KR102201445B1 - 연료전지 인라인 검사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속분리판 접합 공정과 검사 공정을 인라인으로 일원화하는 것을 특징으로 하는 연료전지 인라인 검사 방법을 제공한다.

Description

연료전지 인라인 검사 방법{METHOD OF INLINE INSPECTING FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 검사 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 인라인 검사 방법에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 연료전지는 단위셀의 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개에서 수백 개의 단위셀을 적층하여 사용한다. 단위셀의 적층 시 단위셀 간 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판(bipolar plate)이다. 연료전지 스택은 수소와 산소의 산화 및 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 이러한 연료전지 스택은 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동하고, 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다. 이러한 연료전지 스택은 여러 부품으로 구성되는데 먼저 전기화학 반응이 일어나는 막-전극 접합체(MEA)와 반응가스를 막-전극 접합체로 고르게 분산시켜주는 다공성 매체인 가스 확산층(GDL), 그리고 막-전극 접합체와 가스 확산층을 지지해주며, 반응가스와 냉각수의 수송 및 생성된 전기를 수집하여 전달하는 부품들을 포함하여 단위셀을 이룬다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-1113642호가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 분리판 접합 및 검사 공정을 일원화할 수 있는 연료전지 인라인 검사 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법은 금속분리판 접합 공정과 검사 공정을 인라인으로 일원화하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 인라인 검사 방법에서, 상기 금속분리판 접합 공정은 다공체와 캐소드 간의 1차 접합 공정 및 캐소드와 애노드 간의 2차 접합 공정을 포함할 수 있다.
상기 연료전지 인라인 검사 방법은, 상기 금속분리판 접합 공정 전에 상기 검사 공정의 일부로서, 연료전지의 금속분리판에 대한 물배출성 검사 단계; 가스 확산층(GDL)과 금속분리판 간의 접촉저항을 측정하는 제 1 전도성 검사 단계; 및 금속분리판의 성형 치수 검사 단계; 를 순차적으로 포함할 수 있다.
상기 연료전지 인라인 검사 방법에서, 상기 물배출성 검사 단계는 금속분리판을 DI 워터에 침지하거나 DI 워터를 스프레이하거나 도포한 후에 60 ~ 90°기울여 증류수를 배출시킨 후 남아있는 물방울 수를 검사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 인라인 검사 방법은, 상기 금속분리판 접합 공정 후에 상기 검사 공정의 일부로서, 금속분리판의 외관 검사 단계; 가스 확산층(GDL)과 전도성 플레이트 간의 접촉저항을 측정하는 제 2 전도성 검사 단계; 연료전지 내 수소, 공기 및 냉각수의 기밀을 검사하는 기밀 검사 단계; 및 연료전지 스택 체결 시 일정한 셀피치를 유지하기 위하여 개별 금속분리판의 압축두께 검사 단계; 를 순차적으로 포함할 수 있다.
상기 연료전지 인라인 검사 방법에서, 상기 압축두께 검사 단계는 세트 접합된 금속분리판에 소정의 압력을 인가할 때 금속분리판의 두께 변위를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 인라인 검사 방법에서, 상기 외관 검사 단계는 비전 검사 시스템을 이용하여 금속분리판의 표면 이물, 버(BURR), 가스켓 미충진, 접합 정렬도, 꺾임, 찍힘 및 오염을 자동화 검사하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분리판 접합 및 검사 공정을 일원화하여 생산성을 향상시키고, 외관검사 자동화로 검사 인력을 감소시킬 수 있으며, 스택 성능을 사전으로 검사하는 공정으로 불량 분리판 공급을 사전에 차단할 수 있어 양산성을 개선할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법을 도해하는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법을 도해하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법은 금속분리판 접합 공정(S20)과 검사 공정(S10, S30)을 인라인으로 일원화하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속분리판 접합 공정(S20)은 다공체와 캐소드 간의 1차 접합 공정 및 캐소드와 애노드 간의 2차 접합 공정을 포함할 수 있다. 스폿 용접(Spot welding), 레이저 용접(Laser welding) 등을 사용할 수 있다. 캐소드 내부에 다공체가 들어가서 접합이 되기 때문에 다공체가 1차로 하면에 놓이게 되고 네 모서리부분을 당겨준 후 캐소드를 위에 안착시켜 정렬 후 용접을 실시할 수 있다. 캐소드/애노드 용접은 장축방향으로 우선 정렬을 맞춘 후 단축방향으로 정렬을 맞춰 용접을 실시할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법은, 상기 금속분리판 접합 공정(S20) 전에 상기 검사 공정(S10)의 일부로서, 연료전지의 금속분리판에 대한 물배출성 검사 단계(S11); 가스 확산층(GDL)과 금속분리판 간의 접촉저항을 측정하는 제 1 전도성 검사 단계(S12); 및 금속분리판의 성형 치수 검사 단계(S13); 를 순차적으로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 물배출성 검사 단계(S11)는 금속분리판을 DI 워터에 침지하거나 DI 워터를 스프레이하거나 도포한 후에 60 ~ 90°기울여 증류수를 배출시킨 후 남아있는 물방울 수를 검사하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 상기 물배출성 검사 단계(S11)는 스택 내 연료전지 반응 시 생성되는 물의 배출이 잘되는지를 판단하는 공정으로 연료공급 통로인 채널 내에 물방울 수를 검사할 수 있다. 물방울이 남아있는 경우 연료공급이 원활하지 않아 스택 성능 저하의 원인이 될 수 있다. 물배출성 검사 단계(S11)는 기존에 없던 방식을 도입하여 스택 성능 평가를 분리판 단위에서 대체할 수 있다.
이어서, 제 1 전도성 검사 단계(S12)를 수행하기 전에 건조 공정을 수행할 수 있다. 1차 건조는 에어 나이프(Air knife) 공정, 2차 건조는 열풍 건조를 적용할 수 있다. 에어 나이프(Air knife) 공정은 표면의 큰 물방울을 제거하는데 적합하며, 열풍 건조는 60 ~ 100℃ 온도로 10분 정도 유지하여 완전 건조를 완성할 수 있다.
제 1 전도성 검사 단계(S12)는 가스 확산층(GDL; Gas Diffusion Layer)의 카본 페이퍼(carbon paper)가 부착되어 있는 하판에 분리판을 안착하고 GDL이 부착된 상판이 0.1~2.0MPa의 범위로 가압하여 GDL/금속분리판 간의 접촉저항을 측정하는 공정이다. 검사 기준은 20mΩ㎠@1.0MPa의 조건을 적용할 수 있다. 원래 하중을 1.0MPa로 측정해야 되지만 그럴 경우, 분리판에 손상을 입힐 수 있고, 검사시간이 길어져 생산성이 떨어질 수 있기 때문에 낮은 하중으로 측정할 수도 있다. 하중별 저항 값으로 검량선을 그어 신뢰성을 높일 수 있다. 금속분리판에 코팅이 잘 되었는지 유무를 평가하여 스택 성능을 사전 평가하는 공정이다.
금속분리판의 성형 치수 검사 단계(S13)는 분리판 성형 치수 검사로 스프링백이 없도록 표면을 누른 후 높이를 측정하는 단계를 포함한다. 접촉식 또는 비접촉식 방법을 사용할 수 있다. 성형 불량, 분리판 겹침 등 불량 투입을 방지하는 공정이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법은, 상기 금속분리판 접합 공정(S20) 후에 상기 검사 공정(S30)의 일부로서, 금속분리판의 외관 검사 단계(S31); 가스 확산층(GDL)과 전도성 플레이트 간의 접촉저항을 측정하는 제 2 전도성 검사 단계(S32); 연료전지 내 수소, 공기 및 냉각수의 기밀을 검사하는 기밀 검사 단계(S33); 및 연료전지 스택 체결 시 일정한 셀피치를 유지하기 위하여 개별 금속분리판의 압축두께 검사 단계(S34); 를 순차적으로 포함할 수 있다.
먼저, 상기 금속분리판 접합 공정(S20) 후에 금속분리판의 외관 검사 단계(S31) 전에 미접합 검출 단계를 수행할 수 있다. 이는 분리판 이송 시 미접합된 영역을 자석 또는 흡착 등의 방법을 이용하여 미접합 위치 센서로 감지하는 공정이다.
금속분리판의 외관 검사 단계(S31)는 비전 검사 시스템을 이용하여 금속분리판의 표면 이물, 버(burr), 가스켓 미충진, 접합 정렬도, 꺾임, 찍힘 및 오염을 자동화 검사하는 단계를 포함할 수 있다. 기존에 수작업으로 육안검사 실시하였던 공정을 자동화하여 검사 인원을 축소하고 생산성을 증대시킬 수 있다. 가스켓 영역 및 금속 영역을 같이 검사하고, 상부와 하부에 카메라를 설치하여 동시에 상하면을 검사하는 방법이다. 동종 물질의 버(burr) 또한 검출이 가능하다.
가스 확산층(GDL)과 전도성 플레이트 간의 접촉저항을 측정하는 제 2 전도성 검사 단계(S32)는 완제품에 대한 검사 단계이다. 하판에 전도성 플레이트를 부착하고, 상판에 GDL을 부착하여 0.1 ~ 2.0MPa을 가압하고 접촉저항을 측정한다. 기준값은 20mΩ㎠@1.0MPa이다. 하판에 다공체의 경우 GDL이 파손되어 이물로 표면에 부착가능성이 있다. 검사 및 측정 방법은 제 1 전도성 검사 단계 내용과 동일하다.
연료전지 내 수소, 공기 및 냉각수의 기밀을 검사하는 기밀 검사 단계(S33)는 수소극 → 공기극/냉각수/외곽의 기밀을 측정하고, 공기극 → 수소극/냉각수/외곽의 기밀을 측정하고, 냉각수 → 수소극/공기극/외곽의 기밀을 측정한다. 하중 범위는 0.1 ~ 1.0MPa이나 가스켓이 변형되지 않도록 하중을 설정하되, 0.3MPa가 적절할 수 있다. 내부 공기 압력은 0.5bar ~ 3.0 Bar, 시간은 5초 ~ 60초, 기체는 He, H2, Air 등을 사용하는 조건을 사용할 수 있다. 0.3ml/min 이상 유량 변화 검출 시 불량으로 판정할 수 있다.
연료전지 발전시 막-전극 접합체와 가스 확산층, 그리고 금속분리판의 각 면으로 반응가스인 수소와 산소 그리고 냉각수가 계속 공급되어 흐르게 되는데 각각의 반응가스와 냉각수가 서로 섞이지 않도록 기밀성을 확보하는 것은 연료전지 시스템 운전에 있어서 가장 중요한 부분 중 하나이다. 이때, 연료전지 스택에서는 금속분리판의 양쪽면에 가스켓을 설치하여 기밀구조를 확보하는 방식을 채택하고 있다.
연료전지 스택 체결 시 일정한 셀피치를 유지하기 위하여 개별 금속분리판의 압축두께 검사 단계(S34)는 스택 체결 시 일정한 셀피치를 유지하기 위해서 개별 분리판의 압축두께를 검사하는 단계이다. 세트 접합된 분리판에 0.39MPa의 압력으로 눌렀을 때의 분리판 두께 변위를 측정할 수 있다.
상술한 단계 이후에, 로트(LOT) 정보 입력 단계(S35), 클리닝 단계(S36), 불량 분류 단계(S37)를 수행할 수 있다.
로트(LOT) 정보 입력 단계(S35)는 레이저를 이용하여, 바코드 또는 QR코드 등의 방식으로 부여하는 단계를 포함할 수 있다.
클리닝 단계(S36)는 표면에 에어 블로잉(Air blowing)을 통한 이물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상부 국소배기장치로 블로잉된 공기를 흡입할 수 있다. 내부 비산을 방지할 수 있다.
불량 분류 단계(S37)는 접합 이후 외관검사/전도성검사/기밀검사에서 N.G(NOT GOOD)품을 분류할 수 있다. 외관은 육안검사로 수행하고, 전도성 및 기밀검사 재검사 후 양품/폐기품을 선별할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법에서 분리판 이송은 분리판을 흡착하여 이송하는 방식을 채택할 수 있다. 진공흡착기에 이젝터 및 소음저감 장치를 설치하여 소음이 70dB 이하로 발생되도록 제어할 수 있다. 분리판은 검사 및 접합 시 정위치하는 것이 중요하며, 이를 위해 상하좌우에서 분리판의 위치를 정렬해주는 가이드가 존재할 수 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 인라인 검사 방법을 설명하였다. 종래에는 검수 유닛을 따로 실시하여 하나의 연결된 인라인 공정이 필요하였는바, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 물배출성 검사 및 외관검사를 신규 공정으로 도입하였으며, 분리판 접합 및 검사 공정을 일원화하여 생산성을 향상시키고, 외관검사 자동화로 검사 인력을 감소시킬 수 있으며, 스택 성능을 사전으로 검사하는 공정으로 불량 분리판 공급을 사전에 차단할 수 있어 양산성을 개선할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 금속분리판 접합 공정과 검사 공정을 인라인으로 일원화하는 연료전지 인라인 검사 방법이며,
    상기 금속분리판 접합 공정 전에 상기 검사 공정의 일부로서,
    연료전지의 금속분리판에 대한 물배출성 검사 단계;
    가스 확산층(GDL)과 금속분리판 간의 접촉저항을 측정하는 제 1 전도성 검사 단계; 및
    금속분리판의 성형 치수 검사 단계; 를 순차적으로 포함하고,
    상기 물배출성 검사 단계는 금속분리판을 DI 워터에 침지하거나 DI 워터를 스프레이하거나 도포한 후에 60 ~ 90°기울여 증류수를 배출시킨 후 남아있는 물방울 수를 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 인라인 검사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속분리판 접합 공정은 다공체와 캐소드 간의 1차 접합 공정 및 캐소드와 애노드 간의 2차 접합 공정을 포함하는,
    연료전지 인라인 검사 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속분리판 접합 공정 후에 상기 검사 공정의 일부로서,
    금속분리판의 외관 검사 단계;
    가스 확산층(GDL)과 전도성 플레이트 간의 접촉저항을 측정하는 제 2 전도성 검사 단계;
    연료전지 내 수소, 공기 및 냉각수의 기밀을 검사하는 기밀 검사 단계; 및
    연료전지 스택 체결 시 일정한 셀피치를 유지하기 위하여 개별 금속분리판의 압축두께 검사 단계; 를 순차적으로 포함하는,
    연료전지 인라인 검사 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압축두께 검사 단계는 세트 접합된 금속분리판에 소정의 압력을 인가할 때 금속분리판의 두께 변위를 측정하는 단계를 포함하는,
    연료전지 인라인 검사 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 외관 검사 단계는 비전 검사 시스템을 이용하여 금속분리판의 표면 이물, 버(BURR), 가스켓 미충진, 접합 정렬도, 꺾임, 찍힘 및 오염을 자동화 검사하는 단계를 포함하는,
    연료전지 인라인 검사 방법.
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