KR101860201B1 - 연료 전지 스택 리크 테스트 장치 및 방법 - Google Patents

연료 전지 스택 리크 테스트 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

실시 예에 따르면 연료 전지 스택 리크 테스트 장치는, 측정 대상 연료 전지 스택에 공급하기 위한 기체를 저장하는 기체 탱크; 상기 기체 탱크로부터 상기 측정 대상 연료 전지 스택으로 공급되는 기체를 가열하기 위한 가열기; 상기 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포를 촬영하기 위한 열화상 카메라; 및 상기 열화상 카메라에서 촬영된 열 분포 이미지를 기반으로 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 리크(leak)가 발생되는지 여부에 관한 정보를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 스택 리크 테스트 장치 및 방법{A LEAK TEST APPARATUS AND A LEAK TEST MOTHOD FOR A FUEL CELL STACK}
아래의 설명은 연료 전지 스택 리크 테스트 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시킬 수 있다. 연료 전지는 수소와 산소를 결합시킬 때 발생되는 에너지를 전기 형태로 바꿀 수 있다. 연료 전지는 전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극봉을 포함하고, 공기 중의 산소가 한 전극을 지나고 수소가 다른 전극을 지날 때 전기화학 반응을 통해 전기와 물, 열을 생성할 수 있다.
연료 전지는, 화학반응에 필요한 수소 등의 유체를 통과시키기 위한 복수 개의 유로를 포함할 수 있다. 예를 들어 공개특허 제 10-2015-0057380호는 복수 개의 유로를 포함하는 연료 전지를 개시한다.
연료 전지에 균열이 발생되면, 연료전지 내부의 유로에 흐르는 각각의 유체들 사이에서 서로 혼입(cross leakage)이 발생되거나, 연료전지 내부의 유로에 흐르는 유체가 외부로 누출되는 현상이 발생될 수 있다. 위와 같은 현상을 통칭하여 리크(leak)라고 할 수 있다. 위와 같이 리크가 발생되면, 연료전지의 효율을 급격하게 저하시키고, 유체의 누출에 따른 안전 사고의 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, 종래에는 연료전지에 리크가 발생되는지 여부를 검출하기 위하여, 가스 점검액을 외부에 뿌리고, 기포가 발생되는지 여부를 확인하여 일일이 검출하였다. 그러나 이러한 작업은 몹시 번거롭고, 가스 점검액에 따른 오염을 유발시킬 수 있으며, 발생되는 기포에 의하여 시야가 방해되어 리크 발생 위치를 정확하게 감지하는 것도 어려웠다. 또한, 기존의 방법은 외부 누출을 검출하는 데에만 적용 가능하다는 한계가 있어 왔다.
실시 예의 목적은 연료 전지 스택의 리크를 편리하고 정확하게 검출할 수 있는 연료 전지 스택 리크 테스트 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
실시 예에 따르면 연료 전지 스택 리크 테스트 장치는, 측정 대상 연료 전지 스택에 공급하기 위한 기체를 저장하는 기체 탱크; 상기 기체 탱크로부터 상기 측정 대상 연료 전지 스택으로 공급되는 기체를 가열하기 위한 가열기; 상기 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포를 촬영하기 위한 열화상 카메라; 및 상기 열화상 카메라에서 촬영된 열 분포 이미지를 기반으로 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 리크(leak)가 발생되는지 여부에 관한 정보를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 장치는, 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 구비된 복수 개의 주입 포트에 연결되는 유입 밸브; 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 구비된 복수 개의 토출 포트에 연결되는 토출 밸브; 및 상기 유입 밸브 및 토출 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 유입 밸브는, 상기 복수 개의 주입 포트를 각각 개방 또는 차단할 수 있는 복수 개의 유입 서브 밸브를 포함하고, 상기 토출 밸브는, 상기 복수 개의 토출 포트를 각각 개방 또는 차단할 수 있는 복수 개의 토출 서브 밸브를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 장치는, 상기 가열기의 토출단 및 상기 유입 밸브를 연결하는 가열 유로; 상기 가열 유로 상에 구비되며, 상기 기체의 흐름 방향을 전환할 수 있는 삼방 밸브(3-way valve); 및 상기 삼방 밸브 및 상기 가열기의 유입단을 연결하는 재가열 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 장치는, 상기 가열 유로를 따라 흐르는 기체의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 온도 센서에서 감지된 온도가 설정 온도 이상이면, 상기 삼방 밸브를 제어하여, 상기 유입 밸브 및 상기 가열기의 토출단을 연통시키고, 상기 온도 센서에서 감지된 온도가 설정 온도 미만이면, 상기 삼방 밸브를 제어하여, 상기 가열기의 토출단 및 상기 가열기의 유입단을 연통시킬 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 장치는, 상기 유입 밸브로 유입되는 기체의 압력을 측정하기 위한 유입 압력 센서; 및 상기 토출 밸브로부터 토출되는 기체의 압력을 측정하기 위한 토출 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 기체 탱크에 저장되는 기체는 비활성 기체일 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 장치는, 상기 측정 대상 연료 전지 스택을 지지하며 회전 가능한 측정 선반을 더 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 장치는, 상기 열화상 카메라를 지지하며 이동 가능한 카메라 마운트를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면 연료 전지 스택 리크 테스트 방법은, 기체를 가열하는 단계; 가열된 기체를 측정 대상 연료 전지 스택의 내부에 형성된 복수 개의 유로 중 적어도 하나 이상의 유로에 공급하는 단계; 상기 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포를 촬영하는 단계; 및 상기 촬영된 열 분포 이미지를 기반으로 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 리크(leak)가 발생되는지 여부에 관한 정보를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 방법은, 상기 측정 대상 연료 전지 스택으로 공급되는 기체의 온도를 감지하는 단계; 상기 감지된 온도가 설정 온도 이상인지 여부를 결정하는 단계; 및 상기 감지된 온도가 설정 온도 미만이면, 상기 감지된 온도가 설정 온도 이상이 될 때까지 상기 기체를 바이패스(bypass)시켜 재가열 시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 방법은, 상기 측정 대상 연료 전지 스택으로 공급되는 기체의 유입 압력 및 토출 압력을 측정하는 단계; 및 상기 유입 압력 및 토출 압력의 압력 차가 설정 압력 이상인지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 열 분포를 촬영하는 단계는, 상기 압력 차가 설정 압력 이상일 때만 수행될 수 있다.
상기 연료 전지 스택 리크 테스트 방법은, 상기 측정 대상 연료 전지 스택을 지지하는 측정 선반을 회전시키는 단계 또는 상기 열화상 카메라를 지지하는 카메라 마운트를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 의하면, 연료 전지 스택의 외부 누출 또는 혼입 등의 리크(leak)를 보다 편리하고 정확하게 측정할 수 있다. 구체적으로, 열화상 카메라를 사용하여 이를 가시화된 결과로 인식할 수 있으므로, 리크가 발생되는 위치를 빠르고 정확하게 알아낼 수 있다.
또한, 질소 등의 비활성 기체를 활용하여 시험하므로, 측정 대상 연료 전지 스택이 오염되는 것을 방지하고, 시험 후 별도의 세척 과정이 필요 없다는 장점을 갖는다.
또한, 필요에 따라서, 열화상 카메라 시험 방법과, 압력차를 이용한 시험 방법을 병행함으로써, 대량의 연료 전지 스택에 대하여 비교적 신속하고도 정확하게 시험을 수행할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 실시 예에 따른 측정 대상 연료 전지 스택을 나타내는 사시도이다.
도 2는 실시 예에 따른 단위 셀을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 실시 예에 따른 연료 전지 스택 리크 테스트 장치를 나타내는 구성도이다.
도 4는 실시 예에 따른 연료 전지 스택 리크 테스트 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5는 실시 예에 따른 연료 전지 스택 리크 테스트 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 측정 대상 연료 전지 스택을 나타내는 사시도이고, 도 2는 실시 예에 따른 단위 셀을 나타내는 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 측정 대상 연료 전지 스택(1)은, 복수 개의 셀(C)과, 복수 개의 셀(C)의 양 단부에 각각 배치되고 복수 개의 셀(C)을 가압하기 위한 2개의 엔드 플레이트(E)와, 2개의 엔드 플레이트(E)를 체결하기 위한 체결 바(B)를 포함할 수 있다. 측정 대상 연료 전지 스택(1)은, 외부의 공급원으로부터 복수 개의 셀에 각각 주입되는 유체들을 안내하기 위한 주입 포트(11)와, 복수 개의 셀로부터 각각 토출되는 유체들을 외부로 배출하기 위한 토출 포트(12)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 주입 포트(11)는, 공기를 주입하기 위한 공기 주입 포트(11a), 냉각수를 주입하기 위한 냉각수 주입 포트(11w) 및 수소를 주입하기 위한 수소 주입 포트(11h)를 포함할 수 있다. 토출 포트(12)는, 공기를 토출하기 위한 공기 토출 포트(12a), 냉각수를 토출하기 위한 냉각수 토출 포트(12w) 및 수소를 토출하기 위한 수소 토출 포트(12h)를 포함할 수 있다.
하나의 단위 셀(C)은, 제 1 분리판(P1), 제 2 분리판(P2), 개스킷(G) 및 막 전극 접합체(M)를 포함할 수 있다. 제 1 분리판(P1)은, 내부에 형성되는 복수 개의 유로를 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 유로는, 예를 들어, 공기 유로(1a), 냉각수 유로(1b) 및 수소 유로(1c)를 포함할 수 있다. 공기 유로(1a)의 양단에는, 공기 주입 포트(11a)에 연통되는 공기 주입부(I_a) 및 공기 토출 포트(12a)에 연통되는 공기 토출부(O_a)가 구비될 수 있다. 마찬가지로, 냉각수 유로(1b)의 양단에는, 냉각수 주입 포트(11w)에 연통되는 냉각수 주입부(I_w) 및 냉각수 토출 포트(12w)에 연통되는 냉각수 토출부(O_w)가 구비되고, 수소 유로(1c)의 양단에는, 수소 주입 포트(11h)에 연통되는 수소 주입부(I_h) 및 수소 토출 포트(11h)에 연통되는 수소 토출부(O_h)가 구비될 수 있다. 공기 유로(1a)는 제 1 분리판(P1)의 상면에 형성되는 홈일 수 있다. 반대로 수소 유로(1c)는 제 1 분리판(P2)의 하면에 형성되는 홈일 수 있다. 다시 말하면, 공기 유로(1a) 및 수소 유로(1c)는 서로 반대쪽 면에 노출될 수 있다. 냉각수 유로(1b)는 제 1 분리판(P1)의 내부에 형성되는 통로일 수 있다. 반대되는 기재가 없는 이상 제 2 분리판(P2)은 제 1 분리판(P1)과 마찬가지의 형상을 가질 수 있다.
개스킷(G)은, 2개의 분리판(P1, P2) 사이에 배치될 수 있다. 개스킷(G)은, 동일한 종류의 주입부를 서로 연통시키고, 서로 다른 종류의 주입부가 서로 연통되는 것을 방지하며, 복수 개의 유로를 통하여 흐르는 유체가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
막 전극 접합체(M)는, 2개의 분리판(P1, P2) 사이에 배치되고, 개스킷(G)에 의해 구획된 중앙 영역에 배치될 수 있다. 막 전극 접합체(M)를 중심으로, 제 1 분리판(P1)의 공기 유로(1a) 및 제 2 분리판(P2)의 수소 유로(1c)는 서로 반대편에 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 유로는 각 유로에 구비되는 주입부 및 토출부를 제외하고는 외부로부터 차단되어, 각 유로에 흐르는 유체가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다. 상기 복수 개의 유로는 서로 독립적인 유로를 형성함으로써, 각 유로에 흐르는 유체가 다른 유로에 흐르는 유체와 혼입(cross leakage)되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 분리판(P1, P2) 또는 개스킷(G)에 균열이 발생되거나 노후화되는 경우, 각 유로에 흐르는 유체가 외부로 누출되거나, 내부적으로 혼입되는 문제가 발생할 수 있다. 이 경우, 연료 전지 스택의 효율이 떨어지고, 외부 환경에 따라 유체가 반응하여 위험한 사고를 발생시킬 수 있으므로, 연료 전지 스택의 외부 누출 또는 내부 혼입여부를 테스트하는 것이 필요하다. 외부 누출 및 내부 혼입을 통칭하여 리크(leak)라고 할 수 있으며, 이하, 위와 같은 리크가 발생되는지 여부를 테스트하기 위한 연료 전지 스택 리크 테스트 장치 및 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 실시 예에 따른 연료 전지 스택 리크 테스트 장치를 나타내는 구성도이고, 도 4는 실시 예에 따른 연료 전지 스택 리크 테스트 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 실시 예에 따른 연료 전지 스택 리크 테스트 장치(10)는, 입력부(112), 출력부(114), 기체 탱크(110), 압축기(120), 온도 센서(129), 공급 밸브(127), 가열기(130), 삼방 밸브(140), 유입 압력 센서(147), 유입 밸브(150), 토출 밸브(160), 토출 압력 센서(167), 열화상 카메라(13) 및 제어부(170)를 포함할 수 있다. 제어부(170)는, 입력부(112), 온도 센서(129), 유입 압력 센서(147) 및 토출 압력 센서(167) 중 어느 하나 이상으로부터 전달받은 정보에 기초하여, 출력부(114), 압축기(120), 공급 밸브(127), 가열기(130), 삼방밸브(140), 유입 밸브(150), 토출 밸브(160) 및 열화상 카메라(130) 중 어느 하나 이상을 제어할 수 있다.
입력부(112)는, 시험자의 명령을 입력받을 수 있으며, 예를 들어, 키패드 또는 터치스크린 등 다양한 입력 수단이 사용될 수 있다. 출력부(114)는, 리크 정보, 예를 들면, 열 분포 이미지 등을 시험자에게 출력할 수 있으며, 예를 들어, 디스플레이 장치 또는 스피커 등 출력 신호의 종류에 따라 적절하게 다양한 출력 수단이 사용될 수 있다. 본 발명에 있어서, 입력부(112) 및 출력부(114)의 형상 및 종류는 제한되지 않음을 밝혀둔다.
기체 탱크(110)는, 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 주입 포트(11)를 통하여 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 내부에 구비되는 복수 개의 유로(13a, 13w, 13h)로 공급하기 위한 기체를 저장할 수 있다. 기체 탱크(110)에 저장되는 기체는, 예를 들면, 질소 등의 비활성 기체일 수 있다. 비활성 기체를 이용하면, 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 내부 유로가 오염되는 것을 방지하고, 가열에 따라 발생될 수 있는 안전 사고 등을 예방할 수 있다.
열화상 카메라(13)는, 측정 대상 연료 전지(1)의 열 분포를 촬영하여 이를 가시화할 수 있는 데이터로 수집할 수 있다.
압축기(120)는, 기체 탱크(110) 및 가열기(130)를 연결하는 공급 유로(115) 상에 구비될 수 있다. 압축기(120)는, 기체 탱크(110)로부터 공급되는 기체의 압력을 조절할 수 있다. 제어부(170)는 압축기(120)를 제어함으로써, 기체 탱크(110)로부터 공급되는 기체의 압력을 충분히 상승시켜 원활한 시험이 가능하도록 하고, 필요에 따라서 기체의 압력을 균일하게 형성함으로써 시험의 정확도를 향상시킬 수 있다. 기체가 압력이 조절되지 않은 상태로 제공되는 것을 방지하기 위하여, 공급 유로(115) 상에는 공급 유로(115)를 선택적으로 차단 또는 개방하기 위한 공급 밸브(127)가 구비될 수도 있다.
가열기(130)는, 압축기(120) 및 삼방 밸브(140) 사이에 구비되는 가열 유로(125) 상에 구비될 수 있다. 가열 유로(125)는, 가열기(130)의 토출단 및 유입 밸브(150)를 연결할 수 있다. 가열기(130)는, 가열 유로(125)를 따라 흐르는 기체의 온도를 조절할 수 있다. 가열기(130)에 의하면, 기체의 온도를 충분히 상승시켜 원활한 시험이 가능하도록 하고, 필요에 따라서 기체의 온도를 균일하게 형성함으로써 시험의 정확도를 향상시킬 수 있다. 가열 유로(125) 상에는 가열 유로(125)를 따라 흐르는 기체의 온도를 감지하기 위한 온도 센서(129)가 구비될 수도 있다. 제어부(170)는, 온도 센서(129)에서 감지된 온도가 설정 온도 이상인지 여부에 따라서, 가열기(130)를 제어하여 기체의 온도를 조절할 수 있다.
삼방 밸브(140, 3-way valve)는, 가열 유로(125) 상에 구비되어, 기체의 흐름 방향을 전환시킬 수 있다. 삼방 밸브(140)는, 가열 유로(125)에 연결되는 제1포트(140a) 및 제2포트(140b)와, 재가열 유로(145)에 연결되는 제3포트(140c)를 포함할 수 있다. 재가열 유로(145)는, 삼방 밸브(140) 및 가열기(130)의 유입단을 연결할 수 있다. 제어부(170)는, 삼방 밸브(140)를 제어함으로써 선택적으로, 유입 밸브(150) 및 가열기(130)의 토출단을 연통시키거나, 가열기(130)의 토출단 및 가열기(130)의 유입단을 연통시킬 수 있다. 다시 말하면, 재가열 유로(145)가 선택적으로 차단 또는 개방될 수 있다. 유입 밸브(150) 및 가열기(130)의 토출단이 연통되고 재가열 유로(145)가 차단되면, 가열기(130)에서 가열된 기체가 유입 밸브(150)로 유입될 수 있다. 가열기(130)의 토출단 및 가열기(130)의 유입단이 연통되어 재가열 유로(145)가 개방되면, 가열기(130)에서 가열된 기체가 재가열 유로(145)를 따라서 다시 가열기(130)로 회수되어 추가적으로 다시 가열될 수 있다.
유입 밸브(150)는, 주입 포트(11)에 연결될 수 있다. 유입 밸브(150)는, 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 복수 개의 주입 포트(11a, 11w, 11h)에 각각 연결되는 제 1 서브 밸브(151), 제 2 서브 밸브(152) 및 제 3 서브 밸브(153)를 포함할 수 있다. 제 1 서브 밸브(151), 제 2 서브 밸브(152) 및 제 3 서브 밸브(153)는 통칭하여, 유입 서브 밸브라고 할 수도 있다. 유입 서브 밸브는 각각 독립적으로 차단 또는 개방될 수 있다. 다시 말하면, 복수 개의 유입 서브 밸브는, 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 내부에 형성되는 복수 개의 유로(13a, 13w, 13h)의 유입단을 각각 개방 또는 차단할 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같이, 제 1 서브 밸브(151)는 개방되고, 제 2 서브 밸브(152) 및 제 3 서브 밸브(153)는 차단되어, 공기 유로(13a)로만 기체가 주입되도록 할 수 있다.
유입 밸브(150)에 연결되는 유로에는 유입 압력 센서(147)가 구비될 수 있다. 유입 압력 센서(147)는, 유입 밸브(150)로 유입되는 기체의 압력을 측정할 수 있다. 다시 말하면, 유입 압력 센서(147)는 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 개별 유로들(13a, 13w, 13h)에 주입되기 전 총 기체의 압력을 측정할 수 있다.
토출 밸브(160)는, 토출 포트(12)에 연결될 수 있다. 토출 밸브(160)는, 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 복수 개의 토출 포트(12a, 12w, 12h)에 각각 연결되는 제 4 서브 밸브(161), 제 5 서브 밸브(162) 및 제 6 서브 밸브(163)를 포함할 수 있다. 제 4 서브 밸브(161), 제 5 서브 밸브(162) 및 제 6 서브 밸브(163)는 통칭하여, 토출 서브 밸브라고 할 수도 있다. 토출 서브 밸브는 각각 독립적으로 차단 또는 개방될 수 있다. 다시 말하면, 복수 개의 토출 서브 밸브는, 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 내부에 형성되는 복수 개의 유로(13a,13w, 13h)의 토출단을 각각 개방 또는 차단할 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같이, 제 4 서브 밸브(161)는 개방되고, 제 5 서브 밸브(162) 및 제 6 서브 밸브(163)는 차단되어, 공기 유로(13a)로만 기체가 토출되도록 할 수 있다.
토출 밸브(160)에 연결되는 유로에는 토출 압력 센서(167)가 구비될 수 있다. 토출 압력 센서(167)는, 토출 밸브(160)로부터 토출되는 기체의 압력을 측정할 수 있다. 다시 말하면, 토출 압력 센서(167)는 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 개별 유로들로부터 토출된 총 기체의 압력을 측정할 수 있다.
토출 밸브(160)로부터 토출된 기체는 회수 유로(165)를 따라 기체 탱크(110)로 회수될 수 있다. 회수된 기체는 다시 공급 유로(115) 등을 통하여 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 리크 테스트를 위하여 재사용될 수 있다.
한편, 연료 전지 스택 리크 테스트 장치(10)는, 측정 대상 연료 전지 스택(1)을 지지하며 회전 가능한 측정 선반을 더 포함할 수 있다. 제어부(170)는, 열화상 카메라(130)가 촬영을 하는 동안 측정 선반을 회전시킬 수 있다. 위와 같은 측정 선반에 의하면, 다양한 방향에서의 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 열 분포 이미지를 수집할 수 있다.
한편, 연료 전지 스택 리크 테스트 장치(10)는, 열화상 카메라(13)를 지지하며 이동 가능한 카메라 마운트를 더 포함할 수 있다. 제어부(170)는, 열화상 카메라(130)가 촬영을 하는 동안 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 둘레 방향을 따라서 카메라 마운트를 이동시킴으로써, 다양한 방향에서의 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 열 분포 이미지를 수집할 수 있다. 카메라 마운트는, 열화상 카메라(13)를 상하 또는 좌우 방향으로 이동시키거나, 열화상 카메라(13)의 각도가 조절 가능하도록 제공될 수도 있다.
도 5는 실시 예에 따른 연료 전지 스택 리크 테스트 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 실시 예에 따른 연료 전지 스택 리크 테스트 방법은, 모든 유입 밸브 및 토출 밸브를 개방하는 단계(200), 측정 대상 연료 전지 스택에 기체를 공급하는 단계(210), 유입 압력 및 토출 압력을 측정하는 단계(220), 유입 압력 및 토출 압력의 압력차가 설정 압력 이상인지 결정하는 단계(230), 측정 대상 연료 전지 스택에 리크가 발생되는지 여부를 알리는 단계(240, 250), 열화상 카메라를 이용하여 측정 대상 연료 전지 스택의 열화상 분포를 촬영하는 단계(260), 측정 대상 연료 전지 스택의 내부에 형성된 각각의 유로에 대응하는 서브 밸브를 각각 개방 또는 차단하는 단계(270), 모든 유로를 측정하였는지 여부를 결정하는 단계(280)를 포함할 수 있다.
기체를 공급하는 단계(210)는, 측정된 기체의 압력에 따라 압축기를 제어하는 단계와, 측정된 기체의 온도에 따라 삼방 밸브를 제어하여 재가열 시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기체의 온도를 감지하여, 감지된 온도가 설정 온도 이상인지 여부를 결정하고, 감지된 온도가 설정 온도 미만이면 설정 온도 이상이 될 때까지 기체를 재가열 유로로 바이패스(bypass)시켜 재가열 시킬 수 있다.
열화상 분포를 촬영하는 단계(260)는, 측정 대상 연료 전지 스택을 지지하는 측정 선반을 회전시키는 단계 또는 열화상 카메라를 지지하는 카메라 마운트를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 위와 같은 방법에 의하면, 다양한 방향에서의 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포 이미지를 수집할 수 있다.
한편, 열화상 분포를 촬영하는 단계(260)에 소요되는 시간 및 이를 분석하는 시간을 고려하여, 이에 선행하여, 압력차를 이용하여 리크를 판단하는 단계 200 내지 단계 230을 수행할 수 있다. 단계 230에서 정상으로 판단된 측정 대상 연료 전지 스택에 대하여는 정상이라는 정보를 시험자에게 출력하고(240), 단계 260 이하를 수행하지 않고 바로 종료할 수 있다. 단계 230에서 리크가 발생된 것으로 판단되면, 누출이 있다는 정보를 시험자에게 출력하고(250), 단계 260 이하를 수행하여 정확한 리크 위치를 알아낼 수 있다. 단계 200 내지 단계 230은 센싱 수단에 의해 감지된 압력들의 압력차와, 미리 결정된 설정 압력을 비교하여, 자동으로 측정할 수 있으므로, 필요한 경우에만 단계 260 이하를 수행함으로써, 대량의 연료 전지 스택에 대하여도 비교적 빠르게 측정할 수 있게 된다. 결과적으로 테스트의 신속성을 충분히 유지하면서도, 시험 정확도를 높일 수 있다.
열화상 분포를 촬영하는 단계(260)는, 예를 들어, 측정 선반을 회전시키는 단계 및/또는 카메라 마운트를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 위와 같은 방법에 의하면, 한번의 시험 명령의 입력을 통하여, 다양한 방향에서의 측정 대상 연료 전지 스택(1)의 열 분포 이미지를 수집함으로써 전체 연료 전지 스택(1)의 리크 위치에 대한 정보를 수집할 수 있다.
실시 예에 의하면, 연료 전지 스택의 외부 누출 또는 내부 혼입 등의 리크(leak)를 보다 편리하고 정확하게 측정할 수 있다. 구체적으로, 열화상 카메라를 사용하여 이를 가시화된 결과로 인식할 수 있으므로, 열화상 이미지를 이미 알고 있는 연료 전지 스택 내부의 유로의 형상과 비교하여, 어떠한 부분에서 리크가 일어나는지 빠르고 정확하게 알아낼 수 있다. 또한, 질소 등의 비활성 기체를 활용하여 시험하므로, 측정 대상 연료 전지 스택이 오염되는 것을 방지하고, 시험 후 별도의 세척 과정이 필요 없다는 장점을 갖는다. 또한, 필요에 따라서, 열화상 카메라 시험 방법과, 압력차를 이용한 시험 방법을 병행함으로써, 대량의 연료 전지 스택에 대하여 비교적 신속하고도 정확하게 시험을 수행할 수 있다는 장점을 갖는다.
이상에서 설명된 실시예는 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (13)

  1. 측정 대상 연료 전지 스택에 공급하기 위한 기체를 저장하는 기체 탱크;
    상기 기체 탱크로부터 상기 측정 대상 연료 전지 스택으로 공급되는 기체를 가열하기 위한 가열기;
    상기 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포를 촬영하기 위한 열화상 카메라;
    상기 열화상 카메라에서 촬영된 열 분포 이미지를 기반으로 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 리크(leak)가 발생되는지 여부에 관한 정보를 출력하는 출력부;
    상기 측정 대상 연료 전지 스택에 구비된 복수 개의 주입 포트에 연결되는 유입 밸브;
    상기 측정 대상 연료 전지 스택에 구비된 복수 개의 토출 포트에 연결되는 토출 밸브;
    상기 유입 밸브 및 토출 밸브를 제어하는 제어부;
    상기 유입 밸브로 유입되는 기체의 압력을 측정하기 위한 유입 압력 센서; 및
    상기 토출 밸브로부터 토출되는 기체의 압력을 측정하기 위한 토출 압력 센서를 포함하는 연료 전지 스택 리크 테스트 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입 밸브는, 상기 복수 개의 주입 포트를 각각 개방 또는 차단할 수 있는 복수 개의 유입 서브 밸브를 포함하고,
    상기 토출 밸브는, 상기 복수 개의 토출 포트를 각각 개방 또는 차단할 수 있는 복수 개의 토출 서브 밸브를 포함하는 연료 전지 스택 리크 테스트 장치.
  4. 측정 대상 연료 전지 스택에 공급하기 위한 기체를 저장하는 기체 탱크;
    상기 기체 탱크로부터 상기 측정 대상 연료 전지 스택으로 공급되는 기체를 가열하기 위한 가열기;
    상기 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포를 촬영하기 위한 열화상 카메라;
    상기 열화상 카메라에서 촬영된 열 분포 이미지를 기반으로 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 리크(leak)가 발생되는지 여부에 관한 정보를 출력하는 출력부;
    상기 측정 대상 연료 전지 스택에 구비된 복수 개의 주입 포트에 연결되는 유입 밸브;
    상기 측정 대상 연료 전지 스택에 구비된 복수 개의 토출 포트에 연결되는 토출 밸브;
    상기 유입 밸브 및 토출 밸브를 제어하는 제어부;
    상기 가열기의 토출단 및 상기 유입 밸브를 연결하는 가열 유로;
    상기 가열 유로 상에 구비되며, 상기 기체의 흐름 방향을 전환할 수 있는 삼방 밸브(3-way valve); 및
    상기 삼방 밸브 및 상기 가열기의 유입단을 연결하는 재가열 유로를 포함하는 연료 전지 스택 리크 테스트 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가열 유로를 따라 흐르는 기체의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 온도 센서에서 감지된 온도가 설정 온도 이상이면, 상기 삼방 밸브를 제어하여, 상기 유입 밸브 및 상기 가열기의 토출단을 연통시키고,
    상기 온도 센서에서 감지된 온도가 설정 온도 미만이면, 상기 삼방 밸브를 제어하여, 상기 가열기의 토출단 및 상기 가열기의 유입단을 연통시키는 연료 전지 스택 리크 테스트 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 탱크에 저장되는 기체는 비활성 기체인 연료 전지 스택 리크 테스트 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 대상 연료 전지 스택을 지지하며 회전 가능한 측정 선반을 더 포함하는 연료 전지 스택 리크 테스트 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열화상 카메라를 지지하며 이동 가능한 카메라 마운트를 더 포함하는 연료 전지 스택 리크 테스트 장치.
  10. 기체를 가열하는 단계;
    가열된 기체를 측정 대상 연료 전지 스택의 내부에 형성된 복수 개의 유로 중 적어도 하나 이상의 유로에 공급하는 단계;
    열화상 카메라를 이용하여 상기 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포를 촬영하는 단계;
    상기 촬영된 열 분포 이미지를 기반으로 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 리크(leak)가 발생되는지 여부에 관한 정보를 출력하는 단계;
    상기 측정 대상 연료 전지 스택으로 공급되는 기체의 온도를 감지하는 단계;
    상기 감지된 온도가 설정 온도 이상인지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 감지된 온도가 설정 온도 미만이면, 상기 감지된 온도가 설정 온도 이상이 될 때까지 상기 기체를 바이패스(bypass)시켜 재가열 시키는 단계를 포함하는 연료 전지 스택 리크 테스트 방법.
  11. 삭제
  12. 기체를 가열하는 단계;
    가열된 기체를 측정 대상 연료 전지 스택의 내부에 형성된 복수 개의 유로 중 적어도 하나 이상의 유로에 공급하는 단계;
    열화상 카메라를 이용하여 상기 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포를 촬영하는 단계;
    상기 촬영된 열 분포 이미지를 기반으로 상기 측정 대상 연료 전지 스택에 리크(leak)가 발생되는지 여부에 관한 정보를 출력하는 단계;
    상기 측정 대상 연료 전지 스택으로 공급되는 기체의 유입 압력 및 토출 압력을 측정하는 단계; 및
    상기 유입 압력 및 토출 압력의 압력 차가 설정 압력 이상인지 여부를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 열 분포를 촬영하는 단계는, 상기 압력 차가 설정 압력 이상일 때만 수행되는 연료 전지 스택 리크 테스트 방법.
  13. 제 10 항 또는 제 12항 에 있어서,
    상기 측정 대상 연료 전지 스택의 열 분포를 촬영하는 단계는,
    상기 측정 대상 연료 전지 스택을 지지하는 측정 선반을 회전시키는 단계 또는 상기 열화상 카메라를 지지하는 카메라 마운트를 이동시키는 단계를 포함하는 연료 전지 스택 리크 테스트 방법.
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