기 연료 전지 스택(1)에서 발생한 전압과 상기 연료 전지 스택에서 인출 가능한 전류 중 하나 이상을 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  13. 제4항에 있어서,
    f) 상기 하나 이상의 인장 로드(1.4)가 상기 압력 및 인장 장치(8.1) 중 하나 이상으로부터 분리될 때도 상기 연료 전지 스택의 긴장을 적어도 근사적으로 유지하는 하나 이상의 록킹 소자(1.6)와 상기 하나 이상의 인장 로드(1.4)를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서, 적어도 상기 단계 b) 및 d)가 하나의 기밀한 프로세스 챔버(11)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  15. 쌓인 연료 전지 스택(1)을 가열하는 가열 장치(3) 및 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)을 압축하는 압축 장치(8)를 포함하는, 연료 전지 스택(1)의 제조 장치에 있어서,
    상기 쌓인 연료 전지 스택(1)의 상기 압축 장치(8)는 압력 및 인장 장치(8.1) 중 하나 이상을 포함하고, 상기 압력 및 인장 장치 중 하나 이상은, 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)에 하나 이상의 조절된 힘(F)을 가하도록 된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 압력 및 인장 장치(8.1) 중 하나 이상에는 상기 하나 이상의 힘(F)을 조절하기 위해 조절 장치(8.6)가 배속되고, 상기 조절 장치는, 하나 이상의 힘 센서(8.4)에 의해 검출되는 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)의 긴장과, 하나 이상의 거리 센서(8.5)에 의해 검출된 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)의 치수 변동 중 하나 이상에 의존해서 상기 하나 이상의 힘(F)을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 압력 및 인장 장치(8.1) 중 하나 이상은 상기 하나 이상의 조절된 힘(F)을 인장 로드(1.4)를 통해 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)으로 전달하도록 된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 장치.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 제조 장치는 상기 쌓인 연료 전지 스택(1)을 수용하기 위해 제공된 기밀한 프로세스 챔버(11) 및 가스 공급 장치(7, 9)를 포함하고, 상기 가스 공급 장치는 상기 프로세스 챔버(11)와 이 프로세스 챔버 내에 배치된 연료 전지 스택(1) 중 하나 이상에 가스를 공급하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 제조 장치는 가스 배출 장치(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 장치.
  20. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 제조 장치는 전기적 검사 장치(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 장치.
  21. 제18항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 제조 장치는 다수의 기밀한 가동 프로세스 챔버(11)를 포함하고, 이들 프로세스 챔버는 개별 연료 전지 스택의 제조 단계를 실시하기 위해 여러 처리 스테이션으로 이동되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 다수의 기밀한 프로세스 챔버(11)는 카루우젤(Carousel)의 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 장치.
KR1020067001603A 2003-07-25 2004-07-23 연료 전지 스택의 제조 방법 및 장치 KR100975601B1 (ko)

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