KR20090062111A - 연료전지스택의 기밀검사장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지스택의 기밀검사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지스택을 자동으로 제작하기 위해 스택의 구성품인 분리판과 기체확산층,전극/촉매,전해질막(MEA)를 직교로봇을 이용하여 자동으로 적층하고, 적층완료된 스택의 기밀검사를 할 수 있도록 한 연료전지스택의 기밀검사장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 공급된 공기압을 증압시키는 증압기; 상기 증압기로부터 증압된 공기를 안정적으로 공급하는 에어탱크; 공기를 입력받아 하이드로 압력을 상승시키는 부스터 실린더; 및 상기 부스터 실린더에 의해 증압된 하이드로 압력을 공급받아 연료전지스택을 가압하는 유압실린더를 포함하고, 연료의 공급 및 반응생성물의 배출을 위한 상기 스택의 분리판에 형성된 매니폴드를 통해 공기를 공급한 후 배출되는 양을 측정하여 누출여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 기밀검사장치를 제공한다.
정밀 레귤레이터, 유압실린더, 기밀검사, 부스터 실린더

Description

연료전지스택의 기밀검사장치{airtight test apparatus for fuel cell stack}
본 발명은 연료전지스택의 기밀검사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지스택을 자동으로 제작하기 위해 스택의 구성품인 분리판과 기체확산층,전극/촉매,전해질막(MEA)를 직교로봇을 이용하여 자동으로 적층하고, 적층완료된 스택의 기밀검사를 할 수 있도록 한 연료전지스택의 기밀검사장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.
상기 연료전지스택은 도 1에 도시한 바와 같이 수소이온이 이동하는 전해질막(10)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층(11)이 부착된 MEA(Membrane Electrode Assembly)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(12)(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(13)으로 구성되어 있다.
상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다.
양극으로 공급된 수소는 전해질막(10)의 양쪽에 구성된 전극층(11)의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층(12)과 분리판(13)(Separator)을 통하여 음극으로 전달된다.
상기 음극에서는 전해질막(10)을 통하여 공급된 수소이온과 분리판(13)을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이러한 고체 고분자 전해질형 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.
[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[공기극에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
상기와 같은 고체 고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는 방법에 대해서는 다양한 회사 혹은 연구기관들에서 다양한 형태로 연구 및 개발이 진행되고 있다.
그런데, 종래에는 초기 기밀검사의 측정 단계에서 증압밸브 동작에 의한 압력 변동으로, 적층 스택 내부의 체적변화가 발생하여 스택 기밀검사 스팩(SPEC)인 45cc/min을 만족하지 못하고 스택 외부로 에어가 누설되어 전혀 기밀검사 측정이 되지 않았기 때문에, 안정적인 기밀 검사의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
특히, 연료전지스택에서 공기가 누설되면 필요로하는 출력을 얻기가 어려우 므로, 기밀 검사의 필요성이 더욱 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 유압실린더를 이용하여 일정한 하중으로 스택으로 가압함으로써, 스택의 기밀검사 스팩인 45cc/min 을 만족할 수 있고, 정밀 레귤레이터를 이용하여 공기의 압력변동을 최소화함으로써, 공기의 압력변동에 대한 체적변화가 차압센서의 측정범위 이내에서 제어되어 기밀검사가 가능하도록 한 연료전지스택의 기밀검사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지스택의 기밀검사장치에 있어서,
공급된 공기압을 증압시키는 증압기; 상기 증압기로부터 증압된 공기를 안정적으로 공급하는 에어탱크; 공기를 입력받아 하이드로 압력을 상승시키는 부스터 실린더; 및 상기 부스터 실린더에 의해 증압된 하이드로 압력을 공급받아 연료전지스택을 가압하는 유압실린더를 포함하고, 연료의 공급 및 반응생성물의 배출을 위한 상기 스택의 분리판에 형성된 매니폴드를 통해 공기를 공급한 후 배출되는 양을 측정하여 누출여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 공기로 작동되며 상기 유압실린더 및 부스터 실린더에 하이드로를 공급하는 에어/하이드로 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 에어탱크의 출구단에는 공기의 압력변화를 최소화하는 정밀 레귤레이터가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유압실린더는 연료전지스택에 압력을 가해주는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상단을 지지하면서 상하방향의 이동을 가이드하는 LM 샤프트와, 상기 베이스 플레이트를 통해 연료전지스택에 공기를 공급하는 에어튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지스택의 기밀검사장치에 의하면, 유압실린더를 이용하여 일정한 하중으로 스택으로 가압함으로써, 스택의 기밀검사 스팩인 45cc/min 을 만족할 수 있고, 정밀 레귤레이터를 이용하여 공기의 압력변동을 최소화함으로써, 공기의 압력변동에 대한 체적변화가 차압센서의 측정범위 이내에서 제어되어 기밀검사를 할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
분리판은 흑연 재질로서 취성이 강하고, MEA(14)(기체확산층(13),전극/촉매(11), 전해질막(10)는 나피온계 재질로서 매우 유연한 성질을 갖고, 엔드플레이트는 집전판과 절연판이 일체형으로 관통형과 비관통형으로 구성되며, 관통형의 경우 유체가 공급된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택 조립기를 나타내는 평면도와 사시도이다.
1. 워크(WORK) 공급 공정(S101) : 분리판(13)과 MEA(14)를 적층하기 위한 부품 위치 결정용 카트리지에 분리판(13)과 MEA(14)를 정렬하여 적재하는 단계이다. 이 단계에서는 분리판(13)에 부착된 밀봉(Seal) 재 간의 점착을 방지하기 위한 간지를 분리판 사이에 삽입하게 된다.
2. 자동 적층 공정(S102) : 카트리지에 적재된 분리판(13)과 MEA(14)를 직교 로봇이 취출하게 되며 분리판(13) 사이의 간지는 별도의 동작에 의해 제거한다. 작업자가 입력한 1회 적층 수량에 따라 직교 로봇이 분리판(13)과 MEA(14)를 교차로 적층하는 공정이다.
이때, 취성이 큰 분리판(13)과 유연한 재질의 MEA(14)를 취출하고 적층하는 그리퍼는 진공을 이용하여 전면을 흡착할 수 있게 한다. 적층 정밀도는 적층용 가이드(17)를 이용하여 유지한다.
3. 턴 테이블(18) : 입력된 수량의 분리판(13)과 MEA(14)를 적층 후 90°회전하여 1차 기밀테스트 공정으로 이동 하여 기밀테스트와 분리판(13)을 적층하는 동시에 수행할 수 있게 한다.
4. 1차 기밀테스트 공정 : 스택(19) 내부에는 전기를 발생시키기 위한 연료(수소, 공기)가 공급되고, 공급된 연료의 산화, 환원 반응에 의해 전기가 발생되는 과정에서 발생하는 반응열을 냉각하기 위한 냉각수가 흐르게 된다.
이때, 연료로서 공급된 가연성 물질인 수소가 외부로 누설될 경우, 안전 문 제와 스택(19) 내부에서 반응해야 할 연료의 양이 줄어듦으로서 연료전지의 출력이 저하되는 현상이 발생한다. 또한 냉각수가 누설 될 경우 전지에서 발전된 전기의 누전이 일어 날 수 있으므로 연료전지 스택(19)은 엄격한 기밀성이 요구된다.
따라서, 스택(19) 적층 후 반드시 기밀 검사를 거친 후 체결하여 스택(19)을 조립하게된다. 본 공정은 스택(19)의 기밀 신뢰성을 높이기 위해 일정한 수량의 분리판(13)과 MEA(14)를 적층 후 1차 기밀 테스트를 수행하는 공정이다.
5. 모듈 스택(19) 적층 및 체결 공정 : 1차 기밀테스트를 마친 단위 스택(19)들을 수동으로 2차 가압 장치로 이동 시킨 후 집전판과 체결 유닛이 하강하여 가압 후 2차 기밀 검사를 수행 및 체결 작업을 수행한다.
표 1은 스택(19) 기밀검사 조건을 나타내고, 표 2는 기밀검사장치 내부 시퀀스를 나타낸다.
Figure 112007089436416-PAT00001
Figure 112007089436416-PAT00002
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 외곽으로 누설되는 공기량은 30셀을 기준으로 45cc/min이고, 차압량은 0.00197 kgf/㎠(197 Pa)이다.
차압센서(20)의 검출범위가 999Pa 일때 워크 체적 변화의 최대허용량을 다음 식에 의해 추정할 수 있다.
Figure 112007089436416-PAT00003
이때, Q는 누설량(ml), Vw는 워크 체적으로 2700ml/30셀, P0 은 대기압(1.013×105)Pa, ΔP는 압력 (Pa)으로 차압검출범위이다.
Q는 2700ml×999Pa/(1.013×105)Pa=26ml이다.
도 5는 본 발명에 따른 기밀검사 회로도이고, 표 3은 누설 테스트시 기밀검사장치 내부의 시퀀스에 따른 전자밸브 작동신호를 나타낸다.
Figure 112007089436416-PAT00004
도 6은 스택 프레스기를 나타내는 구성도로서, 스택스프레스(15)는 유압실린더(32)로부터 유압을 공급받아 스택(19)을 가압하고, 백업리프트(22)는 프레스시 스택(19)의 처짐을 방지하는 역할을 한다.
도 7은 본 발명에 따른 기밀검사장치의 회로도이다.
증압기(23)(부스터)는 공급된 공기압을 5bar에서 7bar로 증압시키고, 에어탱크(24)는 증압기(23)로부터 증압된 공기압을 받아 안정적인 공기를 공급하고, 정밀 레귤레이터(25)는 공기의 압력변화를 최소화하며, 제1솔레노이드밸브(26)는 부스터 실린더(29)를 온오프 제어하고, 부스터 실린더(29)는 내부에 공기를 공급해서 하이드로의 공급압력을 상승시킨다. 이때, 부스터 실린더(29)의 입력단에는 공기의 유량 및 속도를 조절하는 공기유량조절밸브(27)가 설치되어 있다.
유압실린더(32)는 상기 부스터 실린더(28)에 의해 상승된 하이드로 압력을 공급받아 적층된 연료전지 스택(19)을 가압한다.
압력센서(31)는 부스트 실린더(28)의 배출단에 압력을 확인하기 위해 설치되고, 에어/하이드로 컨버터(29)는 공기로 작동되며 유압실린더(32) 및 부스터 실린더(28)에 하이드로(유압)를 공급한다.
또한, 제2솔레노이드밸브는 에어/하이드로 컨버터를 온오프 제어하고, 상기 하이드로의 유량 및 속도를 조절하기 위해 에어/하이드로 컨버터(29)의 배출단에는 하이드로유량조절밸브(30)가 설치되어 있다.
도 8은 본 발명에 따른 기밀검사장치의 구성도이다.
상기 유압실린더(32)는 부스터 실린더(28)에 의해 증가된 압력으로 스택(19)을 가압할 때, LM(Linear Motion) 사프트(33)가 스택(19)의 가압을 위해 베이스 플레이트(34)의 하강을 유도한다.
상기 베이스 플레이트(34) 양단에 설치된 다수의 에어튜브(35)는 별도의 온오프 밸브를 작동시켜 공기를 통과시키며, 베이스플레이트(34)는 기밀 검사를 하기 위한 장치가 조립되며 스택(19)에 가해지는 압력을 견디기 위한 고강성 플레이트 재질을 갖는다.
도 9는 분리판의 구조를 나타내는 구성도이고, 도 10은 도 8에서 베이스플레이트의 공급부 및 배출부를 나타내는 상세도이다.
통상적으로 흑연분리판(13)에는 연료의 공급과 반응생성물을 배출시키기 위한 매니폴드(37)가 형성되어 있으며, 적층된 스택(19) 내에서 유체의 누출을 방지하기 위한 가스켓(36)이 부착되어 있다.
수소, 물 및 공기 각각의 유로 사이에는 누출이 발생되어서는 안되므로 공기를 공급한 후 상기 베이스 플레이트(34)가 스택(19)을 가압함에 따라 배출되는 양을 측정함으로써, 누출여부를 판단한다.
그런데, 스택(19)의 상하면 테두리에는 고무가스켓(36)이 형성되어 있으므로, 스택(19)을 누르는 힘의 편차가 클수록 압축량이 달라져서 외곽 누설량의 측정이 어려우나, 본 발명에 따른 레귤레이터가 있는 경우와 없는 경우를 비교하여 스택(19)의 기밀검사를 수행한 결과는 다음 표 3과 같다. 이때, 실험대상인 스택(19)의 단면적은 43×11.8=507㎠이다.
Figure 112007089436416-PAT00005
스택(19)의 외곽 공기누출량을 45cc/min 을 만족하기 위해서는 일정한 하중으로 스택(19)을 가압해야 하고, 차압센서(20)의 측정범위는 최대 999Pa이며, 공기의 압력변동에 대한 체적변화가 차압센서(20)의 측정범위 이내로 제어되어야 하므로, 표 3에 나타낸 바와 같이 정밀 레귤레이터(25)를 적용함으로써, 공기 압력변동을 최소화하여 스택(19)의 기밀검사가 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 연료전지 단위셀의 막전극접합체를 나타내는 개략도이다.
도 2는 연료전지스택의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지스택 조립기를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 기밀검사 회로도이다.
도 6은 도 3의 스택 프레스 및 기밀검사기를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지스택 기밀검사 회로도이다.
도 8은 본 발명에 따른 스택 기밀검사장치를 상세하게 나타내는 구성도이다.
도 9는 분리판의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 10은 도 8에서 베이스플레이트의 공급부 및 배출부를 나타내는 상세도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전해질막 11 : 전극/촉매
12 : 기체확산층 13 : 분리판
14 : MEA 15 : 스택프레스
16 : 스택 자동 적재기 17 : 적층용 가이드
18 : 턴테이블 19 : 스택
20 : 차압센서 21 : 완성스택배출위치
22 : 백업리프트 23 : 증압기
24 : 에어탱크 25 : 정밀 레귤레이터
26 : 제1솔레노이드밸브 27 : 공기유량조절밸브
28 : 부스터 실린더 29 : 에어/하이드로 컨버터
30 : 하이드로유량조절밸브 31 : 압력센서
32 : 유압실린더 33 : LM 샤프트
34 : 베이스 플레이트 35 : 에어튜브
36 : 고무가스켓 37 : 매니폴드
38 : 유로 39 : 제2솔레노이드밸브

Claims (4)

  1. 연료전지스택의 기밀검사장치에 있어서,
    공급된 공기압을 증압시키는 증압기;
    상기 증압기로부터 증압된 공기를 안정적으로 공급하는 에어탱크;
    공기를 입력받아 하이드로 압력을 상승시키는 부스터 실린더; 및
    상기 부스터 실린더에 의해 증압된 하이드로 압력을 공급받아 연료전지스택을 가압하는 유압실린더를 포함하고, 연료의 공급 및 반응생성물의 배출을 위한 상기 스택의 분리판에 형성된 매니폴드를 통해 공기를 공급한 후 배출되는 양을 측정하여 누출여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 기밀검사장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    공기로 작동되며 상기 유압실린더 및 부스터 실린더에 하이드로를 공급하는 에어/하이드로 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 기밀검사장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 에어탱크의 출구단에는 공기의 압력변화를 최소화하는 정밀 레귤레이터 가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 기밀검사장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유압실린더는 연료전지스택에 일정한 압력을 가해주는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상단을 지지하면서 상하방향의 이동을 가이드하는 LM 샤프트와, 상기 베이스 플레이트를 통해 연료전지스택에 공기를 공급하는 에어튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 기밀검사장치.
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