KR101163911B1 - 막전극 집합체의 손상 검사 장치 - Google Patents

막전극 집합체의 손상 검사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 막전극 집합체의 손상 검사 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전압 측정 장치의 각 전류 센서를 통해서 막전극 집합체에 발생된 전기적 쇼트과 같은 국부적 손상 위치를 판단하여, 막전극 집합체의 공정상의 오류발생 원인을 판단하여 성능을 향상시키는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 막전극 집합체의 일면과 타면에 서로 대향하도록 각각 밀착되며, 다수의 전류 센서를 포함하는 제1저항 측정판과 제2저항 측정판으로 이루어진 저항 측정 장치 및 상기 막 전극 집합체를 중심으로 서로 대향하도록 상기 제1저항 측정판 및 상기 제2저항 측정판에 각각 밀착되어, 상기 제1저항 측정판, 상기 막 전극 집합체, 및 상기 제2저항 측정판에 체결 압력을 가해 접합시키는 제1셀체결부와 제2셀체결부로 이루어진 셀 체결 기구를 개시한다.

Description

막전극 집합체의 손상 검사 장치{DEFECT CHECKING DEVICE OF MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 막전극 집합체의 손상 검사 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전압 측정 장치의 각 전류 센서를 통해서 막전극 집합체에 발생된 전기적 쇼트와 같은 국부적 손상 위치를 판단하여, 막전극 집합체의 공정상의 오류발생 원인을 판단하여 성능을 향상시킬 수 있는 막전극 집합체의 손상 검사 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 연료 전지는, 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 포함하는 산화제 가스를, 촉매를 포함하는 막 전극 집합체(MEA; Membrane and Electrolyte Assembly)로 인가하여, 열과 동시에 전기를 생성하는 발전 시스템이다. 이러한 발전 시스템은, 종래의 발전 방식과 비교하여 고효율이고 저 환경 부하, 저소음 등의 특징을 갖기 때문에 미래의 깨끗한 에너지원으로서 주목받고 있다.
이러한 연료 전지는, 막전극 집합체로 불리는 고분자 전해질막의 양면에 한 쌍의 전극 촉매층을 배치시킨 접합체를 포함한다. 그리고 이러한 막전극 집합체의 일측의 촉매층으로는 수소를 함유하는 연료 가스를 공급하고, 타측 촉매층으로는 산소를 포함하는 산화제 가스를 공급하기 위한 가스 유로를 구비한 분리 판이 개재되고 이를 지지하기 위한 체결부를 구비한다.
여기서, 연료 가스를 공급하는 전극을 연료극, 산화제를 공급하는 전극을 공기극으로 부른다. 그리고 이들 전극은, 백금계의 귀금속 등의 촉매 물질을 담지(擔持)한 카본 입자와 고분자 전해질을 적층하여 이루어지는 전극 촉매층과, 가스 통기성과 전자 전도성을 겸비한 가스 확산층으로 이루어진다.
이러한 연료 전지의 막전극 집합체의 경우, 차량의 운전 중 또는 운전 후에 고분자 전해질 막에 핀홀등이 발생하거나 고분자 전해질막의 양측의 가스 확산 층이 핀 홀로 인해서 전기적으로 쇼트 되는 문제점이 발생될 수 있다.
그러나 대면적의 막전극 집합체에서 고분자 전해질 막에 핀 홀이 발생하여도 손상여부는 확인할 수 있으나, 손상이 어디에서 발생되었는지 여부를 알지 못하므로 핀 홀에 대한 대책 및 개선을 실행할 수 없다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전압 측정 장치의 각 전류 센서를 통해서 막전극 집합체에 발생된 전기적 쇼트과 같은 국부적 손상 위치를 판단하여, 막전극 집합체의 공정상의 오류발생 원인을 판단하여 성능을 향상시킬 수 있는 막전극 집합체의 손상 검사 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 셀 체결기구를 통해서 막전극 집합체의 손상 검사 장치의 구성에 일정압력을 가함으로써, 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하여, 손상 위치 판단의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 막전극 집합체의 손상 검사 장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 막전극 집합체의 손상 검사 장치는 막전극 집합체의 일면과 타면에 서로 대향하도록 각각 밀착되며, 다수의 전류 센서를 포함하는 제1저항 측정판과 제2저항 측정 판으로 이루어진 저항 측정 장치 및 상기 막 전극 집합체를 중심으로 서로 대향하도록 상기 제1저항 측정판 및 상기 제2저항 측정판에 각각 밀착되어, 상기 제1저항 측정판, 상기 막 전극 집합체, 및 상기 제2저항 측정판에 체결 압력을 가해 접합시키는 제1셀체결부와 제2셀체결부로 이루어진 셀 체결 기구를 포함할 수 있다.
상기 저항 측정 장치는 복수의 전류 센서가 배열되어 있으며, 상기 복수의 전류 센서에서 측정된 각각의 전류 값을 통해서, 상기 막전극 집합체에 발생된 전기적 쇼트가 발생된 위치를 판단하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 막전극 집합체의 일면과 상기 제1저항 측정판 사이에 개재된 제1분리 판과, 상기 막전극 집합체의 타면과 상기 제2저항 측정판 사이에 개재된 제2분리 판으로 이루어진 분리 판을 더 포함할 수 있다.
상기 제1셀체결부, 상기 제1저항 측정판, 상기 제1분리판, 상기 막전극 집합체, 상기 제2분리판, 상기 제2저항 측정판 및 상기 제2셀체결부 순으로 가스가 각각 이동 및 순환될 수 있도록 유로가 형성될 수 있다.
상기 제1셀체결부, 상기 제1저항 측정판, 상기 제1분리판, 상기 막전극 집합체, 상기 제2분리판, 상기 제2저항 측정판 및 상기 제2셀체결부에 형성된 유로는 질소가스와 수소 가스가 각각 제1셀체결부, 상기 제1저항 측정판, 상기 제1분리판, 상기 막전극 집합체, 상기 제2분리판, 상기 제2저항 측정판 및 상기 제2셀체결부 순으로 공급되고 순환되어 반대 순으로 배출되기 위한 구조로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 막전극 집합체의 손상 검사 장치는 전압 측정 장치의 각 전류 센서를 통해서 막전극 집합체에 발생된 전기적 쇼트과 같은 국부적 손상 위치를 판단하여, 막전극 집합체의 공정상의 오류발생 원인을 판단하여 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의한 막전극 집합체의 손상 검사 장치는 셀 체결기구를 통해서 막전극 집합체의 손상 검사 장치의 구성에 일정압력을 가함으로써, 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하여, 손상 위치 판단의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 막전극 집합체의 손상 검사 장치를 도시한 구조도이다.
도 2는 도 1의 전압 측정 장치의 일예를 도시한 구조도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 막전극 집합체의 손상 검사 장치를 도시한 구조도이다.
도 4는 도 3의 가스 공급 유로의 일예를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3의 제1셀체결부의 매니폴드의 일예를 도시한 평면도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 막전극 집합체의 손상 검사 장치를 도시한 구조도가 도시되어 있다.
도 1에서 도시된 바와 같이 막전극 집합체의 손상 검사 장치는 막전극 집합체(10)의 일면(11)과 타면(12)에 각각 서로 대향하도록 밀착된 제1저항 측정판(111) 및 제2저항측정판(112)으로 이루어진 저항 측정 장치(110)와, 막전극 집합체(10)를 중심으로 대향하도록, 제1저항 측정판(111) 및 제2저항측정판(112)에 각각 밀착되어 접합된 제1셀체결부(121) 및 제2셀체결부(122)로 이루어진 셀 체결기구(120)를 포함한다.
우선 저항 측정 장치(110)의 제1저항 측정판(111)은 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 전류 센서(111a)가 배열되어 있다. 그리고 이러한 제1저항 측정판(111) 및 제2저항측정판(112)은 전류 및 전압 손실이 적은 골드 코팅 판으로 이루어질 수 있다.
그리고 이러한 복수의 전류 센서(111a)는 제1저항 측정판(111)과 제2저항측정판(112) 사이에 일정 전압을 외부에서 인가하면, 막전극 집합체(10)를 통해서 흐르는 전류를 센싱한다.
여기서 제1저항 측정판(111)과 제2저항측정판(112) 사이에 개재된 막전극 집합체(10)는 절연체와 유사하여, 전기적으로 쇼트(short)가 발생되지 않은 정상 상태라면 전류가 흐르지 않는다. 그러나 막전극 집합체(10)에 전기적 쇼트가 발생되었을 경우에는 제1저항 측정판(111)과 제2저항측정판(112) 사이에 전압이 인가되면 막전극 집합체(10)의 전기적 쇼트가 발생된 곳을 통해서 전류가 흐르게 된다.
그리고 이와 같이 막전극 집합체(10)를 통해 흐르는 전류를 센싱하는 복수의 전류 센서(111a)는 저항 계산 회로(111b)와 전기적으로 연결되며, 복수의 전류 센서(111a)에서 측정된 전류 값을 저항 계산 회로(111b)로 전달한다.
그리고 저항 계산 회로(111b)는 각 전류 센서(111a)에서 측정된 전류 값을 읽어서 저항 값으로 변환한다. 또한 저항 계산 회로(111b)는 변환된 저항 값을 통해서 막전극 집합체(10)에서 쇼트가 발생된 위치를 판단한다.
즉, 저항 측정 장치(110)는 제1저항 측정판(111)과 제2저항측정판(112) 사이에 개재된 막전극 집합체(10)를 통해 흐르는 전류를 복수의 전류 센서(111a)를 통해서 측정하고, 전류 값이 측정되는 전류센서(111a)가 위치하는 부분의 막전극 집합체(10)에 쇼트가 발생된 것을 알 수 있다.
그리고 셀 체결기구(120)의 제1저항 측정판(111)과 제2저항측정판(112)은 막전극 집합체(10)와 저항 측정 장치(110) 사이에 일정압력을 가한상태로 볼트로 체결된다. 이와 같이 셀 체결기구(120)를 통해 제1저항 측정판(111), 막전극 집합체(10) 및 제2저항측정판(112)에 일정 압력을 통해 전기적으로 접촉되도록 밀착시킴으로써, 쇼트가 발생된 부분의 막전극 집합체(10)가 접촉되지 않아서 전류가 측정되지 않는 오류를 방지할 수 있다.
이러한 막전극 집합체의 손상 검사 장치(100)는 전압 측정 장치(110)를 통해 막전극 집합체(10)에 발생된 전기적 쇼트 여부 및 쇼트 발생 위치를 판단할 수 있으므로, 막전극 집합체(10)의 공정상의 오류발생 원인을 판단하여 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 셀 체결기구(120)를 통해서 제1저항 측정판(111)과 제2저항측정판(112)은 막전극 집합체(10)와 저항 측정 장치(110) 사이에 일정압력을 가함으로써, 막전극 집합체의 손상 검사 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면 본원 발명의 다른 실시예에 따른 막전극 집합체의 손상 검사 장치를 도시한 구조도가 도시되어 있다.
도 3 내지 도 5에서 도시된 바와 같이 막전극 집합체의 손상 검사 장치(200)는 막전극 집합체(10)의 일면(11)과 타면(12)에 각각 서로 대향하도록 밀착된 제1저항 측정판(111) 및 제2저항측정판(112)으로 이루어진 저항 측정 장치(110)와, 막전극 집합체(10)를 중심으로 대향하도록, 제1저항 측정판(111) 및 제2저항측정판(112)에 각각 밀착되어 접합된 제1셀체결부(121) 및 제2셀체결부(122)로 이루어진 셀 체결기구(120)를 포함한다. 그리고 막전극 집합체의 손상 검사 장치(200)는 가스막전극 집합체(10)의 일면(11)과 제1저항 측정판(111) 사이에 개재된 제1분리판(231)과 막전극 집합체(10)의 타면(12)과 제2저항측정판(112) 사이에 개재된 제2분리판(232)으로 이루어진 분리판(230)을 더 포함한다. 여기서 저항 측정 장치(110) 및 셀 체결기구(120)는 도 1의 막전극 집합체의 손상 검사 장치(100)와 동일하므로, 이하에서는 분리판(230)을 자세히 설명하고자 한다.
이러한 제1분리판(231)과 제2분리판(232)에는 질소와 수소가 각각 공급 및 배출되기 위한 가스유로가 각각 형성되어 있다.
그리고 이러한 제1분리판(231)으로 가스를 공급하기 위해서, 제1셀체결부(121)에는 가스 공급 및 배출을 위한 매니폴드가 각각 형성되어 있다.
또한 제1저항 측정판(111), 막전극 집합체(10), 제2저항측정판(112) 및 제2셀체결부(122)로 가스가 공급 및 배출되기 위한 유로가 각각 대응되는 위치에 형성되어 있다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이 제1셀체결부(121)의 질소 공급을 위한 매니폴드(121a)를 통해서, 질소가 공급되면 제1저항 측정판(111), 제1분리판(231), 막전극 집합체(10), 제2분리판(232), 제2저항측정판(112) 및 제2셀체결부(122) 순으로 가스를 공급받고, 반대로 제2셀체결부(122)에서 제2저항측정판(112), 제2분리판(232), 막전극 집합체(10), 제1분리판(231) 및 제1저항 측정판(111)을 통해서 제1셀체결부(121)의 질소 배출 매니폴드(121c)로 가스가 배출된다.
여기서 제1셀 체결부(121)에 형성된 가스 공급을 위한 매니폴드는 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 불활성 가스인 질소 공급을 위한 제1 공급 매니폴드(121a)와, 수소 공급을 위한 제2공급 매니폴드(121b)로 이루어진다. 또한 제1셀체결부(121)의 가스 배출 매니폴드는 제1공급 매니폴드(121a)로 공급된 질소를 배출하기 위한 제1배출 매니폴드(121c)와 제2공급 매니폴드(121b)로 공급된 수소를 배출하기 위한 제2배출 매니폴드(121d)로 이루어진다.
또한, 제1셀체결부(121)의 제2공급 매니폴드(121b)로 수소가 공급되면 제1저항 측정판(111), 제1분리판(231), 막전극 집합체(10), 제2분리판(232), 제2저항측정판(112) 및 제2셀체결부(122) 순으로 가스를 공급받고, 반대로 제2셀체결부(122)에서 제2저항측정판(112), 제2분리판(232), 막전극 집합체(10), 제1분리판(231) 및 제1저항 측정판(111)을 통해서 제1셀체결부(121)의 제2배출 매니폴드(121d)로 수소가 배출된다.
이와 같이 막전극 집합체의 손상 검사 장치는 연료 전지 내부의 전기적 반응을 방지하기 위해서, 공기극(양극,Cathode)으로 공급되는 공기 대신에 불활성 가스인 질소를 공급하여, 내부 전기적인 전압 생성을 방지한다. 그리고 이때 외부 전압을 인가하여, 제2공급 매니폴드(121b)를 통해 제2배출 매니폴드(121d)로 배출되는 수소 분자가 프로톤 화되어 막전극 집합체(10)의 백금 촉매와 흡/탈착을 반복할 때 발생되는 수소 크로스오버(Crossover) 전류를 저항 측정 장치(110)를 통해 측정(LSV; Linear Sweep Voltammetry)한다.
그리고 이와 같이 저항 측정 장치(110)의 각 전류 센서(111a)에서 측정된 수소 크로스 오버 전류를 통해서, 막전극 집합체(10)의 국부적 손상 위치를 알 수 있다.
이와 같은 막전극 집합체의 손상 검사 장치(200)는 전압 측정 장치(110)를 통해 막전극 집합체(10)에 발생된 손상 위치를 판단할 수 있으므로, 막전극 집합체(10)의 공정상의 오류발생 원인을 판단하여 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 막전극 집합체의 손상 검사 장치(200)는 셀 체결기구(120)를 통해서 제1저항 측정판(111)과 제2저항측정판(112)은 막전극 집합체(10), 저항 측정 장치(110) 및 분리판(230) 사이에 일정압력을 가함으로써, 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 막전극 집합체의 손상 검사 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100, 200; 막전극 집합체의 손상 검사 장치
110; 저항 측정 장치 120; 셀 체결기구
230; 분리판

Claims (5)

  1. 막전극 집합체의 일면과 타면에 서로 대향하도록 각각 밀착되며, 다수의 전류 센서를 포함하는 제1저항 측정판과 제2저항 측정판으로 이루어진 저항 측정 장치; 및
    상기 막 전극 집합체를 중심으로 서로 대향하도록 상기 제1저항 측정판 및 상기 제2저항 측정판에 각각 밀착되어, 상기 제1저항 측정판, 상기 막 전극 집합체, 및 상기 제2저항 측정판에 체결 압력을 가해 접합시키는 제1셀체결부와 제2셀체결부로 이루어진 셀 체결 기구를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 막전극 집합체의 손상 확인 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저항 측정 장치는
    복수의 전류 센서가 배열되어 있으며, 상기 복수의 전류 센서에서 측정된 각각의 전류 값을 통해서, 상기 막전극 집합체에 발생된 전기적 쇼트가 발생된 위치를 판단하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막전극 집합체의 손상 검사 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 막전극 집합체의 일면과 상기 제1저항 측정판 사이에 개재된 제1분리 판과, 상기 막전극 집합체의 타면과 상기 제2저항 측정판 사이에 개재된 제2분리 판으로 이루어진 분리 판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 집합체의 손상 검사 장치
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1셀체결부, 상기 제1저항 측정판, 상기 제1분리판, 상기 막전극 집합체, 상기 제2분리판, 상기 제2저항 측정판 및 상기 제2셀체결부 순으로 가스가 각각 이동 및 순환될 수 있도록 각 가스의 유로가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 막전극 집합체의 손상 검사 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1셀체결부, 상기 제1저항 측정판, 상기 제1분리판, 상기 막전극 집합체, 상기 제2분리판, 상기 제2저항 측정판 및 상기 제2셀체결부에 형성된 유로는
    질소가스와 수소 가스가 각각 제1셀체결부, 상기 제1저항 측정판, 상기 제1분리판, 상기 막전극 집합체, 상기 제2분리판, 상기 제2저항 측정판 및 상기 제2셀체결부 순으로 공급되고 순환되어 반대 순으로 배출되기 위한 구조로 각각 형성된 것을 특징으로 하는 막전극 집합체의 손상 검사 장치.
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