KR101163466B1 - 연료전지 스택 체결 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택 체결 방법에 관한 것으로서, 스택 운전 중 기체확산층의 비가역적인 두께 변동, 체결압력 저하 및 미세 틈 발생, 접촉저항 증가 등의 문제없이 안정적이고 최적화된 스택 체결상태를 유지할 수 있게 되는 연료전지 스택 체결 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 단위 셀들을 적층하고 엔드플레이트를 결합한 뒤 가압장비로 체결압력을 가한 상태에서 체결압력이 유지되도록 체결기구를 세팅, 고정하는 스택 가체결 단계와; 가체결된 스택에 대해 애노드와 캐소드에 공급되는 가스 유량을 반복적으로 변화시키는 가스 유량 변화 사이클, 또는 가체결된 스택을 가압장비로 가압/해제하여 체결압력을 반복적으로 증감시키는 체결압력 변동 사이클을 진행하는 스택 전처리 단계와; 스택 전처리 단계 후 기체확산층의 두께 변화에 기인하는 체결압력 변화량을 보정하여 스택을 본체결하는 스택 본체결 단계;를 포함하는 연료전지 스택 체결 방법이 개시된다.

Description

연료전지 스택 체결 방법{Method for jointing fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택 체결 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택 운전 중 기체확산층의 비가역적인 두께 변동, 체결압력 저하 및 미세 틈 발생, 접촉저항 증가 등의 문제없이 안정적이고 최적화된 스택 체결상태를 유지할 수 있게 되는 연료전지 스택 체결 방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.

현재 차량용 연료전지로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 연구되고 있다.

고분자 전해질막 연료전지는 작동온도가 50 ~ 100℃ 정도로 비교적 저온이며, 빠른 시동시간과 전력변환 반응시간, 높은 에너지 밀도를 가지는 장점이 있다.

연료전지 스택의 구성은 다음과 같다. 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다.

또한 막전극접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)이 위치된다.

이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 배열하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.

고분자 전해질막 연료전지의 작동원리를 살펴보면, 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드와 캐소드로 각각 공급되면, 산화극인 애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H⁺)과 전자(electron, e^-)로 분해된다.

이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판, 외부도선을 통해 캐소드로 전달된다. 이때 일어나는 외부도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

환원극인 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 산소와 만나서 열과 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

이러한 각 단위 셀은 운전시 낮은 전압을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하는데, 가장 일반적인 형태를 도 1에 도시하였다.

연료전지 스택을 조립 및 체결하는 종래의 방법으로는 볼트체결방식과 밴드체결방식, 와이어체결방식이 주로 이용되고 있는데, 볼트체결방식은 셀(110)과 엔드플레이트(120,121)를 적층한 뒤 가압장비로 가압하고 이 상태에서 도 1에 나타낸 바와 같이 스택 길이 이상의 장볼트(체결봉)(130)를 양측 엔트플레이트(120,121)에 관통시킨 다음 양단에 너트(140)를 체결하여 엔드플레이트(120,121)가 움직이지 않게 조여주는 방식이다.

또한 밴드체결방식은 셀 적층 및 엔드플레이트 결합 후 양끝의 엔드플레이트를 프레스로 누른 상태에서 밴드를 걸고 벤드를 엔드플레이트에 볼트로 체결하여 고정하는 방식이다.

체결상태에서 스택 양단부에 위치되는 엔드플레이트는 분리판을 지지하면서 압축을 가해주는 부분으로, 분리판 전체 면적에 대해 일정한 면압이 유지된 상태로 볼트 및 너트, 밴드나 와이어와 같은 기구를 이용하여 엔드플레이트를 조여줌으로써 스택 체결을 완료하게 된다.

스택 체결 후 양측 엔드플레이트는 면압을 유지하기 위해 서로 끌어당기는 상태가 되며, 밴드나 와이어의 길이는 일정하게 유지된다. 이때 셀과 셀 사이의 면압은 연료전지 스택의 전체 출력에 많은 영향을 미치게 되는데, 스택 내 면압은 접촉저항의 상승으로 인한 오믹 손실(Ohmic Loss), 기체확산층 내 물질전달저항에 직접적으로 관련되므로, 체결력을 적절히 유지하는 것이 스택의 좋은 성능을 얻기 위한 필수적인 조건이라 하겠다.

면압이 너무 작은 경우 분리판/기체확산층/막전극접합체 사이의 접촉저항이 증가하여 전류-전압 강하 일어나게 되고, 면압이 너무 큰 경우에는 기체확산층이 과하게 압축되어 가스 확산이 어려워지므로 스택 출력이 감소하게 된다.

따라서, 연료전지 차량에서 스택 성능을 높이고 스택의 경량화와 부피 최소화를 위해서는 스택 체결 방법을 효율적으로 하는 것이 중요하고, 스택 구성품들의 주요 물성을 정확히 이해하는 것이 필수적이다.

이를 위해 종래 많은 스택 체결 방법 및 구성부품 평가기법들이 제안되었는데, 주로 연료전지 스택 체결장치(등록특허 제0514375호), 연료전지 스택 체결구 (공개특허 제2010-20715호), 연료전지 스택 체결구조(등록특허 제501206호) 등의 스택 체결 방법에 관한 것들과, 연료전지 스택 자동 조립장치(공개특허 제2009-106217호), 스택 기밀 검사 장치 및 방법(공개특허 제2009-0113429호, 공개특허 제2009-108478호), 연료전지 활성화 방법(공개특허 제2007-60760) 등의 스택 조립/활성화에 관한 것들과, 전해질막의 핀 홀(Pin Hole) 위치 확인 장치(공개특허 제2009-107610호), MEA/기체확산층 일체화 설비(공개특허 제2009-111898호), 연료전지 분리판 기밀 검수 장치(공개특허 제2009-113432호), 기체확산층 압력별 두께/저항/차압/투과도 측정 장치(등록특허 제902316호), 기체확산층 분리 감지 장치(공개특허 제2009-108767호) 등의 각 구성부품 특성 평가에 관한 것들이 있다.

최근 자동차용 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 연구개발 및 양산화가 진전됨에 따라 연료전지 스택의 부품 중 안정적 성능 발현에 큰 역할을 하는 기체확산층의 특성 평가 방법 및 미세구조/성능 발현 메커니즘에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

기체확산층은 일반적으로 기체확산지지층(Gas Diffusion Backing)과 그 위에 도포되는 다공성 박층(Micro Porous Layer)로 구성되는데, 기체확산지지층은 탄소 재질의 탄소 종이(Carbon Paper), 탄소 천(Carbon Cloth), 탄소 펠트(Carbon Felt)로 제작되거나[Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156 , 8 (2006); M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming, and W. Lehnert, Handbook of Fuel Cells-Fundamentals, Technology and Applications, Vol.3, Ch. 42, John Wiley & Sons (2003)], 금속 재질의 다공성 박판, 다공성 금속 메쉬 등을 혼용해서 사용하기도 한다.

다공성 박층의 경우, 탄소 분말, 탄소 나노 막대, 탄소 나노 선, 탄소 나노 튜브 등의 탄소 물질 또는 전도성 금속, 무기물, 세라믹 분말 등을 단독 또는 둘 이상 혼합하여 제작하고, 물 제거를 원활하게 하기 위해 소수성물질(Hydrophobic Agent)인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene), 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP: Fluorinated Ethylene Propylene) 등을 포함하거나[C. Lim and C. Y. Wang, Electrochim . Acta, 49 , 4149 (2004)], 이온전도성 향상에 도움을 주기 위해 나피온 이오노머와 같은 친수성 물질을 함께 혼합하여 사용하며, 소정의 미세 기공 구조를 가지도록 한다.

단위 셀 내에서 기체확산층은 반응가스와 생성물인 물의 이동 통로이면서 열전도, 전기전도가 일어나는 매체로서, 반응 생성수를 배출시켜 셀 내의 물 범람 현상을 최소화시키는 등 다양한 기능을 한다.

실제 운전시 기체확산층은 체결압력을 받아 두께 및 미세구조가 변하기 때문에 체결상태에서 일어나는 물성 변화를 알아낼 필요가 있다. 도 2의 (a)에서 알 수 있듯이 기체확산층의 경우 체결압력 변화에 따라 두께 변형이 일어나며, 높은 체결압력에 의해 두께 감소가 진행된 경우 체결압력이 다시 감소하더라도 두께가 원상태로 돌아오지 않는 비탄성 변형을 하게 된다.

이러한 현상은 스택 체결에 사용된 기체확산층의 탈거 후 단면 형태를 통해서도 확인할 수 있는데, 도 3에서 알 수 있듯이 체결압력이 가해지는 분리판의 랜드부와 접촉한 기체확산층 영역은 스택에서 분리해 압력이 가해지지 않는 상태에서도 두께가 수축돼 외형이 변형된 상태를 유지하는 것을 알 수 있다. 도 2의 (b)에서는 체결압력 변화에 따른 기체확산층의 전기전도도 변화를 나타내며, 체결압력 감소시 기체확산층 내 전기저항값이 증가함을 보여준다.

종래 연료전지 스택의 체결구조에 있어서, 장볼트나 밴드를 사용한 경우 스택 체결 후 길이가 고정되므로, 스택 구성요소 중 하나인 기체확산층의 두께 감소가 스택 운전 중에 발생하면, 단위 셀 내 면압 분포가 달라져서 스택 전체 면적에 고른 압력을 유지할 수 없게 되고, 연료전지 스택의 출력이 감소하는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이 스택 운전 중 진동이나 가스 유량(가스 공급 유량 및 투과 유량) 증감으로 인한 체결압력 변화가 발생하여 기체확산층의 두께가 변하는 경우, 도 4의 (b)에 나타낸 스택 체결 직후의 상태에 비해 셀의 구성요소 간 미세 틈이 형성되어 접촉저항이 증가하게 되므로, 이를 제어할 수 있는 최적의 스택 체결 조건을 찾아내는 것이 매우 중요하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 스택 운전 중 기체확산층의 비가역적인 두께 변동, 체결압력 저하 및 미세 틈 발생, 접촉저항 증가 등의 문제없이 안정적이고 최적화된 스택 체결상태를 유지할 수 있게 되는 연료전지 스택 체결 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 단위 셀들을 적층하고 엔드플레이트를 결합한 뒤 가압장비로 체결압력을 가한 상태에서 체결압력이 유지되도록 체결기구를 세팅, 고정하는 스택 가체결 단계와; 가체결된 스택에 대해 애노드와 캐소드에 공급되는 가스 유량을 반복적으로 변화시키는 가스 유량 변화 사이클, 또는 가체결된 스택을 가압장비로 가압/해제하여 체결압력을 반복적으로 증감시키는 체결압력 변동 사이클을 진행하는 스택 전처리 단계와; 스택 전처리 단계 후 기체확산층의 두께 변화에 기인하는 체결압력 변화량을 보정하여 스택을 본체결하는 스택 본체결 단계;를 포함하는 연료전지 스택 체결 방법을 제공한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결 방법에 의하면, 스택 체결 과정에서 스택을 가체결 및 전처리한 후 체결압력 변화를 보정하는 과정을 진행함으로써, 스택 운전 중 기체확산층의 비가역적인 두께 변동, 체결압력 저하 및 미세 틈 발생, 접촉저항 증가 등의 문제없이 안정적이고 최적화된 스택 체결상태를 유지할 수 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지 스택의 체결구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 체결압력 변화에 따른 기체확산층의 기본 물성을 나타내는 도면으로서, 상측의 도면은 기체확산층 두께 변화를, 하측의 도면은 기체확산층 전기저항 변화를 나타낸다.
도 3은 스택 체결시 삽입된 기체확산층의 탈거 후 단면 사진이다.
도 4는 스택 내부 기체확산층의 형태 변형을 나타내는 도식도로서, (a)는 연료전지 스택 체결 전 상태를, (b)는 연료전지 스택 체결 직후 상태를, (c)는 스택 내 체결압력 변화 반복 후 상태를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 제1실시예와 제2실시예의 스택 체결 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제3실시예의 스택 체결 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 기체확산층을 투과하는 가스량 변화에 따른 스택 체결압력 변화를 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 체결압력 고정상태에서 가스투과량 변화에 따른 스택 체결압력 변화의 측정 결과도이다.
도 9는 기체확산층 체결압력 변동 사이클과 기체확산층 두께의 상관관계를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 연료전지 스택의 조립시 수십 ~ 수백 단위의 셀들과 엔드플레이트를 적층한 뒤 이들을 가압장비로 가압하고 이어 이들을 장볼트(체결봉)나 밴드, 와이어 등을 이용하여 체결하는데, 이때 각 셀의 막전극접합체 전체 면적에 걸쳐 균일한 압력이 가해지도록 한다.

분리판 및 가스켓, 막전극접합체의 경우 높은 탄성력을 가지므로 체결압력 변화에 따라 두께가 가역적으로 변화하지만, 기체확산층의 경우는 반응가스의 원활한 확산 및 물 제거를 위해 주로 다공질의 탄소지지체로 이루어져 있으므로 체결압력 변화에 따라 비가역적인 두께 변화가 발생하는 특징이 있다.

따라서, 종래의 연료전지 스택 체결방식을 이용하여 스택 체결을 실시할 경우, 체결 완료 후 장볼트나 밴드, 와이어 등에 의해 스택 크기가 고정된 상태에서, 스택 운전 중 진동이나 기타 원인으로 인한 체결압력 변화가 발생하여 기체확산층의 두께가 추가로 줄어들게 되면, 비가역적 두께 변화 특성에 의해 압축 후 기체확산층의 두께가 원래로 복귀하지 않아, 도 4의 (c)에서와 같이 분리판과의 사이에서 미세한 틈이 발생할 수 있고, 결국 셀 구성요소 간 접촉저항이 증가하는 동시에 면압 분포가 불균일하게 되어 스택 성능이 감소하는 문제점이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질막 연료전지용 스택을 가체결한 상태에서 기체확산층에 대한 두께 변화를 유도하는 전처리 과정을 실시하고 전처리 과정에서 발생한 기체확산층의 두께 변화에 기인하는 체결압력 변화량을 보정하여 본체결을 실시하는 것에 주된 특징이 있는 스택 체결 방법을 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 스택 체결 과정에서 스택을 가체결 및 전처리한 후 체결압력 변화를 보정하는 과정을 진행함으로써, 스택 운전 중 기체확산층의 비가역적인 두께 변동, 체결압력 저하 및 미세 틈 발생, 접촉저항 증가 등의 문제없이 안정적이고 최적화된 스택 체결상태를 유지할 수 있게 한다.

본 발명을 보다 상세히 설명하면, 도 5는 본 발명에 따른 제1실시예와 제2실시예의 스택 체결 방법을 나타내는 순서도이고, 도 6은 본 발명에 따른 제3실시예의 스택 체결 방법을 나타내는 순서도이다.

도 5에서 S13의 단계를 포함하는 스택 체결 방법(S11~S13,S15,S16)이 제1실시예이고, S13의 단계 대신 S14의 단계를 진행하는 스택 체결 방법(S11,S12,S14~S16)이 제2실시예가 된다.

도 7은 기체확산층을 투과하는 가스량 변화에 따른 스택 체결압력 변화를 측정하는 방법을 나타내는 도면이고, 도 8은 체결압력 고정상태에서 기체량 변화에 따른 스택 체결압력 변화의 측정 결과도이며, 도 9는 기체확산층 체결압력 변화 사이클과 기체확산층 두께의 상관관계를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 8 및 도 9의 실험 결과에서 알 수 있듯이 스택 내 반응가스 공급유량 증가/감소는 단위 셀 별 체결압력을 미세하게 변화시키는데, 이러한 체결압력의 변화는 스택 내부에 존재하는 기체확산층의 두께를 변화시킨다. 체결압력의 증가시 기체확산층의 두께가 감소하는 형태이다.

또한 체결압력의 변화에 따른 기체확산층의 두께 변화는 초기 수 사이클(가스 유량 변화 사이클)에 의해서 나타난 뒤 이후에는 두께 변화없이 안정화됨을 알 수 있다(도 8 및 도 9 참조).

본 발명에서는 이러한 점을 이용하는 것으로, 스택 체결 과정에서 체결압력 변화 및 그로 인한 두께 변화를 수 사이클에 걸쳐서 유도하는 전처리 과정을 실시한 뒤 더 이상의 두께 변화가 없는 상태에서 스택 체결압력 변화량 및 두께 변화량을 보정하여 스택을 체결하도록 함으로써, 실제 스택 운전 중에는 진동이나 가스 유량 증감 등으로 인한 기체확산층의 비가역적인 두께 변동, 그로 인한 체결압력 저하 및 미세 틈 발생, 접촉저항 증가를 방지하게 된다.

본 발명에서 전처리 과정은 스택 가체결 후 가스 유량 변화 사이클(제1실시예-가스 유량 증감 또는 가스 공급/차단)을 진행하거나 체결압력 변동 사이클(제2실시예-스택 체결용 가압장비를 이용한 체결압력 증감)을 진행하는 것으로 실시될 수 있으며, 여기서 스택 가체결 후의 상기한 가스 유량 변화 사이클은 스택 체결 후 진행하는 통상의 스택 활성화 과정에서 실시될 수 있다(제3실시예-스택 활성화 과정의 가스 유량 변화 이용).

이하, 본 발명의 각 실시예를 구분하여 상술하기로 한다.

제1실시예로서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 단위 셀을 적층한 뒤 스택 양단부 위치에 엔드플레이트를 결합하고(S11), 스택 체결용 가압장비를 이용하여 엔드플레이트를 통해 소정의 체결압력을 가한 뒤, 체결압력이 유지되도록 체결기구를 세팅, 고정하여 스택을 가체결한다(S12).

이때 캐소드/애노드 유로 및 냉각수 유로의 기밀이 유지되는 체결압력으로 스택을 가체결하되, 체결기구를 세팅하여 스택 사이즈를 고정시키는데, 본 발명의 가체결, 전처리, 본체결이 스택 생산 과정의 일부가 되므로, 스택 체결용 가압장비는 가압력을 제어할 수 있는 기존 프레스 등의 장비가 그대로 이용될 수 있으며, 체결기구 역시 볼트체결방식, 밴드체결방식, 와이어체결방식 등 통상의 공지된 체결기구가 그대로 사용될 수 있다.

또한 가체결시의 체결압력은 스택 내 유로의 기밀상태가 유지되어야 하므로 기존 스택 조립 과정의 통상적인 체결압력이 그대로 적용될 수 있다.

상기와 같이 가체결이 완료되면, 기체확산층에 대한 전처리 과정으로서, 스택 내부로 가스를 공급하되, 가스 유량을 증감시키거나 가스 공급을 단속(공급과 차단을 반복)하는 유량 변화를 소정 사이클로 반복하는 가스 유량 변화 사이클 과정을 실시한다(S13).

이 과정에서 스택의 캐소드와 애노드 유로 내에 동시에 가스를 공급하는데, 가스 공급 동안의 반복적인 유량 변화로 인하여 기체확산층의 두께가 점차 변하게 되며, 정해진 사이클을 반복하고 난 이후에는 유량 변화를 주어도 더 이상의 두께 변형이 발생하지 않는 안정화 상태가 된다.

다만, 상기와 같이 가스 유량 변화를 소정 사이클 동안 반복하는 전처리 과정을 거치고 나면, 기체확산층의 두께가 어느 정도 감소한 상태가 되어, 체결압력은 전처리 과정 이전의 가체결 직후에 비해 낮아진 상태가 되고, 기체확산층과 분리판 사이에는 미세한 틈이 존재하게 된다.

상기와 같이 기체확산층의 두께가 안정화되면, 체결압력이 낮아진 상태의 미세한 틈이 제거될 수 있도록 스택 전체의 체결압력 변화량을 보정하여 본체결을 실시하고(S15), 이후 통상의 스택 활성화 공정을 진행하여(S16) 스택 체결 및 조립 과정을 완료한다.

즉, 스택 체결압력을 변화량만큼 재조정해주는데, 소정 사이클 동안 유량을 반복적으로 변화(증감 또는 공급/차단)시켜 가스를 공급하는 전처리 후에 스택을 다시 가압장비에 장착하여 가체결시와 동등한 체결압력 상태가 되도록 압력을 가해줌으로써 체결압력의 감소량만큼을 보정해주며, 이렇게 압력을 가한 상태로 스택 전체의 체결압력 및 스택 사이즈(양측 엔드플레이트 간의 스택 길이)가 고정될 수 있도록 체결기구를 재세팅 및 고정하여 본체결한다.

상기한 체결압력 변화량 보정 및 본체결 과정에서, 도 1에 나타낸 볼트체결방식의 예를 들면, 가압장비에서 가체결시와 동등한 체결압력을 가한 상태에서 스택 사이즈가 완전히 고정될 수 있도록 너트를 미세하게 조여주는 방식으로 실시될 수 있다.

또는 밴드나 와이어를 이용한 체결방식의 경우 가압장비에서 가체결시와 동등한 체결압력을 가한 상태에서 스택 사이즈가 완전히 고정될 수 있도록 밴드나 와이어의 장력을 미세하게 조절한 뒤 고정시키는 방식으로 실시될 수 있다.

체결압력 변화량 보정시 과도하게 큰 압력으로 가압하는 경우, 기체확산층의 강제적인 두께 감소가 가압으로 인해 추가로 발생할 수 있으므로, 가체결시의 체결압력을 스택 운전시 체결압력이 되는 본체결시의 체결압력으로 설정하고, 전처리 후 보정 및 본체결시 가압장비에 의한 가압상태(체결압력 상태)를 가체결시 가압상태와 일치되게 해주는 것이 바람직하다.

가스 유량 변화 사이클 실시에 사용될 수 있는 가스로는 공기 혹은 비활성가스가 가능하며, 비활성가스로는 질소가 사용될 수 있다. 또한 공급되는 가스의 상대습도는 20 ~ 100 %로, 온도는 0 ~ 95 ℃로 하여 실시할 수 있다. 여기서, 상대습도를 20% 미만으로 하는 경우 막전극접합체(MEA)의 과건조로 인한 파손 및 변형이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않으며, 100% 초과시에는 유량 변화 사이클 실시 중 가습도 유지를 위하여 필요 이상의 많은 에너지가 소요되는 문제, 및 스택 내 플러딩에 의한 물관리의 어려움이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한 온도를 0℃ 미만으로 하는 경우는 가습에 의한 스택 내 결빙의 우려가 있어 바람직하지 않고, 95℃ 초과시에는 온도 증가에 따른 막전극접합체의 손상 가능성 증대, 및 고온 유지를 위한 장비의 에너지 소모가 불필요하게 증가하는 문제 등이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.

가스 유량 변화 사이클 실시 중 공급되는 가스의 유량은 제한이 없으나, 가스 유량 증감 변화에서 유량 증가시 유량, 또는 공급/차단 변화에서 공급 유량으로는, 체결하고자 하는 스택의 정상 운전시 요구되는 반응가스의 미리 설정된 최대 유량으로 실시하는 것이 바람직하다.

또한 가스 유량 증감 변화에서 유량 감소시 유량은 스택의 정상 운전시 요구되는 반응가스의 미리 설정된 최소 유량으로 실시하는 것이 바람직하다.

사이클의 횟수에는 특별한 제한이 없으나, 제조 공정상의 효율성을 고려하여 기체확산층의 두께가 안정화될 때까지 사이클의 횟수로는 2회 또는 3회를 실시하며, 바람직하게는 기체확산층의 물성이 상이할 수 있음(제조사 등에 따라서)을 고려하여 적어도 10회 이상을 실시한다. 또한 증, 감 또는 공급, 차단의 각 스텝을 유지하는 시간은 5초 내지 60분으로 정한다.

상기 사이클의 횟수로 2회 또는 3회를 실시하는 이유는 도 9의 실험 결과에서 가스 압력 증감을 3회 실시한 경우에 기체확산층의 두께가 안정화될 수 있음을 고려한 것이다.

다만, 그 횟수를 과다하게 반복하면 스택 제작 공정이 길어지고 가스 소요량이 많아지므로 생산성 및 경제적인 측면에서 바람직하지 않다.

또한 상업용 기체확산층의 경우, 제조사, 재질 차이에 따라 물성이 상이할 수 있음을 고려하여 기체확산층의 두께 안정화시까지 적어도 10회 이상 사이클을 실시하는 것이 바람직한데, 적어도 10회 이상을 실시하면 기체확산층의 두께 안정화가 충분히 달성될 수 있기 때문이고, 그 횟수를 늘릴수록 확실한 두께 안정화가 보장될 수 있다.

또한 증, 감 또는 공급, 차단의 각 스텝을 유지하는 시간을 5초 미만으로 짧게 실시하는 경우 압력 증감에 의한 가스확산층의 두께 변화가 충분히 일어나지 않을 가능성이 있고, 60분을 초과하여 진행하는 경우 전처리과정에 소요되는 시간 및 운전비용이 불필요하게 증가하는 문제가 있으므로 바람직하지 않다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 스택을 가체결한 상태에서 기체확산층에 대한 전처리 과정을 실시하고 전처리 과정에서 발생한 기체확산층의 두께 변동에 기인하는 체결압력 변화량을 보정하여 본체결을 실시함으로써, 스택 운전 중 기체확산층의 비가역적인 두께 변동, 체결압력 저하 및 미세 틈 발생을 최소화할 수 있고, 분리판/기체확산층 및 막전극접합체/기체확산층 간 계면의 접촉저항을 최소화 할 수 있다. 또한 스택 내 면압 분포를 고르게 유지함으로써 종래의 체결방식에 비해 스택의 출력이 개선되는 효과가 있게 된다.

한편, 스택 내 유량 변화 사이클을 실시하는 이유는 전처리 과정에서 유량 변화에 따른 스택 구성요소 간 체결압력 변화와 기체확산층의 두께 변형을 유도하기 위한 것이므로, 이러한 체결압력 변화와 기체확산층의 두께 변화를 얻기 위해 유량 변화 사이클 대신 체결압력을 직접적으로 증감시키는 사이클을 시행할 수도 있다.

즉, 제2실시예로서, 스택 적층(S11) 후 가체결은 제1실시예와 동일하게 실시하되(S12), 전처리 과정에서 가스 유량 변화 사이클 대신 유량 변화에 의해 발생할 수 있는 체결압력 변화를 주었다 해제하는 방식의 체결압력 변동 사이클을 실시하는 것이다(S14).

이러한 체결압력 변동 사이클 과정에서는 가체결된 스택을 가압장비에 장착한 뒤 분리판을 통해 기체확산층에 미세한 압력이 추가로 가해지도록 가압장비를 이용하여 스택을 소정 압력으로 가압하고 이후 압력을 해제하는 과정을 소정 사이클 횟수만큼 반복하게 된다.

이때 최초 사이클의 가압시에 소정 압력을 가하여 스택의 체결압력에 변화를 주었다가 압력을 해제하고 이후 매 사이클 가압시마다 동일한 압력이 가해지도록 가압장비를 작동시킨 뒤 압력을 해제하는 과정을 반복한다.

상기 과정에서 가압장비가 양측 엔드플레이트를 가압하여 체결압력을 변화시키는데, 엔드플레이트에 압력을 가하고 해제하는 동안 각 분리판을 통해 기체확산층에 압력이 가해졌다 해제되면서 기체확산층의 두께 변화가 유도된다.

이렇게 동일 압력을 반복적으로 주었다 해제하면, 기체확산층의 두께가 분리판의 랜드부와 접촉한 부분을 중심으로 점차 감소하게 되면서 변하게 되고, 정해진 사이클을 반복하고 난 이후에는 일정 사이클 횟수 동안의 유량 변화를 준 것과 마찬가지로 더 이상의 두께 변형이 발생하지 않는 안정화 상태가 된다.

체결압력 변동 사이클을 실시함에 있어서, 사이클의 횟수로는 제1실시예와 마찬가지로 2회 또는 3회를 실시하며, 바람직하게는 기체확산층의 물성이 상이할 수 있음(제조사 등에 따라서)을 고려하여 적어도 10회 이상을 실시한다. 또한 증, 감 또는 공급, 차단의 각 스텝을 유지하는 시간은 5초 내지 60분으로 정한다.

상기와 같이 추가적인 압력을 가하고 해제하는 방식으로 체결압력 증감 변화를 소정 사이클 동안 반복하는 전처리 과정을 거치고 나면, 기체확산층의 두께가 어느 정도 감소한 상태가 되어, 압력 해제한 상태의 체결압력이 전처리 과정 이전의 가체결 직후에 비해 낮아진 상태가 되고, 기체확산층과 분리판 사이에는 미세한 틈이 존재하게 된다.

따라서, 기체확산층의 두께가 안정화되면, 체결압력이 낮아진 상태의 미세한 틈이 제거될 수 있도록 스택 전체의 체결압력 변화량을 보정하여 본체결을 실시한 뒤(S15), 스택 활성화 공정(S16)을 진행하여 스택의 체결 및 조립을 완료한다.

여기서, 체결압력 변화량 보정은 앞서 설명한 제1실시예와 동일한 방식으로 진행하게 된다.

이와 같이 가스 유량 변화 사이클 또는 체결압력 변동 사이클을 통해 기체확산층의 추가적인 변형을 유도하여 두께를 안정화시키고 이후 스택의 본체결을 실시하는 방법에 의하면, 도 8 및 도 9에서와 같이 스택 운전 초기에 나타나는 기체확산층의 두께 변형을 최소화할 수 있으므로 스택 운전 중 발생하였던 기체확산층의 두께 변형으로 인한 종래의 여러 문제점이 해소될 수 있게 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 제3실시예로서 스택 가체결 후 스택 활성화 과정을 실시한 뒤 스택 본체결을 실시하는 것으로 종래의 문제점을 해소할 수 있다.

일반적으로 스택 본체결이 완료되면 공기(산소)/수소를 스택 내로 주입하여 스택 성능을 활성화하는 과정을 거치게 되는데, 통상의 스택 활성화 과정은 반응가스의 공급을 통해 전력을 생산하는 과정을 포함한다.

따라서, 스택 활성화시 스택 운전 중 요구되는 최대/최소 유량 운전을 포함시켜 진행할 경우 상기한 가스 유량 변화 사이클의 전처리 과정을 생략하는 것이 가능해진다.

즉, 도 6의 공정 개략도에 나타낸 바와 같이, 셀 및 엔드플레이트 적층(S21) 후 스택을 가체결하게 되면(S22) 스택 활성화를 먼저 실시하고(S23) 이에 따라 기체확산층의 두께가 안정화되면 스택 전체의 체결압력 변화량을 보정하여 스택 본체결을 실시(S24)하는 방법을 실시할 수 있다.

본 제3실시예에서는 스택 활성화를 위해 스택에 통상적으로 공급하게 되는 반응가스, 즉 수소 및 산소(공기)의 공급 유량을 상술한 제1실시예의 가스 유량 변화 사이클에 준하여 증감시키는 과정을 실시한다.

이때 반응가스를 스택 운전 중 요구되는 최대 유량, 최소 유량으로 변화시켜 공급하는 과정을 소정 사이클 동안 반복적으로 진행하여 운전하는 것이 가능하다.

이렇게 활성화 과정에서 반응가스의 공급 유량을 증감시키는 과정을 반복하게 되면, 제1실시예에서와 같이 기체확산층의 두께가 감소한 상태로 더 이상의 두께 변형이 발생하지 않는 안정화 상태가 된다.

이 상태에서는 기체확산층과 분리판 사이의 미세한 틈이 발생함과 동시에 스택의 체결압력이 스택 가체결 직후의 체결압력에 비해 낮아진 상태가 된다.

이에 체결압력이 낮아진 상태의 미세한 틈이 제거될 수 있도록 스택 전체의 체결압력 변화량을 보정하여 본체결을 실시하며, 체결압력 변화량 보정 및 본체결은 앞서 설명한 제1실시예와 동일하게 진행하게 된다.

한편, 기체확산층을 투과하는 반응가스의 유량 변화와 이에 따른 체결압력 변화의 상관관계를 확립하고 이를 실제 스택 체결시 적용하기 위해 도 7과 같은 방식으로 기존에 상업화된 기체확산층을 평가하였다.

연료전지 스택의 경우 캐소드/애노드 및 냉각수 유로의 기밀성이 각각 유지되어야 하므로 스택 제작시 기밀이 보장되는 특정 압력이상에서 체결을 실시하게 되는데, 일반적으로 스택 체결은 체결 밴드 혹은 체결봉(장볼트) 형태의 체결기구를 이용하게 되며, 이 경우 스택 체결이 완료된 이후에 두께 변위(스택 사이즈)가 고정되게 된다.

스택 구성요소 중 하나인 기체확산층은 주로 다공질의 탄소지지체로 구성되며, 체결압력에 따라 두께가 변화하는데, 스택 체결이 완료된 직후의 체결압력에 따라 기체확산층의 두께가 정해진다.

또한 연료전지 스택은 요구되는 전력량에 따라 가변적으로 공기(산소) 및 수소를 공급하게 되는데, 스택 내 반응가스의 공급량이 증가/감소함에 따라 스택 체결압력이 미세하게 변화하게 된다.

하지만, 이를 스택 내부에서 직접 측정하기는 어려우므로 유량 변화에 따른 미세 압력 변화를 측정하기 위해 도 7과 같은 장치를 이용하여 스택 내부 조건을 모사하였다.

먼저, 가압장비(3)로 압력을 가한 상태에서 기체확산층(2)의 두께가 일정하도록 체결기구(로드셀:1) 위치 변위를 고정시켰다.

이후 기체확산층을 통과하는 기체의 유량을 변화시키면서 체결압력을 측정하였으며, 그 실시예를 도 8에 나타내었다.

본 실험에서 두께 변위가 일정한 기체확산층 내부로 통과시키는 기체 유량을 증가시키면 로드셀에 가해지는 체결압력도 증가함을 알 수 있으며, 이는 실제 스택 내부에서도 동일하게 적용됨을 예상할 수 있다.

실제로 스택 내부로 유입되는 반응가스의 경우, 화학양론비(Stoichiometry Ratio) 기준 1.5 ~ 3.0 정도의 범위로 주로 공급되므로 캐소드/애노드측으로 공급되는 유량이 각각 다르게 되며, 스택 운전 중 기체 유량 변화에 의한 체결압력 변화는 캐소드/애노드 별로 다르게 나타난다.

위와 같이 스택 내 반응가스 유량 변화에 의한 스택 체결압력 변화는 기체확산층의 추가적인 두께 변형을 일어나게 하는데, 도 9에서와 같이 특정 압력으로 가체결된 기체확산층에 기체 유량 변화에 의해 생길 수 있는 체결압력 크기 만큼의 압력을 증가/감소하는 사이클을 반복할 경우 추가적인 기체확산층의 두께 변형이 일어나게 된다.

이러한 현상은 초기 3 ~ 5회 사이클에서 두드러지게 나타나며, 이후 기체확산층의 두께는 안정화된다.

따라서, 본 실험에서 알 수 있듯이 스택 체결 완료 후의 추가적인 기체확산층 두께 변형은 분리판/기체확산층 및 막전극접합체/기체확산층 계면의 접촉저항 증가를 가져와 스택 성능 감소의 주요 요인이 되므로 이를 해결하기 위해서는 연료전지 스택을 가체결한 상태에서 시스템이 요구하는 반응가스의 미리 설정된 최대/최소 유량 사이클을 수 회 반복하여 기체확산층 두께를 먼저 안정화시키고, 이후 스택 전체의 두께 변화량을 보정하여 스택 체결을 완료하는 방식을 사용하여야 한다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 로드셀
2 : 기체확산층
3 : 가압장비

Claims (11)

1. 단위 셀들을 적층하고 엔드플레이트를 결합한 뒤 가압장비로 체결압력을 가한 상태에서 체결압력이 유지되도록 체결기구를 세팅, 고정하는 스택 가체결 단계와;
   가체결된 스택에 대해 애노드와 캐소드에 공급되는 가스 유량을 반복적으로 변화시키는 가스 유량 변화 사이클, 또는 가체결된 스택을 가압장비로 가압/해제하여 체결압력을 반복적으로 증감시키는 체결압력 변동 사이클을 진행하는 스택 전처리 단계와;
   스택 전처리 단계 후 기체확산층의 두께 변화에 기인하는 체결압력 변화량을 보정하여 스택을 본체결하는 스택 본체결 단계;
   를 포함하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스 유량 변화 사이클은 가체결된 스택의 애노드와 캐소드에 공급되는 가스의 유량을 증감시키거나, 가스의 공급을 단속(공급/차단)하는 유량 변화를 반복하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 가스 유량 변화 사이클에서 가스 유량 증가시의 유량 또는 가스 공급시의 유량을 미리 설정되는 스택 운전시 반응가스 최대 유량으로 설정하여 실시하고, 가스 유량 감소시의 유량은 미리 설정되는 스택 운전시 반응가스 최소 유량으로 설정하여 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 가스 유량 변화 사이클은 가스 유량 증가 후 감소, 또는 공급 후 차단을 1 사이클로 하여 2회 또는 3 회의 사이클로 실시하고, 매 사이클에서 가스 유량 증가 및 감소, 또는 공급 및 차단의 각 스텝을 5초 ~ 60분으로 유지하여 사이클을 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 가스 유량 변화 사이클은 가스 유량 증가 후 감소, 또는 공급 후 차단을 1 사이클로 하여 적어도 10 회 이상의 사이클로 실시하고, 매 사이클에서 가스 유량 증가 및 감소 또는 공급 및 차단의 각 스텝을 5초 ~ 60분으로 유지하여 사이클을 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스 유량 변화 사이클의 실시시 공급되는 가스로는 공기 혹은 비활성가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스 유량 변화 사이클은 스택을 가체결한 뒤 스택 활성화 과정에서 반응가스를 공급하여 실시하고, 스택 활성화 과정 후 스택 본체결 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
8. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 6, 또는 청구항 7에 있어서,
   상기 가스 유량 변화 사이클의 실시시 공급되는 가스의 상대습도는 20 ~ 100 %로, 온도는 0 ~ 95 ℃로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 체결압력 변동 사이클은 가체결된 스택을 가압장비에서 분리판을 통해 기체확산층에 미세한 압력이 추가로 가해지도록 양측 엔드플레이트를 가압하고 가압 해제하는 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택 본체결 단계는 전처리 후 기체확산층의 두께가 감소한 스택을 가압장비에서 가체결시와 동일한 체결압력 상태가 되도록 압력을 가해주어 체결압력의 감소량을 보정한 뒤 체결압력이 유지될 수 있도록 체결기구를 재세팅, 고정하는 것임을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결 방법.
    
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택 본체결 후 스택을 활성화하는 스택 활성화 단계를 진행하여 스택 체결 및 조립을 완료하는 연료전지 스택 체결 방법.

Images