KR101113642B1 - 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법 - Google Patents

연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극막 어셈블리(MEA)의 전기적 쇼트 여부 판별 및 수소 크로스오버 현상을 확인하는 등 연료전지 셀의 제작 전에 전극막 어셈블리에 대한 사전 검수를 실시하여, 불량의 전극막 어셈블리가 연료전지 차량에 탑재되는 것을 미연에 방지할 수 있도록 한 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 외표면에 측정단자가 일체로 형성되고, 수소 및 질소 입출구가 형성된 구조로서, 측정 대상의 전극막 어셈블리 상면에 밀착되는 상부 고정판과; 외표면에 측정단자가 일체로 형성되고, 측정 대상의 전극막 어셈블리 저면에 밀착되는 하부 고정판과; 전극막 어셈블리의 가스 기밀을 위해 상기 상부 및 하부 고정판의 테두리에 분리 가능하게 결합되는 체결 바이스와; 상기 측정단자와 연결되어, 전극막 어셈블리에 전압을 인가하며 전위차를 측정하는 전위차 측정기기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법을 제공한다.
연료전지, 전극막 어셈블리, 사전 검수, 전기적 쇼트, 수소 크로스오버

Description

연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법{Device and method for inspecting defective MEA of fuel cell}
본 발명은 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극막 어셈블리(MEA)의 전기적 쇼트 여부 판별 및 수소 크로스오버 현상을 확인하는 등 연료전지 셀의 제작 전에 전극막 어셈블리에 대한 사전 검수를 실시하여, 불량의 전극막 어셈블리가 연료전지 차량에 탑재되는 것을 미연에 방지할 수 있도록 한 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며, 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요없는 장점을 가지고 있고, 또한 배기가스로 순수한 물만을 배출하기 때문에 친환경적인 미래형 동력원으로 각광받고 있다.
통상, 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)의 가장 안 쪽에 주요 구성 부품인 전극막(MEA: Membrane-Electrode Assembly)이 위치하고 있는 바, 첨부한 도 7a에 도시된 바와 같이 상기 전극막 어셈블리는 수소 양자(Proton)를 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막(12)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(14: Cathode) 및 연료극(16: Anode)로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 공기극(Cathode) 및 연료극(Anode)이 위치한 바깥 부분에 가스 확산층(18: GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되며, 상기 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End plate)가 결합된다.
이러한 고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로서, 공급된 수소가 연료극(Anode) 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(Cathode)으로 넘어가게 되며, 이때 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
이때 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.
Anode : H2 → 2H+ + 2e-
Cathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
실제 연료전지 차량에서는 수소 크로스오버(crossover) 현상으로 인해 전류를 인가하지 않았음에도 불구하고 전압이 약 0.97~1.1V사이로 나타난다.
이때, 상기 수소 크로스오버는 연료전지 셧다운시 분압에 의한 산소가 공기극으로 침입하여 연료극으로 넘어가는 현상을 말하며, 이 수소 크로스오버 현상은 연료전지 스타트 업과 함께 연료극에서 비정상적인 물 생성을 초래하고, 공기극의 탄소담지 및 카본 부식에 따른 촉매 이탈을 초래하게 된다.
상기 연료전지 셀에서 형성되는 전압은 공기극(cathode)과 연료극(anode)사이의 전위 차이이며, 이 전압을 OCV(open circuit voltage)라고 부르고, 이 OCV는 연료전지에 어떤한 외부 전류가 인가되지 않았을 때의 전압이며, 연료극과 공기극에 사용되는 가스의 농도에 의해 영향을 받는다.
그러나, 연료전지 셀 내부에 전류가 흐르게 되면, OCV는 흐르는 전류의 양만큼 감소를 보이게 되는 바, 이 전류는 수소 크로스오버에 의한 것이고, 화학적 반응에 의해 생성되며 그 값은 정상적인 전극막 어셈블리(MEA)의 경우 약 2mA/㎠이내로 일정하다.
그러나, 비정상적 전극막 어셈블리(MEA)의 경우에는 그 내부에서 생성되는 전류값이 2mA/㎠보다 더 높은 값을 나타내는 경우가 있는데, 그 근본 원인을 분석해보면 전극막 어셈블리에 사용된 멤브레인이 손상되어 수소 크로스오버량이 증대되거나, 전기적으로 접촉이 생긴 경우가 대부분임을 알 수 있다.
특히, 전기적인 접촉에 의해 발생되는 전류의 주요 원인은 첨부한 도 7b에 화살표로 표시된 바와 같이 전극막 어셈블리(10)에 사용되는 가스확산층(18: GDL) 의 카본물질이 멤브레인으로 침투함으로 인하여 멤브레인 양쪽의 가스확산층이 서로 접촉하기 때문이다.
대개, 가스확산층은 카본 페이퍼로 이루어져 있으며 전도체 물질이다.
따라서, 5층(5-layer) 구조의 전극막 어셈블리 제작시, 가스확산층 표면 불량으로 인해 촉매층과 멤브레인에 손상을 주게 되면 양쪽의 가스확산층이 서로 접촉을 하게 되어 셀 내부에 과도한 전류가 발생하게 된다.
이러한 손상으로 인한 내부 전류의 흐름은 단순히 OCV값을 저하시키는 것 뿐 아니라 침투된 가스확산층에 의해 멤브레인이 점점 약화될 수 있고, 결국 셀의 내부 전류에 의한 전기적 쇼트 현상은 전극막 어셈블리를 손상시켜, 연료전지 차량의 시동시 OCV 형성 실패를 초래하여 차량 운전을 불가능하게 만든다.
이에, 실제 전극막 어셈블리를 차량에 탑재하기 전에 사전 검수를 통하여 전극막 어셈블리의 상태를 정상인지 비정상(불량)인지를 확인하는 절차가 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 가스확산층에 의한 전극막 어셈블리에서의 전기적인 쇼트 현상을 판별하고, 수소 크로스오버 현상을 확인하는 등 차량 탑재 전 또는 연료전지 셀의 제작 전에 전극막 어셈블리에 대한 사전 검수를 실시하여, 비정상적인 전극막 어셈블리가 연료전지 차량에 탑재되는 것을 미연에 방지할 수 있도록 한 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외표면에 측정단자가 일체로 형성되고, 수소 및 질소 입출구가 형성된 구조로서, 측정 대상의 전극막 어셈블리 상면에 밀착되는 상부 고정판과; 외표면에 측정단자가 일체로 형성되고, 측정 대상의 전극막 어셈블리 저면에 밀착되는 하부 고정판과; 전극막 어셈블리의 가스 기밀을 위해 상기 상부 및 하부 고정판의 테두리에 분리 가능하게 결합되는 체결 바이스와; 상기 측정단자와 연결되어, 전극막 어셈블리에 전압을 인가하며 전위차를 측정하는 전위차 측정기기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치를 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 상부 및 하부 고정판 사이에 적층되는 측정 대상의 전극막 어셈블리는 수소 입출구를 갖는 절연판을 사이에 두고 2개 이상 적층되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소정의 측정구조물내에 기밀을 유지하며 적층된 측정 대상의 전극막 어셈블리에 수소 및 질소가스를 주입하는 단계와; 상기 전극막 어셈블리에 일정한 속도 및 범위까지 전압을 인가하여, 전극막 어셈블리에서 전류가 발생되도록 하는 단계와; 상기 전극막 어셈블리에서 발생된 전류밀도를 측정하여, 임계치 이상이면 전극막 어셈블리에서 수소 크로스오버가 발생된 것으로 판정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 방법을 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 측정 대상의 전극막 어셈블리에서 발생되는 전류량이 지속적으로 증가하면, 전극막 어셈블리내의 양쪽 가스확산층이 서로 맞닿아 전기적인 쇼트가 발생된 것을 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 전극막 어셈블리에 고전압을 인가하는 장비를 사용하는 경우, 절연수단을 사이에 두고 적층된 여러개의 전극막 어셈블리에 대한 수소 크로스오버 및 전기적인 쇼트 사전 검수를 한꺼번에 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전극막 어셈블리의 전기적 쇼트 여부 판별 및 수소 크로스오버 현상을 연료전지 셀 제작 전 사전 점검하여, 비정상적인 전극막 어셈블리가 연료전지 차량에 탑재되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
따라서, 비정상적인 전극막 어셈블리가 사용되었을 경우 연료전지 차량에서 연료전지 스택을 탈거하여 수리하는 시간과 인적 손실을 줄일 수 있다.
또한, 전극막 어셈블리에 대한 사전 검수를 통해 연료전지 단품에 대한 품질 관리를 진행할 수 있고, 비정상적인 셀이 검출되는 경우에는 검출된 셀을 원인 분석을 위한 수단으로 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 종래에는 전극막 어셈블리를 연료전지 스택으로 조립한 후, 연료전지 차량에 탑재하기 전 전극막 어셈블리 내부에서 전기적 쇼트 현상에 의해 내부 전류가 흐르고 있거나, 멤브레인 손상으로 인한 과도한 수소 크로스오버 현상이 발생되는 것을 감지하지 못하여, 연료전지 차량에 비정상적인 전극막 어셈블리가 탑재되면 연료전지 스택의 불량이 발생하게 되고, 결국 연료전지 차량의 운전 중 셀 전압이 낮아지는 현상으로 인해 차량 운전이 중단되는 경우가 발생되는 문제점이 있었고, 이러한 문제가 발생하게 되면 차량으로부터 연료전지 스택 전체를 탈거하여 문제의 셀을 교체해야 함에 따른 인적 및 시간적 손실이 초래되었다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명은 전극막 어셈블리의 전기적 쇼트 여부 판별 및 수소 크로스오버 현상을 사전에 검수하여 비정상적인 전극막 어셈블리가 연료전지 차량에 탑재되는 것을 미연에 방지할 수 있는 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.
이를 위한 본 발명의 전극막 어셈블리 사전 검수 장치는 첨부한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같다.
본 발명에 따른 전극막 어셈블리 사전 검수 장치는 연료전지의 전극막 어셈블리에 대한 이상 여부를 판단하기 위한 것으로서, 전극막 어셈블리(10)를 고정시 키기 위한 전도성의 상부 및 하부 고정판(20,22)과, 상부 및 하부 고정판(20,22)을 움직이지 않게 잡아주는 동시에 가스 기밀 기능을 하는 체결 바이스(30)와, 전극막 어셈블리(10)에 전압을 인가하면서 전위차를 측정하는 전위차 측정기기(40) 등을 포함하여 구성된다.
상기 상부 및 하부 고정판(20,22)은 전극막 어셈블리(10) 즉, 전해질막(12:멤브레인)과, 이 전해질막(12)의 양면에 수소와 산소가 반응하도록 도포된 촉매층인 공기극(14,Cathode) 및 연료극(16,Anode)과, 공기극(14) 및 연료극(16)의 바깥쪽에 적층되는 가스 확산층(18,GDL)으로 이루어진 5층 구조의 전극막 어셈블리(5-layer MEA)를 고정시키기 위한 전도성 재질의 평판형 플레이트 구조로서, 각 외표면에는 전압 인가 및 전류 측정을 위한 측정단자(23,24)가 일체로 형성된다.
또한, 상기 상부 고정판(20)의 양측단부에는 각각 한 쌍의 가스 입출구(25,26,27,28)가 관통 형성되는 바, 한쪽에는 수소입구(25)와 질소출구(28)가 형성되고, 다른 한쪽에는 수소출구(26)와 질소입구(27)가 형성된다.
따라서, 상기 상부 및 하부 고정판(20,22) 사이에 전극막 어셈블리(10)를 내재시킨 상태에서 가스 입출구(25,26,27,28)를 통해 수소 및 질소가스를 주입 순환시키면서 전극막 어셈블리(10)에 대한 이상 여부를 테스트하게 되는데, 상부 및 하부 고정판(20,22) 사이에 배치된 전극막 어셈블리(10)의 측부가 개방된 상태이므로 가스 기밀을 위하여 밀폐시키야 한다.
이에, 본 발명에서는 상기 상부 고정판(20)의 상면 테두리와 상기 하부 고정판의 저면 테두리를 눌러주면서 상부 및 하부 고정판을 견고하게 고정시키는 동시 에 전극막 어셈블리(10)의 개방된 측부를 밀폐시키는 기능을 하는 별도의 체결 바이스(30)가 채택된다.
상기 체결 바이스(30)는 "ㄷ" 단면 구조를 갖는 사각틀 구조로서, 수평 배열되는 상부 및 하부누름단(32,34)이 각각 상부 고정판(20)의 상면 테두리와 하부 고정판(22)의 저면 테두리를 눌러주는 역할을 하고, 상부 및 하부누름단(32,34) 사이의 연결단(36)이 전극막 어셈블리(10)의 개방된 측부를 밀폐시키는 역할을 하게 된다.
바람직하게는, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 상기 상부누름단(32)을 별도로 제작하여, 연결단(36)의 상면에 볼팅 등의 방법으로 조립되도록 한다.
여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치를 기반으로 이루어지는 사전 검수 방법을 순서대로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기와 같이 상부 및 하부고정판(20,22) 사이에 측정 대상의 전극막 어셈블리(10) 즉, 5층 구조의 전극막 어셈블리를 내재시킨 후, 상기 체결 바이스(30)를 이용하여 상부 및 하부고정판(20,22)을 일정한 힘으로 체결 고정시키는 동시에 전극막 어셈블리(10)를 밀폐시킨다.
이러한 상태에서, 상기 상부 고정판(20)의 수소입구(25) 및 질소입구(27)를 통해 수소와 질소 가스를 공급하게 된다.
질소를 사용하는 목적은 전극에서의 전기화학 반응을 방지하면서 수소 크로스오버만으로 발생되는 전류와 전기적 접촉에 의해 발생되는 전류만을 취하기 위함 이다.
이때, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 상기 상부 및 하부고정판(20,22)에 일체로 형성된 전압 인가 및 전류 측정을 위한 측정단자(23,24)에는 전위차 측정기기(40)가 배선 연결되는 바, 이 전위차 측정기기(40)에서 일정한 속도 및 범위까지 전극막 어셈블리(10)에 전압을 인가하게 되며, 이때의 전압 인가로 인해 전극막 어셈블리(10)는 전류를 발생하게 된다.
이렇게 측정에 사용된 전극막 어셈블리(10)가 정상적인 경우이면, 첨부한 도 5의 1로 표시된 바와 같이 약 2mA/㎠ 내외의 일정한 전류밀도를 갖게 되지만, 문제가 있는 비정상적인 전극막 어셈블리의 경우 수소 크로스오버가 과도하게 발생하여 도 5에 2로 표시된 바와 같이 정상 셀에서 발생하는 전류인 2mA/㎠보다 훨씬 더 많은 전류량이 발생하게 된다.
이에, 측정 결과 약 2mA/㎠ 보다 높은 전류밀도를 갖는 경우라면 측정 대상의 전극막 어셈블리에서 수소 크로스오버가 과도하게 발생한 것으로 간주하게 된다.
또한, 측정 대상의 전극막 어셈블리(10)에서, 가스확산층의 카본물질에 의한 전기적 접촉이 발생한 경우에는 첨부한 도 6에서 보는 바와 같이 내부 발생 전류량이 전압이 증가함에 따라 리니어(linear)하게 계속 증가하게 된다.
따라서, 도 6에서 보는 바와 같이 전극막 어셈블리(10)에서의 발생 전류가 증가함은 전기적으로 전도체에 해당하는 양쪽의 가스확산층이 서로 맞닿아 전기적인 쇼트가 발생되었다고 할 수 있으며, 양쪽의 가스확산층이 맞닿을 수 있는 경우 는 가스확산층의 카본물질이 멤브레인에 침투하였을 때이다.
이에, 측정 대상의 전극막 어셈블리(10)에서의 발생 전류가 선형적으로 계속 증가하면, 가스확산층의 카본물질이 멤브레인에 침투하여 양쪽의 가스확산층이 서로 맞닿아 있는 것으로 판정할 수 있고, 결국 연료전지 스택으로 조립하여 차량에 탑재하기 전에 판정된 전극막 어셈블리에 대하여 불량임을 확인할 수 있다.
한편, 측정대상의 전극막 어셈블리(10)에 대한 전압 인가 장비의 사양을 약 100V까지 높인다면 최대 130개까지의 여러 전극막 어셈블리를 동시에 측정하여 불량 전극막 어셈블리를 사전에 확인 할 수 있다.
즉, 첨부한 4에 도시된 바와 같이 상부 및 하부고정판(20,22) 사이에 측정 대상의 여러 전극막 어셈블리(10)를 수소 및 질소 출입구(미도시됨)를 갖는 절연판(50)을 사이에 두고 적층시키고, 체결 바이스(30)를 이용하여 상부 및 하부고정판(20,22)을 체결 고정시킨 후, 상부 고정판(20)의 수소입구(25) 및 질소입구(27)를 통해 수소와 질소 가스를 공급하는 상태에서, 전압 인가 사양을 100V까지 증가시킨다면 최대 130개의 전극 어셈블리(10)에 대한 전류를 측정하면서 동시에 사전 검수를 실시할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치 및 방법에 의하면, 전극막 어셈블리에 대한 전기적인 쇼트 현상 및 수소 크로스오버 현상을 사전에 검수하여 연료전지 스택의 불량률을 낮출 수 있을 뿐만아니라, 비정상적인 연료전지 스택의 교체에 따른 시간과 인건비를 획기적으로 줄일 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 전극막 어셈블리 사전 검수 장치를 나타내는 단면도 및 평면도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 전극막 어셈블리 사전 검수를 실시하는 과정을 설명하는 단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 전극막 어셈블리 사전 검수 결과를 설명하는 그래프,
도 7a 및 도 7b는 전극막 어셈블리의 구성과, 그 문제점을 설명하는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전극막 어셈블리 12 : 전해질막
14 : 공기극 16 : 연료극
18 : 가스확산층 20 : 상부 고정판
22 : 하부 고정판 23,24 : 측정단자
25 : 수소입수 26 : 수소출구
27 : 질소입구 28 : 질소출구
30 : 체결 바이스 32 : 상부누름단
34 : 하부누름단 36 : 연결단
40 : 전위차 측정기기 50 : 절연판

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 외표면에 측정단자가 일체로 형성되고, 수소 및 질소 입출구가 형성된 구조로서, 측정 대상의 전극막 어셈블리 상면에 밀착되는 상부 고정판과;
    외표면에 측정단자가 일체로 형성되고, 측정 대상의 전극막 어셈블리 저면에 밀착되는 하부 고정판과;
    전극막 어셈블리의 가스 기밀을 위해 상기 상부 및 하부 고정판의 테두리에 분리 가능하게 결합되는 체결 바이스와;
    상기 측정단자와 연결되어, 전극막 어셈블리에 전압을 인가하며 전위차를 측정하는 전위차 측정기기;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 상부 및 하부 고정판 사이에 적층되는 측정 대상의 전극막 어셈블리는 수소 입출구를 갖는 절연판을 사이에 두고 2개 이상 적층되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 장치.
  3. 측정구조물내에 기밀을 유지하며 적층된 측정 대상의 전극막 어셈블리에 수소 및 질소가스를 주입하는 단계와;
    상기 전극막 어셈블리에 일정한 속도 및 범위까지 전압을 인가하여, 전극막 어셈블리에서 전류가 발생되도록 하는 단계와;
    상기 전극막 어셈블리에서 발생된 전류밀도를 측정하여, 임계치 이상이면 전극막 어셈블리에서 수소 크로스오버가 발생된 것으로 판정하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 측정 대상의 전극막 어셈블리에서 발생되는 전류량이 지속적으로 증가하면, 전극막 어셈블리내의 양쪽 가스확산층이 서로 맞닿아 전기적인 쇼트가 발생된 것을 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    전극막 어셈블리에 고전압을 인가하는 장비를 사용하는 경우, 절연수단을 사이에 두고 적층된 여러개의 전극막 어셈블리에 대한 수소 크로스오버 및 전기적인 쇼트 사전 검수를 한꺼번에 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 어셈블리 사전 검수 방법.
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