KR101172309B1 - Crack detection method of metal separator for fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법은, 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 금속 분리판이 위치하는 단위 셀들의 집합체로서 이루어지고, 상기 금속 분리판에 산화극 유로, 환원극 유로 및 냉각 유로를 형성하는 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙을 검출하기 위한 것으로서, (ⅰ)상기 냉각 유로에 일정량의 수소를 주입하는 과정과, (ⅱ)상기 각 단위 셀의 전위차를 검출하는 과정과, (ⅲ)상기 각 단위 셀의 전위차가 기준값을 만족하지 않으면, 해당 단위 셀 금속 분리판의 산화극 유로 및/또는 환원극 유로에 크랙이 발생한 것으로 판단하는 과정을 포함한다.The method of detecting a metal separator crack of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention is performed as a collection of unit cells in which metal separators are positioned on both sides of the membrane-electrode assembly, and are disposed on the metal separator plate. A method for detecting metal cracks in a fuel cell stack forming an anode flow path, a cathode flow path, and a cooling flow path, comprising: (i) injecting a predetermined amount of hydrogen into the cooling flow path; and (ii) each unit cell. Detecting a potential difference between the electrodes and (i) determining that a crack has occurred in the anode flow path and / or the cathode flow path of the unit cell metal separation plate if the potential difference of each unit cell does not satisfy a reference value. do.

Description

연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법 {CRACK DETECTION METHOD OF METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL STACK}CRACK DETECTION METHOD OF METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL STACK}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법에 관한 것으로서, 금속 박판으로 이루어진 분리판의 유로 크랙을 검출할 수 있도록 한 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a metal separator crack detection method of a fuel cell stack, and relates to a metal separator crack detection method of a fuel cell stack capable of detecting flow path cracks of a separator plate made of a thin metal plate. .

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템으로서, 모터 구동을 위한 전동력을 발생시키는 차량에 적용되고 있다. As is known, a fuel cell system is a kind of power generation system that directly converts chemical energy of fuel into electrical energy, and is applied to a vehicle generating electric power for driving a motor.

연료 전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 연료 전지로서의 단위 셀들이 연속적으로 배열된 연료 전지 스택을 구비하고 있다.The fuel cell system includes a fuel cell stack in which unit cells as unit fuel cells, which generate electric energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, are continuously arranged.

여기서, 상기 단위 셀은 가장 안쪽으로 막-전극 어셈블리(MEA)가 위치하는 바, 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.Herein, the unit cell has a membrane-electrode assembly (MEA) positioned inward, and the membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane capable of moving hydrogen ions, and hydrogen and oxygen on both sides of the electrolyte membrane. It consists of a catalyst layer applied to react, i.e. a cathode and an anode.

또한 상기 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥 쪽에는 수소와 산소를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치한다.In addition, a gas diffusion layer (GDL) is positioned outside the membrane-electrode assembly (MEA), that is, the outside where the cathode and the anode are located, and hydrogen and oxygen are supplied to the cathode and the anode outside the gas diffusion layer. A separator plate having a flow field is disposed to discharge water generated by the reaction.

따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물과 열이 생성되는 환원 반응을 한다.Therefore, hydrogen and oxygen are ionized by chemical reactions of the respective catalyst layers, so that hydrogen reacts with hydrogen ions and electrons, and oxygen reacts with hydrogen ions to generate water and heat. Reduction reaction.

즉, 수소가 애노드(Anode, "산화극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통하여 캐소드로 전달된다.That is, hydrogen is supplied to the anode (also called "anode"), and oxygen (air) is supplied to the cathode (also called "reduction electrode"), and hydrogen supplied to the anode is supplied to both sides of the electrolyte membrane. It is decomposed into hydrogen ions (Proton, H +) and electrons (Electron, e-) by the catalyst of the electrode layer, and only hydrogen ions (Proton, H +) are selectively transferred through the electrolyte membrane to the cathode, and at the same time, electrons (Electron , e-) is transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separator, which are conductors.

이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 산소와 만나서 물과 열을 생성하는 반응을 일으킨다.Thus, in the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with the oxygen supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction with water.

한편, 상기에서와 같은 연료 전지 스택의 단위 셀에서 분리판은 상하 측의 금속 박판이 용접 접합되며, 수소와 산소를 공급하기 위한 반응가스 공급 유로들, 및 전기를 발생시키는 과정에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 냉각수 유로가 상하 금속 박판 사이에 형성되어 있다.On the other hand, in the unit cell of the fuel cell stack as described above, the upper and lower metal thin plates are welded and bonded to each other, and the reaction gas supply flow paths for supplying hydrogen and oxygen, and heat generated in the process of generating electricity. A cooling water flow path for cooling is formed between the upper and lower metal thin plates.

그런데, 상기한 바와 같은 연료 전지 스택에 있어 금속 분리판의 각 유로들은 기밀을 유지해야 되는데, 만약 실제 작동 중인 연료 전지 스택에서 각 유로 간의 기밀이 파괴된다면 냉각수에 의해 막-전극 어셈블리의 반응면이 오염되고, 수소와 산소의 연료 손실로 인해 연료 전지의 성능에 치명적인 손상을 주게 된다.However, in the fuel cell stack as described above, each of the flow paths of the metal separator plate must be kept airtight. If the airtight between the flow paths is broken in the fuel cell stack in operation, the reaction surface of the membrane-electrode assembly is cooled by the coolant. Pollution and fuel loss of hydrogen and oxygen can seriously damage fuel cell performance.

이를 위해 당 업계에서는 연료 전지의 성능 극대화를 위해 초정밀 성형 기술 및 엄격한 공정 관리, 예컨대 다단 성형 공법, 금속 소재 후처리, 고사양의 성형 프레스 적용, 클린 룸(clean room) 도입 등을 통해 금속 분리판의 성형성 불량을 줄이는데 노력하고 있다.To this end, the industry uses ultra-precise molding technology and strict process control to maximize fuel cell performance, such as multi-stage molding, post-treatment of metals, application of high-end molding presses, and introduction of clean rooms. Efforts are being made to reduce moldability defects.

하지만, 상기와 같은 높은 수준의 성형 기술 및 공정 관리가 적용된다 하더라도 연료 전지 차량에 투입되는 연료 전지 스택의 금속 분리판 수가 수백장에 이르기 때문에, 연료 전지 차량 양산 단계에서는 일정 비율 이상의 성형성 불량이 필연적이며, 이를 전수 검사를 통해 검출하는 것은 과도한 공정 비용 및 작업 시간을 요구하여 결과적으로는 금속 분리판의 원가 상승을 야기시킨다는 문제점을 내포하고 있다.However, even if the above-described high level molding technology and process control are applied, since the number of metal separator plates of the fuel cell stacks put into the fuel cell vehicle reaches several hundred sheets, moldability defects of a certain ratio or more are inevitable in the fuel cell vehicle mass production stage. Detecting this through a total inspection involves an excessive process cost and working time, which in turn causes a cost increase of the metal separator plate.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 공정 비용 및 작업 시간을 최소화하면서 단위 셀들 금속 분리판의 크랙을 간편하고 정확하게 검출할 수 있도록 한 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention have been created to remedy the above-mentioned problems, and allow the separation of metals in a fuel cell stack to enable simple and accurate detection of cracks in unit cell metal separator plates, while minimizing process costs and operating time. Provided is a plate crack detection method.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법은, 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 금속 분리판이 위치하는 단위 셀들의 집합체로서 이루어지고, 상기 금속 분리판에 산화극 유로, 환원극 유로 및 냉각 유로를 형성하는 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙을 검출하기 위한 것으로서, (ⅰ)상기 냉각 유로에 일정량의 수소를 주입하는 과정과, (ⅱ)상기 각 단위 셀의 전위차를 검출하는 과정과, (ⅲ)상기 각 단위 셀의 전위차가 기준값을 만족하지 않으면, 해당 단위 셀 금속 분리판의 산화극 유로 및/또는 환원극 유로에 크랙이 발생한 것으로 판단하는 과정을 포함한다.To this end, the method for detecting a metal separator crack of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention is performed as an aggregate of unit cells in which metal separators are positioned on both sides of the membrane-electrode assembly, and the metal separation is performed. A method for detecting cracks in a metal separator of a fuel cell stack forming an anode flow path, a cathode flow path, and a cooling flow path in a plate, comprising: (i) injecting a predetermined amount of hydrogen into the cooling flow path; Detecting the potential difference between the unit cells; and (i) determining that a crack has occurred in the anode flow path and / or the cathode flow path of the unit cell metal separation plate when the potential difference between the unit cells does not satisfy the reference value. It includes.

상기 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법은, 상기 연료 전지 스택의 제작 과정에서, 상기 단위 셀들을 적층하고 가압하여 상기 단위 셀들의 기밀 평가를 실시하고, 상기 단위 셀들의 기밀이 파괴된 것으로 판단되면, 상기 (ⅰ)(ⅱ)(ⅲ)과정을 수행할 수 있다.In the method of detecting a metal separator plate of the fuel cell stack, in the manufacturing process of the fuel cell stack, the unit cells are stacked and pressurized to perform airtight evaluation of the unit cells, and the airtightness of the unit cells is determined to be destroyed. In this case, the process (iii) (ii) (iii) may be performed.

상기 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법은, 상기 (ⅲ)과정에서, 상기 (+)전위차가 기준값 이상이면, 상기 금속 분리판의 산화극 유로에 크랙이 발생한 것으로 판단할 수 있다.In the method of detecting a metal separator plate of the fuel cell stack, when the positive potential difference is greater than or equal to a reference value in the step (i), it may be determined that a crack has occurred in the oxidation channel of the metal separator plate.

상기 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법은, 상기 (-)전위차가 기준값 이하이면, 상기 금속 분리판의 환원극 유로에 크랙이 발생한 것으로 판단할 수 있다.In the method of detecting a crack in a metal separator plate of the fuel cell stack, when the (−) potential difference is less than or equal to a reference value, it may be determined that a crack has occurred in the cathode electrode flow path of the metal separator plate.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 각 단위 셀의 반응 촉매에 의해 이온화 가능한 반응 가스를 냉각수 유로에 주입하고, 단위 셀들의 전위차를 측정하여 산화극 유로 및 환원극 유로와 냉각수 유로 간의 기밀이 파괴된 해당 단위 셀의 위치를 정확히 검출하고, 손쉽게 제거할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, the reaction gas that is ionizable by the reaction catalyst of each unit cell is injected into the cooling water flow path, and the potential difference between the unit cells is measured to measure the anode flow path, the reduction electrode flow path, and the cooling water flow path. The position of the unit cell in which airtightness of the liver is destroyed can be accurately detected and easily removed.

따라서, 본 실시예에서는 금속 분리판의 성형 기술 수준을 동종 업계의 일반적 수준으로 유지하여 생산 비용을 최소화하면서 일정 비율로 발생되는 금속 분리판의 크랙을 연료 전지 스택의 제작 과정에서 최소한의 비용과 시간으로 간편하게 검출할 수 있다.Therefore, in this embodiment, the molding technology of the metal separator is maintained at the general level of the same industry to minimize the production cost, while minimizing the production cost, the crack of the metal separator generated at a certain rate is minimized in the manufacturing process of the fuel cell stack. Can be detected easily.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법을 설명하기 위한 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙을 검출하기 위한 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법을 설명하기 위해 금속 분리판에 크랙이 발생한 예를 도시한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a view schematically illustrating a fuel cell stack for explaining a method of detecting a metal separator crack of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of equipment for detecting metal separator cracks in a fuel cell stack in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a flow chart illustrating a method of detecting a metal separator crack of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.
4A and 4B are views illustrating an example in which a crack occurs in a metal separator plate to explain a method of detecting a metal separator plate crack in a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings, and is shown by enlarging the thickness in order to clearly express various parts and regions. It was.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법을 설명하기 위한 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically illustrating a fuel cell stack for explaining a method of detecting a metal separator crack of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법은 다수 개의 단위 셀들(11)이 연속적으로 배열된 연료 전지 스택(10)에서 기밀이 파괴된 단위 셀들(11)을 검출하기 위한 것이다.Referring to the drawings, a method of detecting a metal separator crack of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention includes unit cells whose airtight is destroyed in a fuel cell stack 10 in which a plurality of unit cells 11 are continuously arranged. It is for detecting (11).

여기서, 상기 각 단위 셀(11)은 연료와 산화제 반응가스의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비되며, 이러한 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 예로 들 수 있다.Here, each unit cell 11 is provided as a fuel cell of a unit for generating electrical energy through the electrochemical reaction of the fuel and the oxidant reactant gas, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) ).

상기에서, 단위 셀(11)은 막-전극 어셈블리(13)를 사이에 두고 이의 양측에 금속 분리판(20)을 밀착되게 배치하여 이루어지는 바, 막-전극 어셈블리(13)는 일면에 애노드 전극층을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극층을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.In the above, the unit cell 11 is formed by placing the metal separation plate 20 in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly 13, and the membrane-electrode assembly 13 has an anode electrode layer on one surface thereof. And a cathode electrode layer on the other surface, and an electrolyte membrane between these two electrodes.

상기 금속 분리판(20)은 막-전극 어셈블리(13)로 연료와 산화제의 반응 가스를 공급하기 위한 것으로서, 당 업계에서는 통상적으로 "바이폴라 플레이트" 또는 "세퍼레이터" 라고도 한다.The metal separator 20 is for supplying a reaction gas of fuel and oxidant to the membrane-electrode assembly 13, and is commonly referred to in the art as a "bipolar plate" or "separator".

상기 금속 분리판(20)은 금속 박판을 스템핑 등의 성형 공법으로 성형 가공하여 막-전극 어셈블리(13)로 연료와 산화제의 반응 가스를 공급하기 위한 유로를 형성하고 있다.The metal separation plate 20 is formed by forming a thin metal plate by a molding method such as stamping to form a flow path for supplying a reaction gas of fuel and an oxidant to the membrane-electrode assembly 13.

그리고, 상기 금속 분리판(20)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 발생하는 열을 냉각시킬 수 있도록 냉각수를 유동시키기 위한 유로를 형성하고 있다.In addition, the metal separation plate 20 forms a flow path for flowing the cooling water to cool the heat generated by the electrochemical reaction between the fuel and the oxidant.

구체적으로, 상기 금속 분리판(20)은 상하 측의 금속 박판이 용접 접합되면서 상기한 유로들을 형성하는 바, 상측의 금속 박판에는 채널 형태의 산화극 유로(21)를 형성하고, 하측의 금속 박판에는 채널 형태의 환원극 유로(23)를 형성하고 있다.Specifically, the metal separation plate 20 forms the above-described flow paths while the upper and lower metal thin plates are welded and joined, and the upper metal thin plate forms an anode channel 21 in the form of a channel and the lower metal thin plate. In the channel, a cathode electrode channel 23 in the form of a channel is formed.

또한, 상기 상하 측의 금속 박판 사이에는 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 유로(25)를 형성하고 있다.Further, a cooling water flow path 25 for flowing cooling water is formed between the upper and lower metal thin plates.

따라서, 상기와 같은 금속 분리판(20) 사이에 막-전극 어셈블리(13)를 배치하여 하나의 단위 셀(11)을 형성하고, 이러한 단위 셀들(11)을 연속적으로 적층함으로써 단위 셀들(11)의 전기 발생 집합체인 연료 전지 스택(10)을 구성할 수 있다.Therefore, the unit cells 11 are formed by disposing the membrane-electrode assembly 13 between the metal separation plates 20 as described above, and sequentially stacking the unit cells 11. It is possible to configure the fuel cell stack 10 which is the electricity generating assembly of.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법은 연료 전지 스택(10)의 제작 단계에서, 금속 분리판(20)의 산화극 유로(21) 및/또는 환원극 유로(23)에 크랙이 발생된 해당 단위 셀(11)을 검출하기 위한 것이다.In the method of detecting the metal separator plate of the fuel cell stack according to the present exemplary embodiment, the anode flow passage 21 and / or the cathode flow passage 23 of the metal separator 20 may be formed in the manufacturing step of the fuel cell stack 10. This is for detecting the unit cell 11 in which the crack has occurred.

이를 위해서 본 실시예에서는 다음과 같은 검출 장비를 필요로 하는데, 이와 같은 검출 장비로는 도 2에서와 같이, 단위 셀들(11)이 적층된 연료 전지 스택(10)을 가압하는 가압유닛(31)과, 그 가압된 단위 셀들(11)의 냉각수 유로(25)로 수소 가스를 주입하기 위한 수소 주입유닛(33)과, 각 단위 셀(11)의 전압을 측정하기 위한 전압 측정유닛(35)으로 구성될 수 있다.To this end, the present embodiment requires the following detection equipment, and as such detection equipment, a pressurizing unit 31 for pressing the fuel cell stack 10 in which the unit cells 11 are stacked as shown in FIG. 2. And a hydrogen injection unit 33 for injecting hydrogen gas into the cooling water flow path 25 of the pressurized unit cells 11 and a voltage measuring unit 35 for measuring the voltage of each unit cell 11. Can be configured.

여기서, 상기 수소 주입유닛(33)은 단위 셀들(11)이 적층된 상태에서 금속 분리판(20)의 냉각수 유로(25)로 수소를 일정 압력으로 가압 공급하기 위한 것으로서, 수소 공급부(도면에 도시되지 않음)로부터 공급되는 수소 가스를 냉각수 유로(25)로 주입할 수 있는 수소 공급라인(34a) 및 개폐 밸브(34b)를 포함할 수 있다.Here, the hydrogen injection unit 33 is for supplying hydrogen at a predetermined pressure to the cooling water flow path 25 of the metal separation plate 20 in a state in which the unit cells 11 are stacked, and a hydrogen supply unit (shown in the drawing). And a hydrogen supply line 34a and an open / close valve 34b capable of injecting hydrogen gas supplied from the cooling water flow path 25.

그리고, 상기 전압 측정유닛(35)은 금속 분리판(20)의 크랙 검출 전 과정을 제어할 수 있는 제어기(도면에 도시되지 않음)와 연결되며, 각 단위 셀(11)의 전압 측정값을 제어기로 출력할 수 있다.In addition, the voltage measuring unit 35 is connected to a controller (not shown) capable of controlling the entire crack detection process of the metal separator 20, and controls the voltage measurement value of each unit cell 11. Can be printed as

이하, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법을 앞서 개시한 도면들 및 하기의 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of detecting a metal separator crack of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the above-described drawings and the following drawings.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.3 is a flow chart illustrating a method of detecting a metal separator crack of a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.

우선, 본 실시예에서는 연료 전지 스택(10)의 제작 과정에서, 다수 개의 단위 셀들(11)을 적층하고(S11 단계), 가압유닛(31)을 통해 단위 셀들(11)을 가압한다(S12 단계).First, in the present embodiment, in the manufacturing process of the fuel cell stack 10, a plurality of unit cells 11 are stacked (step S11), and the unit cells 11 are pressed through the pressing unit 31 (step S12). ).

다음, 상기와 같이 적층 가압된 단위 셀들(11)에 대하여 기밀 평가를 실시하는데(S13 단계), 이와 같은 기밀 평가는 통상적으로 널리 알려진 기밀 평가 방식으로 이루어질 수 있다.Next, the airtight evaluation is performed on the unit cells 11 stacked and pressurized as described above (step S13). Such airtight evaluation may be generally performed by a well-known airtight evaluation method.

그리고 나서, 제어기를 통해 금속 분리판(20)의 각 유로(21, 23, 25) 간 기밀이 파괴되지 않은 것으로 판단되면(S14 단계), 본 실시예에서는 단위 셀들(11)을 체결하여 단위 셀들(11)의 전기 발생 집합체인 연료 전지 스택(10)을 제작한다(S15 단계).Then, if it is determined that the airtight between the flow paths 21, 23, and 25 of the metal separation plate 20 is not destroyed through the controller (step S14), in this embodiment, the unit cells 11 are fastened to unit cells. The fuel cell stack 10 which is the electricity generating assembly of (11) is produced (step S15).

한편, 상기 S14 단계에서 제어기를 통해 금속 분리판(20)의 각 유로(21, 23, 25) 간 기밀이 파괴었다고 판단되는 경우, 본 실시예에서는 가압유닛(31)에 의해 가압된 단위 셀들(11)에 있어 수소 주입유닛(33)을 통해 금속 분리판(20)의 냉각수 유로(25)로 수소 가스를 일정 압력으로 가압/주입한다(S21 단계).On the other hand, when it is determined that the airtight between each of the flow paths 21, 23, 25 of the metal separation plate 20 through the controller in step S14, the unit cells pressed by the pressing unit 31 in the present embodiment ( In 11), the hydrogen gas is pressurized / injected at a predetermined pressure into the cooling water flow path 25 of the metal separation plate 20 through the hydrogen injection unit 33 (step S21).

이어서, 본 실시예에서는 전압 측정유닛(35)을 통해 단위 셀들(11)의 전위차를 검출한다(S22 단계). 이 경우, 상기 각 단위 셀(11)의 전위차는 제어기에 의해 별도의 디스플레이장치(도면에 도시되지 않음)로 디스플레이될 수 있다.Subsequently, in this embodiment, the potential difference between the unit cells 11 is detected through the voltage measuring unit 35 (step S22). In this case, the potential difference of each unit cell 11 may be displayed by a controller on a separate display device (not shown).

다음으로, 상기 전압 측정유닛(35)에 의해 측정된 전위차에 따라 단위 셀들(11) 중에서 금속 분리판(20)의 산화극 유로(21) 및/또는 환원극 유로(23)에 크랙이 발생된 단위 셀(11)을 검출해 낼 수 있다.Next, cracks are generated in the anode flow path 21 and / or the cathode flow path 23 of the metal separation plate 20 among the unit cells 11 according to the potential difference measured by the voltage measuring unit 35. The unit cell 11 can be detected.

예를 들어, 도 4a에서와 같이 다수의 단위 셀들(11) 중 적어도 어느 하나의 단위 셀(11)에 있어 금속 분리판(20)의 산화극 유로(21)에 크랙이 발생한 경우, 냉각수 유로(25)로 주입된 수소 가스는 산화극 유로(21)의 크랙 부위를 통해 그 산화극 유로(21)에 대응하는 막-전극 어셈블리(13)의 촉매층으로 공급된다.For example, when a crack occurs in the anode flow path 21 of the metal separation plate 20 in at least one of the plurality of unit cells 11, as shown in FIG. 4A, the cooling water flow path ( The hydrogen gas injected into 25 is supplied to the catalyst layer of the membrane-electrode assembly 13 corresponding to the anode flow passage 21 through the crack portion of the anode flow passage 21.

그러면, 해당 단위 셀(11)의 상기 촉매층에서는 수소가 프로톤과 전자로 이온화되면서 양(+) 전위가 형성되는 바, 전압 측정유닛(35)은 이에 상응하는 전위차를 검출하게 된다(S22 단계).Then, in the catalyst layer of the unit cell 11, since a positive potential is formed as hydrogen is ionized with protons and electrons, the voltage measuring unit 35 detects a corresponding potential difference (step S22).

이에, 제어기는 전압 측정유닛(35)을 통해 측정된 (+)전위차의 값과 기준 전위차 값, 예를 들면 (+)0.1V를 비교하여 그 측정 전위차 값이 기준 전위차 값을 만족하는지 판단한다(S23 단계).Accordingly, the controller compares the value of the positive potential difference measured by the voltage measuring unit 35 with the reference potential difference value, for example, (+) 0.1V, and determines whether the measured potential difference value satisfies the reference potential difference value ( Step S23).

예를 들어, 상기 측정 전위차 값이 기준 전위차 값 이상이면, 제어기는 해당 단위 셀(11)의 금속 분리판(20) 산화극 유로(21)에 크랙이 발생한 것으로 판단한다. 이러한 금속 분리판(20)의 크랙 검출 결과는 위에서 언급한 바 있는 디스플레이장치(도면에 도시되지 않음)로 디스플레이될 수 있다.For example, when the measured potential difference value is greater than or equal to the reference potential difference value, the controller determines that a crack has occurred in the anode flow path 21 of the metal separator plate 20 of the unit cell 11. The crack detection result of the metal separator 20 may be displayed by the display device (not shown) as mentioned above.

따라서, 상기와 같이 해당 단위 셀(11)의 금속 분리판(20) 산화극 유로(21)에 크랙이 발생한 것으로 판단되면, 작업자는 해당 단위 셀(11)을 교체하고(S24 단계), 상기한 바와 같은 S21 단계를 반복한다.Therefore, when it is determined that a crack has occurred in the anode channel 21 of the metal separator plate 20 of the unit cell 11 as described above, the worker replaces the unit cell 11 (step S24), and Repeat step S21 as described above.

만약, 상기 23단계에서 해당 단위 셀(11)의 측정 전위차 값이 기준 전위차 값 이하이면, 제어기는 측정 전위차 값이 기준 전위차 값을 만족하는 것으로 판단한다.If the measured potential difference value of the corresponding unit cell 11 is less than or equal to the reference potential difference value in step 23, the controller determines that the measured potential difference value satisfies the reference potential difference value.

그러면, 상기 S15단계에서와 같이 단위 셀들(11)을 체결하여 단위 셀들(11)의 전기 발생 집합체인 연료 전지 스택(10)을 제작한다.Then, as in the step S15, the unit cells 11 are fastened to produce the fuel cell stack 10 which is an electricity generating assembly of the unit cells 11.

한편, 도 4b에서와 같이 다수의 단위 셀들(11) 중 적어도 어느 하나의 단위 셀(11)에 있어 금속 분리판(20)의 환원극 유로(23)에 크랙이 발생한 경우, 냉각수 유로(25)로 주입된 수소 가스는 환원극 유로(23)의 크랙 부위를 통해 그 환원극 유로(23)에 대응하는 막-전극 어셈블리(13)의 촉매층으로 공급된다.Meanwhile, as shown in FIG. 4B, when a crack occurs in the cathode electrode channel 23 of the metal separation plate 20 in the at least one unit cell 11 of the plurality of unit cells 11, the cooling water channel 25 is formed. The injected hydrogen gas is supplied to the catalyst layer of the membrane-electrode assembly 13 corresponding to the cathode flow path 23 through the crack portion of the cathode flow path 23.

그러면, 해당 단위 셀(11)의 상기 촉매층에서는 수소가 프로톤과 전자로 이온화되면서 음(-) 전위가 형성되는 바, 전압 측정유닛(35)은 이에 상응하는 전위차를 검출하게 된다(S22 단계).Then, in the catalyst layer of the unit cell 11, since a negative potential is formed as hydrogen is ionized with protons and electrons, the voltage measuring unit 35 detects a corresponding potential difference (step S22).

이에, 제어기는 전압 측정유닛(35)을 통해 측정된 (-)전위차 값과 기준 전위차 값, 예를 들면 (-)0.1V를 비교하여 그 측정 전위차 값이 기준 전위차 값을 만족하는지 판단한다(S23 단계).Accordingly, the controller compares the (-) potential difference value measured by the voltage measuring unit 35 with a reference potential difference value, for example, (-) 0.1V, and determines whether the measured potential difference value satisfies the reference potential difference value (S23). step).

예를 들어, 상기 측정 전위차 값이 기준 전위차 값 이하이면, 제어기는 해당 단위 셀(11)의 금속 분리판(20)의 환원극 유로(23)에 크랙이 발생한 것으로 판단한다. 이러한 금속 분리판(20)의 크랙 검출 결과는 위에서 언급한 바 있는 디스플레이장치(도면에 도시되지 않음)를 통해 디스플레이될 수 있다.For example, when the measured potential difference value is equal to or less than the reference potential difference value, the controller determines that a crack has occurred in the cathode electrode channel 23 of the metal separation plate 20 of the unit cell 11. The crack detection result of the metal separator 20 may be displayed through the display device (not shown) as mentioned above.

따라서, 상기와 같이 해당 단위 셀(11)의 금속 분리판(20)의 환원극 유로(23)에 크랙이 발생한 것으로 판단되면, 작업자는 해당 단위 셀(11)을 교체하고(S24 단계), 상기한 바와 같은 S21 단계를 반복한다.Therefore, when it is determined that a crack has occurred in the cathode electrode flow path 23 of the metal separation plate 20 of the unit cell 11 as described above, the worker replaces the unit cell 11 (step S24), and Repeat step S21 as described.

만약, 상기 23단계에서 해당 단위 셀(11)의 측정 전위차 값이 기준 전위차 값 이상이면, 제어기는 측정 전위차 값이 기준 전위차 값을 만족하는 것으로 판단한다.If the measured potential difference value of the corresponding unit cell 11 is equal to or greater than the reference potential difference value in step 23, the controller determines that the measured potential difference value satisfies the reference potential difference value.

그러면, 본 실시예에서는 상기 S15단계에서와 같이 단위 셀들(11)을 체결하여 그 단위 셀들(11)의 전기 발생 집합체인 연료 전지 스택(10)을 제작한다.Then, in the present embodiment, as in step S15, the unit cells 11 are fastened to produce the fuel cell stack 10 that is the electricity generating assembly of the unit cells 11.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법에 의하면, 각 단위 셀(11)의 반응 촉매에 의해 이온화 가능한 반응 가스를 냉각수 유로(25)에 주입하고, 단위 셀(11)의 전위차를 측정하여 산화극 유로(21) 및 환원극 유로(23)와 냉각수 유로(25) 간의 기밀이 파괴된 해당 단위 셀(11)의 위치를 정확히 검출하고, 손쉽게 제거할 수 있다.As described above, according to the method of detecting cracks in the metal separator plate of the fuel cell stack according to the exemplary embodiment of the present invention, the reaction gas that is ionizable by the reaction catalyst of each unit cell 11 may be transferred to the cooling water flow path 25. Injecting and measuring the potential difference of the unit cell 11 to accurately detect the position of the unit cell 11 whose airtightness between the anode channel 21 and the cathode channel 23 and the cooling water channel 25 is destroyed; Easy to remove

따라서, 본 실시예에서는 금속 분리판(20)의 성형 기술 수준을 동종 업계의 일반적 수준으로 유지하여 생산 비용을 최소화하면서 일정 비율로 발생되는 금속 분리판(20)의 크랙을 연료 전지 스택의 제작 과정에서 최소한의 비용과 시간으로 간편하게 검출할 수 있다.Therefore, in the present embodiment, the manufacturing process of the fuel cell stack is maintained in the cracks of the metal separator 20 generated at a constant rate while minimizing the production cost by maintaining the molding technology level of the metal separator 20 at the general level of the same industry. This can be detected easily at minimal cost and time.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

10... 연료 전지 스택 11... 단위 셀
13... 막-전극 어셈블리 20... 금속 분리판
21... 산화극 유로 23... 환원극 유로
25... 냉각수 유로 31... 가압유닛
33... 수소 주입유닛 35... 전압 측정유닛10 ... fuel cell stack 11 ... unit cell
13 ... membrane-electrode assembly 20 ... metal separator
21 ... anode flow path 23 ... cathode flow path
25 ... Coolant flow path 31 ... Pressure unit
33 ... Hydrogen injection unit 35 ... Voltage measuring unit

Claims (4)

막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 금속 분리판이 위치하는 단위 셀들의 집합체로서 이루어지고, 상기 금속 분리판에 산화극 유로, 환원극 유로 및 냉각 유로를 형성하는 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법으로서,
(ⅰ)상기 냉각 유로에 일정량의 수소를 주입하는 과정;
(ⅱ)상기 각 단위 셀의 전위차를 검출하는 과정; 및
(ⅲ)상기 각 단위 셀의 전위차가 기준값을 만족하지 않으면, 해당 단위 셀 금속 분리판의 산화극 유로 및/또는 환원극 유로에 크랙이 발생한 것으로 판단하는 과정
을 포함하는 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법.A metal separator crack of a fuel cell stack, formed as a collection of unit cells in which a metal separator is disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and forming an anode channel, a cathode channel, and a cooling channel in the metal separator. As a detection method,
(Iv) injecting a predetermined amount of hydrogen into the cooling passage;
(Ii) detecting the potential difference of each unit cell; And
(Iii) if the potential difference between the unit cells does not satisfy the reference value, determining that a crack has occurred in the anode flow path and / or the cathode flow path of the unit cell metal separation plate.
Metal separator crack detection method of a fuel cell stack comprising a. 제1 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택의 제작 과정에서,
상기 단위 셀들을 적층하고 가압하여 상기 단위 셀들의 기밀 평가를 실시하고,
상기 단위 셀들의 기밀이 파괴된 것으로 판단되면, 상기 (ⅰ)(ⅱ)(ⅲ)과정을 수행하는 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법.The method according to claim 1,
In the manufacturing process of the fuel cell stack,
Stacking and pressing the unit cells to conduct airtight evaluation of the unit cells,
If it is determined that the airtightness of the unit cells is broken, the process of (i) (ii) (iii) is performed. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 (ⅲ)과정에서,
상기 (+)전위차가 기준값 이상이면, 상기 금속 분리판의 산화극 유로에 크랙이 발생한 것으로 판단하는 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법.The method according to claim 1 or 2,
In the above (iv) process,
And if the (+) potential difference is equal to or greater than a reference value, it is determined that a crack has occurred in the anode flow path of the metal separator plate. 제3 항에 있어서,
상기 (ⅲ)과정에서,
상기 (-)전위차가 기준값 이하이면, 상기 금속 분리판의 환원극 유로에 크랙이 발생한 것으로 판단하는 연료 전지 스택의 금속 분리판 크랙 검출 방법.The method of claim 3,
In the above (iv) process,
And if the (-) potential difference is equal to or less than a reference value, it is determined that a crack has occurred in the cathode electrode flow path of the metal separation plate.
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