KR20120001075A - 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체확산층 시트의 손상이나 파괴없이 기체확산층 시트 전체의 처짐길이(Sagging Length)를 측정함으로써, 간접적으로 굽힘 강성을 평가할 수 있도록 한 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 종래의 기체확산층의 굽힘강성 측정법과는 달리 기체확산층 본래 시트를 절단하는 것과 같은 손상이나 파괴없이, 기체확산층 시트 전체(본래 시트)의 처짐길이(Sagging Length)를 측정함으로써, 기체확산층의 굽힘 강성을 간접적으로 평가 가능하고, 측정후 기체확산층 본래 시트에 대한 재사용(Recycling)이 가능하며, 별도의 시편 제작 등의 추가 공정 없이 스택 제작용으로 절단된 기체확산층 본래 시트를 측정에 그대로 사용함에 따라 시편 샘플링부터 처짐길이의 측정 시간이 30초 이내로 매우 신속하게 이루어져 종래 방법 대비 40배~120배 검수 시간을 단축시킬 수 있으며, 결국 스택 제작용 기체확산층 시트의 일부가 아닌 기체확산층 시트 전체의 굽힘 강성에 대한 간접 평가가 가능하여 스택 제작 효율성을 크게 증가시킬 수 있는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법{Device and non-destructive method for measuring bending stiffness of GDL for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체확산층 시트의 손상이나 파괴없이 기체확산층 시트 전체의 처짐길이(Sagging Length)를 측정함으로써, 간접적으로 굽힘 강성을 평가할 수 있도록 한 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 연료전지로는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 적용되고 있는데, 이 고분자 전해질 막 연료전지가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면 수백장의 단위 셀을 반복 적층하여 스택(Stack)을 구성하고, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 하는 것으로 알려져 있다[S. Park, J. Lee, and B. N. Popov, J. Power Sources, 177, 457 (2008)].

상기 연료전지는 고분자 전해질 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 통해 전기가 생성되는데, 이 전기화학반응을 상세히 보면, 연료전지의 산화극인 애노드(Anode)에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극인 캐소드(Cathode)쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되어, 상기 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.

연료전지내 전기화학 반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재하면 막-전극 접합체의 가습성을 유지시켜 주는 바람직한 역할을 하지만, 과량의 물 발생시 이를 적절히 제거해 주지 않으면 높은 전류밀도에서 "물 범람(Flooding)" 현상이 발생하게 되고, 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내까지 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실이 더욱 더 커지게 된다.

이에, 연료전지 차량용 스택의 제작 속도를 높이고 품질을 안정화시키기 위해서는 스택 부품들을 효율적으로 조립/평가함과 동시에 스택 구성 부품들의 주요 물성을 신속하고 정확하게 측정하는 것이 필수적이다.

이를 위해 종래에 많은 평가 장치 및 기법들이 제안되었는데, 주로 연료전지 스택 자동 조립장치(한국공개특허 10-2009-0106217), 스택 기밀 검사 장치 및 방법(한국공개특허 10-2009-0113429, 10-2009-0108478), 연료전지 활성화 방법(한국공개특허 10-2007-0060760) 등의 스택 조립/품질검수/활성화에 관한 것들과, 고분자 전해질 막-전극 접합체내 이온성 고분자 공간분포 형상화 방법(Michael P. Balogh, Frederick A. Hayes, US 2009/0189076 A1), 전해질 막의 핀 홀(Pin Hole) 위치 확인 장치(한국공개특허 10-2009-0107610), MEA/ 기체확산층 일체화 설비(한국공개특허 10-2009-0111898), 연료전지 분리판 기밀검수 장치(한국공개특허 10-2009-0113432) 등의 각 부품 특성 평가에 관한 것들과, 연료전지의 고주파수 저항(High Frequency Resistance) 측정 장치 및 방법(David Rea, Kenneth L. Kaye, Robert S. Foley, Michael F. Zawiss, Clark G. Hochgraf, US2008/0091367 A1), 연료전지시스템의 최대 출력 계산 방법(John P. Salvador, Sriram Ganapathy, Kiran Mallavarapu, Frank X. Leo, Balasubramanian Lakshmanan, US2009/0197125 A1) 등 연료전지 전체 성능 측정에 관한 것들로 분류될 수 있다.

최근 자동차용 PEMFC 연구개발 및 양산화가 진전됨에 따라 연료전지 스택 부품 중 스택의 안정적 성능 발현에 큰 역할을 하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)의 특성 평가 방법 및 미세구조/성능 발현 메카니즘에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

종래 기체확산층의 특성 평가에 대한 관련 기술로는 기체확산층 압력별 두께/저항/차압/투과도 측정 장치(한국특허 10-0902316), 기체확산층 분리 감지 장치(한국공개특허 10-2009-0108767) 등의 기술들이 개발되어 있다.

이러한 기체확산층은 일반적으로 미세기공층과 거대기공지지체로 구성된다.

상기 기체확산층은 연료전지의 고분자 전해질 막의 양 표면에 각각 산화극 및 환원극을 위해 도포된 촉매층의 외표면에 접착되어, 반응 기체인 수소 및 공기(산소) 공급, 전기화학 반응에 의해 생성된 전자 이동, 반응 생성수를 배출시켜 연료전지 셀(Cell)내 물 범람 현상을 최소화시키는 등 다양한 기능을 한다.

현재 상업화된 기체확산층은 수은 압입법(Mercury Intrusion)으로 측정시 일반적으로 기공 크기 1 ㎛ 미만의 미세 기공층(MPL: Micro-Porous Layer)과, 1~300 ㎛ 크기의 거대 기공 지지체(Macro-Porous Substrate 또는 Gas Diffusion Backing)의 이중 층 구조(Dual Layer Structure)로 구성된다[L. Cindrella, A. M. Kannan, J. F. Lin, K. Saminathan, Y. Ho, C. W. Lin, J. Wertz, J. Power Sources, 194, 146 (2009); X. L. Wang, H. M. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu, Z. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Liang, B. L. Yi, Electrochim. Acta, 51, 4909 (2006)].

상기 기체확산층의 미세 기공층은 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 거대 기공 지지체의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다.

거대기공지지체는 일반적으로 탄소섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌, 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP: Fluorinated Ethylene Propylene) 등의 소수성 물질로 구성되는데[C. Lim and C. Y. Wang, Electrochim. Acta, 49, 4149 (2004)], 그 물리적 구조에 따라 크게 탄소섬유 펠트(Felt), 종이(Paper) 및 천(Cloth) 형으로 분류될 수 있다[Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156, 8 (2006); M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming, and W. Lehnert, Handbook of Fuel Cells-Fundamentals, Technology and Applications, Vol.3, Ch. 42, John Wiley & Sons (2003)].

이와 같은 연료전지용 기체확산층은 수송용, 휴대용, 가정용 등과 같은 상세 적용 분야 및 연료전지 운전 조건에 따라 적절히 성능이 발현되도록 그 구조 설계가 이루어져야 하는데, 일반적으로 연료전지 자동차용으로는 반응 기체 공급성 및 생성수 배출성, 스택 체결시 압축성/핸들링성(Handling Property) 등 제반 물성이 양호한 탄소섬유 펠트나 탄소섬유 종이형 기체확산층 사용이 탄소섬유 천 대비 더 선호되고 있다.

또한, 상기 기체확산층은 두께, 기체 투과도(Gas Permeability), 압축도(Compressibility), 미세 기공층과 거대 기공 지지체의 소수성(Hydrophobicity) 처리 정도, 탄소섬유 구조, 기공도/기공 분포, 기공 꼬임도(Tortuosity), 전기 저항 및 굽힘 강성(Bending Stiffness) 등 복잡하고 다양한 구조 차이에 따라 연료전지의 성능에 크게 영향을 미치며, 특히 물질 전달 영역에서 큰 성능 차이가 나타나는 것으로 알려져 있다.

또한, 상기 기체확산층은 연료전지 내에서 우수한 성능을 발현하고 스택으로 수백장 조립시 우수한 핸들링성을 부여하기 위해 적정 수준의 강성(Stiffness)을 가져야 한다.

기존에 보고된 바에 따르면, 기체확산층의 강성이 연료전지내에서 부족할 경우, 첨부한 도 1에서 보는 바와 같이 연료전지 셀 체결시 고분자 전해질 막-전극 접합체(300)를 사이에 두고 적층되는 기체확산층(100)이 분리판(200: Separator 또는 Bipolar Plate)의 유로 채널(220: Flow Field Channel) 부위로 침투하는 현상(‘GDL Intrusion’)이 발생하는 것으로 보고되고 있다[Iwao Nitta, Tero Hottinen, Olli Himanen, Mikko Mikkola, J. Power Sources, 171, 26 (2007); Yeh-Hung Lai, Pinkhas A. Rapaport, Chunxin Ji, Vinod Kumar, J. Power Sources, 184, 120 (2008); J. Kleemann, F. Finsterwalder, W. Tillmetz, J. Power Sources, 190, 92 (2009); M. F. Mathias, J. Roth, M. K. Budinski, US 7,455,928 B2; T. Kawashima, T. Osumi, M. Teranishi, T. Sukawa, US 2008/0113243 A1].

이러한 기체확산층의 분리판 채널로의 침투현상이 발생하면 반응 기체 및 생성수 등의 물질전달에 필요한 채널 공간이 부족해지고, 기체확산층과 분리판 리브(Rib) 또는 랜드(Land) 및 고분자 전해질 막-전극 접합체와의 접촉 저항이 증가할 수 있어 연료전지 셀 성능 저하의 큰 원인이 될 수 있다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 기체확산층의 굽힘 강성(Bending Stiffness)과 같은 기계적 물성을 증가시킴과 동시에 연료전지차용 스택 제작시 일정 수준 이상의 굽힘 강성을 발현하는 기체확산층을 균일하게 투입하는 것이 중요하다.

특히, 차량용 스택 제작을 신속하고 효율적으로 하고 또한 안정적인 스택 품질을 확보하기 위해서는 1대당 최소 수백장 사용되는 기체확산층의 굽힘 강성을 신속하고 용이하게 평가하는 것이 필수적이다.

그리고, 기체확산층의 굽힘 강성을 위한 샘플링 평가 시, 한 번 평가한 샘플이 정상일 경우 스택 조립용으로 재사용(Recycling)하여 부품 활용 빈도를 높이는 것 또한 중요하다.

종래 기체확산층 굽힘 강성 측정은 종래 2점(2-Point) 방식(DIN 53121), 3점 방식(ASTM D790), 테이버(Taber) 방식(ASTM D5342; C. Lee, W. Merida, J. Power Sources, 164, 141) 등 다양한 방법을 사용하여 측정하여 왔다.

그러나 이러한 종래 측정 방법은 첨부한 도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같이, 기체확산층(100) 본래 시트를 보다 작은 크기를 갖는 일정 크기의 시편(102)들로 절단함에 따라, 기체확산층(100) 본래 시트 형상이 파괴될 수 밖에 없고, 일정 크기로 절단된 시편(102)을 이용하여 굽힘 강성 등을 측정하기 때문에 한 번 측정한 기체확산층(100) 본래 시트는 그 재사용이 불가능한 단점이 있다.

또한, 기체확산층 본래 시트를 여러장의 시편 시트로 절단하고, 이 시편에 대한 두께/외관 등 기본특성 전수검사와, 굽힘강성 측정 검사, 측정후 기체확산층 본래 시트 및 시편 조각들을 모두 파기하는 과정 등 시편 샘플링부터 강성 측정까지의 시간이 매우 길고(20분~1시간), 공수가 많이 들며, 특히 기체확산층 시트(Sheet)중 국부적으로 일부만을 샘플링함에 따라 실제 자동차용 스택 제작에 투입되는 기체확산층 시트 전체의 강성을 대표하지 못하는 단점들이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 종래의 기체확산층의 굽힘강성 측정법과는 달리 기체확산층 본래 시트를 절단하는 것과 같은 손상이나 파괴없이, 기체확산층 시트 전체(본래 시트)의 처짐길이(Sagging Length)를 측정함으로써, 기체확산층의 굽힘 강성을 간접적으로 평가 가능하고, 측정후 기체확산층 본래 시트에 대한 재사용(Recycling)이 가능하며, 별도의 시편 제작 등의 추가 공정 없이 스택 제작용으로 절단된 기체확산층 본래 시트를 측정에 그대로 사용함에 따라 시편 샘플링부터 처짐길이의 측정 시간이 30초 이내로 매우 신속하게 이루어져 종래 방법 대비 40배~120배 검수 시간을 단축시킬 수 있으며, 결국 스택 제작용 기체확산층 시트의 일부가 아닌 기체확산층 시트 전체의 굽힘 강성에 대한 간접 평가가 가능하여 스택 제작 효율성을 크게 증가시킬 수 있는 연료전지용 기체확산층 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소정면적의 받침수단에 수직으로 수직으로 세워진 제1 및 제2상판 기둥과; 상기 제1상판기둥의 상하 길이방향을 따라 일체로 부착되어 기체확산층의 처짐길이를 측정하는 처짐길이 측정수단과; 상기 처짐길이 측정수단의 전면에 상하 이동 가능하게 장착되는 처짐길이 한계치 감응기와; 상기 제2상판기둥의 상단부에 장착되어 본래 시트 크기의 기체확산층 샘플을 고정시키는 기체확산층 샘플 홀더; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 처짐길이 한계치 감응기의 상면에는 접촉 감응식 전자센서가 더 설치된 것을 특징으로 한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 기체확산층 샘플 홀더는: 상기 제2상판기둥의 상단부에 장착되는 샘플고정용 하판지지대와; 상기 하판지지대의 상면에 일체로 장착되는 한 쌍의 고정판과; 상기 고정판의 내측에 상하 이동 가능하게 장착되되, 원하는 위치에서 위치고정핀에 의하여 고정되는 이동판; 으로 구성되고, 상기 고정판의 수평판 상면과 상기 이동판의 수평판 저면간의 사이공간은 기체확산층 시트의 일측단부가 삽입 거치될 수 있는 삽입구로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 기체확산층 샘플 홀더는: 상부 및 전후가 개방된 단일형 고정판과; 상기 고정판에 승하강 가능하게 결합되는 덮개; 로 구성되고, 상기 고정판의 수평판 상면과 덮개의 저면간의 사이공간은 기체확산층 시트의 일측단부가 삽입 거치될 수 있는 삽입구로 형성되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 삽입구의 높이는 기체확산층의 두께보다 1~5% 크게 형성되고, 삽입구의 너비도 기체확산층의 폭보다 1~5% 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기체확산층 샘플 홀더는, 기체확산층의 처짐길이 측정 전후의 변형 및 파손 여부를 육안으로 관찰할 수 있도록 투명한 재료로 제작되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스택에 실제 조립되는 시트 크기를 갖는 여러 종류의 기체확산층에 대한 굽힘강성을 미리 측정하는 단계와; 상기 기체확산층들의 일측단부를 샘플 홀더에 비접촉 방식으로 끼워서 고정시킨 다음, 기체확산층의 타단부가 밑으로 처지는 처짐길이를 측정하여 그 평균값과 표준 편차를 구하는 단계와; 미리 측정된 기체확산층의 굽힘강성과, 비접촉 방식으로 구해진 기체확산층의 처짐길이를 비교하여 상관관계를 확립하는 동시에 굽힘강성과 상관관계를 갖는 처짐길이를 기체확산층의 정품 판정을 위한 처짐길이 한계치로 정하는 단계와; 새로운 기체확산층의 처짐길이를 측정한 후, 상기 처짐길이 한계치와 비교하여, 새로운 기체확산층의 처짐길이가 처짐길이 한계치이내이면 새로운 기체확산층을 정품으로 판정하고, 한계치를 벗어나면 불량품으로 판정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 굽힘강성 비파괴 간접 측정 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 정품으로 판정된 기체확산층을 재사용하고자, 정품으로 판정된 기체확산층을 실제 스택 조립라인에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 기체확산층 본래 시트를 여러장의 시편 시트로 절단하여 굽힘강성을 측정하던 종래 방법과 달리, 기체확산층 본래 시트 자체를 굽힘강성 간접 측정에 이용하되, 기체확산층의 어떠한 손상이나 파괴없이 기체확산층을 거치시키면서 기체확산층의 굽힘강성을 간접적으로 평가하기 위한 처짐길이를 측정함으로써, 측정후 정품 판정된 기체확산층을 실제 스택 조립에 재사용할 수 있다.

또한, 종래에는 기체확산층의 굽힘강성 측정을 위해 별도의 시편을 절단 제작하였지만, 본 발명에서는 시편 제작이 아닌 실제의 기체확산층을 그대로 사용함으로써, 기체확산층의 샘플링부터 처짐길이 측정까지의 시간이 30초 이내로 매우 신속하게 이루어짐에 따라, 종래 방법 대비 40배~120배의 검수 시간을 단축시킬 수 있고, 기체확산층 시트 전체의 굽힘 강성에 대해 간접 평가가 가능하여 스택 제작 효율성을 크게 증가시킬 수 있다.

도 1은 기체확산층이 분리판의 채널로 침투되는 현상을 설명하는 개략도,
도 2a는 종래의 기체확산층에 대한 굽힘강성 측정을 위해 시편을 절단 제작하는 것을 설명하는 개략도,
도 2b는 종래의 기체확산층 원단이 스택 조립 공정까지 투입되는 과정을 설명하는 공정도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 비파괴 굽힘강성 측정을 위한 시편 샘플링 방법을 설명하는 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 기체확산층 비파괴 굽힘강성 간접 측정을 위한 기체확산층 본래 시트의 처짐길이를 측정하는 장치를 나타내는 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 기체확산층 비파괴 굽힘강성 간접 측정을 위한 구성중 기체확산층 샘플 홀더를 나타내는 개략도,
도 6은 본 발명에 따라 기체확산층 원단이 스택 조립 공정까지 투입되는 과정을 설명하는 공정도,
도 7은 본 발명에 따른 기체확산층 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치를 이용하여 기체확산층의 처짐길이를 실제 측정하는 예를 보여주는 사진,
도 8은 본 발명에 따라 측정되는 기체확산층의 처짐길이와 미리 측정된 기체확산층의 굽힘강성간의 상관관계를 보여주는 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 비파괴 굽힘강성 측정을 위한 시편 샘플링 방법을 설명하는 개략도로서, 기체확산층(50) 본래 시트(도 3의 (a) 참조)를 기체확산층 처짐길이 측정용 샘플(도 3의 (b) 참조)로 그대로 사용한 점에 주안점이 있다.

즉, 종래에는 기체확산층 본래 시트를 여러 조각으로 절단하여 별도의 시편 을 제작하였지만, 본 발명은 기체확산층 원단을 스택 조립 제작용으로 재단시킨 직사각형 시트 형상의 기체확산층(50) 본래 시트를 기체확산층의 굽힘강성 간접 측정을 위한 시편으로 그대로 사용하여 기체확산층의 처짐길이를 측정하고자 한 것이다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 기체확산층 비파괴 굽힘강성 측정을 위한 기체확산층 본래 시트의 처짐을 측정하는 장치를 나타낸다.

도 4에서 보듯이, 본 발명에 따른 기체확산층 비파괴 굽힘강성 측정을 위한 장치는 소정 면적의 하판지지대(10)와, 이 하판지지대(10)의 양측 상면에 각각 수직으로 세워진 제1 및 제2상판 기둥(11,12)과, 제1상판기둥(11)의 상하 길이방향을 따라 일체로 부착되어 기체확산층의 처짐길이를 측정할 수 있도록 한 처짐길이 측정수단(20)와, 이 처짐길이 측정수단(20)의 소정 위치에 내끝단이 상하 이동 가능하게 장착되고 외측단은 자유단을 이루면서 수평 배열되는 처짐길이 한계치 감응기(30)와, 상기 제2상판기둥(12)의 상단부에 장착되는 샘플고정용 하판지지대(41)에 구성되는 기체확산층 샘플 홀더(40) 등을 포함하여 구성된다.

상기 하판지지대(10)는 제1 및 제2상판기둥(11,12)을 지지하는 받침수단으로 채택된 것일 뿐, 제1 및 제2상판기둥(11,12)을 동시에 받쳐주는 단일 하판지지대(10) 뿐만아니라, 제1 및 제2상판기둥(11,12)을 별도로 받쳐주는 복수개의 하판지지대(10)를 사용할 수 있고, 또한 하판지지대(10)없이 설치하고자 하는 장소의 바닥에 제1 및 제2상판기둥(11,12)만을 수직으로 설치할 수 있음은 물론이다.

상기 기체확산층의 처짐길이를 측정하는 처짐길이 측정수단(20)은 기체확산층의 처짐길이를 육안으로 확인할 수 있도록 몸체부에 처짐길이가 눈금으로 각인된 형태의 처짐길이 측정자를 사용할 수 있고, 또는 레이저 광 센서를 사용할 수 있다.

예를 들어, 처짐길이 측정수단(20)의 몸체부에 장착된 레이저 광 센서에서 기체확산층의 처짐 전 위치에 레이저 광을 조사한 후, 그 반사되는 광을 수광함으로써, 제어부(미도시됨)에서 기체확산층의 처짐 전 위치를 계산하는 단계가 진행되고, 이어서 기체확산층의 처짐 후의 하단끝 위치에 대하여 레이저 광을 조사하는 동시에 그 반사되는 광을 수광하여 제어부에서 기체확산층의 처짐 후 위치를 계산하는 단계가 진행된 후, 기체확산층의 처짐 전 위치와 처짐 후의 위치를 차감하여 실제 기체확산층의 처짐길이를 측정할 수 있다.

특히, 상기 처짐길이 한계치 감응기(30)는 수동 감응식 또는 자동 감응식으로 설치될 수 있는 바, 수동 감응식의 경우는 처짐길이 측정수단(20)으로서 측정눈금자에 상하로 길다란 슬롯을 형성하고, 처짐길이 한계치 감응기(30)의 내끝단을 슬롯내에 승하강 가능하게 결합함으로써, 처짐길이 한계치 감응기(30)의 위치를 위쪽 또는 아래쪽으로 이동시켜서 기체확산층 제품별 특성에 맞게 기체확산층의 처짐길이 한계치를 변경할 수 있고, 반면에 자동 감응식의 경우는 처짐길이 한계치 감응기(30)의 상면에 접촉 감응식 전자센서(32)를 설치하여 자동으로 한계치 도달 유무를 감지하거나, 사람에 의한 직접 관능평가(Sensory Test)가 모두 가능하도록 한다.

예를 들어, 상기 수동 감응식의 경우, 처짐길이 측정수단(20)의 눈금자의 슬롯(미도시됨)내에 상하방향으로 등간격을 이루는 고정홈(미도시됨)을 형성하고, 처짐길이 한계치 감응기(30)의 내끝단에는 고정홈에 분리 가능하게 삽입 고정되는 돌기(미도시됨)를 일체로 형성함으로써, 고정홈내에 돌기를 삽입시키는 조작에 의하여 처짐길이 한계치 감응기(30)의 상하 위치(기체확산층 제품별 특성에 맞게 정품의 처짐길이 한계치)를 조절할 수 있다.

또한, 상기 자동 감응식의 경우, 기체확산층(50) 샘플이 닿게 되는 처짐길이 한계치 감응기(30)의 상면에 접촉 감응식 전자센서(32)를 더 설치하고, 이 전자센서(32)의 감지값을 제어부(미도시됨)의 연산에 의하여 표시장치(미도시됨)에 디스플레이되도록 함으로써, 기체확산층 샘플에 대한 처짐길이 한계치 도달 유무를 자동으로 인식할 수 있다.

다른 실시예로서, 상기 자동 감응식의 경우, 처짐길이 측정수단의 용도로 채택된 레이저 광 센서를 이용할 수 있는 바, 레이저 광 센서에서 조사되는 광이 기체확산층의 처짐 끝단에 닿는 경우 기체확산층 샘플의 처짐길이가 한계치에 도달한 것으로 판정하고, 반대로 레이저 광 센서에서 조사되는 광이 기체확산층의 처짐 끝단에 닿지 않는 경우에는 기체확산층 샘플의 처짐길이가 한계치에 도달되지 않은 것으로 판정할 수 있다.

한편, 상기 기체확산층 샘플 꽂이 즉, 기체확산층 샘플 홀더(40)는 도 5에서 보는 바와 같이 시트형 기체확산층(50)을 꽂이에 직접 삽입하는 삽입형 구조(도 5(a)) 또는 샘플 꽂이 상단에 얹은 후 별도의 덮개로 덮어 고정하는 덮개형 (도 5(b))을 사용하는 것이 모두 가능하다.

도 5의 (a)도면에서 보듯이, 상기 시트형 기체확산층(50)을 꽂이에 직접 삽입하는 삽입형 구조의 경우, 수직 절곡된 형상으로 구비되어 샘플고정용 하판지지대(41)에 일체로 장착되는 한 쌍의 고정판(42)과, 이 고정판(42)의 내측에 겹쳐지면서 위치고정핀(43)에 의하여 고정되는 수직 절곡된 형상의 이동판(44)으로 구성되되, 상기 고정판(42)과 이동판(44)의 수직판(42b,44b)이 겹쳐지며 위치고정핀(43)에 의하여 서로 결합되는 바, 고정판(42)과 이동판(44)에 서로 일치하는 끼움홀(미도시됨)을 상하방향을 따라 형성하여 끼움홀에 위치고정핀(43)을 삽입함으로써, 고정판(42)에 대한 이동판(44)의 높이 조절 및 위치 고정이 이루어질 수 있다.

특히, 상기 고정판(42)의 수평판(42a)의 상면과 이동판(44)의 수평판(44a)의 저면간의 사이공간은 기체확산층(50)이 삽입되는 삽입구(45)로 형성되는 바, 이 삽입구의 상하 높이를 적정 수준으로 유지시켜 기체확산층(50) 시트의 일측단부가 끼워지도록 한다.

즉, 상기 고정판(42)의 수평판(42a)과 이동판(44)의 수평판(44a)간의 사이공간인 삽입구(45)의 상하 높이는 기체확산층(50) 시트의 삽입시 기체확산층(50)의 미세기공층 표면이 파손되거나 긁히지 않도록 기체확산층(50)의 두께에 비하여 여유 공간을 두는 높이로 정하되, 기체확산층(50) 두께의 5% 이상 범위 내로 설정하도록 한다.

또한, 한 쌍의 고정판(42)의 수직판(42b)간의 좌우거리를 나타내는 너비는 기체확산층(50) 샘플의 너비보다 5% 이상 크게 설정해줌으로써, 기체확산층(50)의 처짐길이 측정 전후의 샘플을 넣고 빼는 것이 용이하게 이루어지도록 한다.

도 5의 (b)도면에서 보듯이, 덮개형 구조의 경우는 상부 및 전후가 개방된 단일형 고정판(46)과, 이 고정판(46)에 승하강 가능하게 결합되는 덮개(47)로 구성된다.

예를 들어, 상기 고정판(46)의 수직판(46b) 내면에 상하방향의 슬라이드홈(미도시됨)을 형성하고, 상기 덮개(47)를 슬라이드홈에 승하강 가능하게 결합하되, 수직판(46b)의 슬라이드홈내에 다수의 고정홈(미도시됨)을 형성하고, 덮개(47)의 양단부에 고정홈에 끼워지는 돌기(미도시됨)를 형성하여, 돌기를 고정홈에 끼워지게 함으로써, 고정판(46)에 대한 덮개(47)의 높이를 원하는 높이로 조절할 수 있도록 한다.

이때, 기체확산층(50) 샘플을 고정판(46)의 수평판(46a)의 상면과 그 위의 덮개(47) 저면 사이의 삽입구(48)내에 끼워서 기체확산층(50)의 처짐길이를 측정하게 되는 바, 마찬가지로 기체확산층(50) 샘플을 고정판(46)의 수평판(46a)에 올려 놓음과 동시에 덮개(47)로 덮어 샘플을 고정하되, 덮개(47)와의 접촉에 의해 기체확산층(50)의 미세기공층이 파손되는 것을 최소화하기 위해 덮개(47)와 기체확산층(50)간의 높이 여유 공간 즉, 삽입구(48)의 높이를 기체확산층(50) 두께의 5% 이상 유지하는 것이 바람직하고, 또한 고정판(46)의 수직판(46b)간의 너비를 기체확산층(50) 샘플의 너비보다 5% 이상 크게 설정하여 샘플을 넣고 빼는 것이 용이하게 이루어지도록 한다.

한편, 상기와 같이 삽입형 구조 또는 덮개형 구조로 이루어진 기체확산층 샘플 꽂이 즉, 기체확산층 샘플 홀더(40)는 금속, 세라믹(Ceramic), 고분자 재료 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용 가능하고, 기체확산층의 처짐길이 측정시의 파손이나 변형을 최소화하기 위해 경량이면서도 처짐길이 측정 전후의 샘플 변형 및 파손 여부를 육안으로 관찰 평가하는데 용이한 투명한 재료를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

이에, 상기 기체확산층 샘플 홀더(40)를 제작하기 위한 적합한 재료의 예로는 고분자 재료 중 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 폴리에틸메타아크릴레이트(Polyethylmethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트(Polymethylacrylate), 폴리에틸아크릴레이트(Polyethylacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(Polybuthylacrylate) 등의 아크릴계, 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리파라메틸스티렌(Polyparamethylstyrene), 폴리알파메틸스티렌(Polyalphamethylstyrene) 등의 스티렌 계, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutyleneterephthalate) 등의 에스테르(Ester)계, 폴리에틸렌(Polyethylene), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate), 폴리프로필렌(Polypropylene) 등의 올레핀(Olefin)계, 폴리카보네이트(Polycarbonate)계, 폴리에테르이미드(Polyetherimide)계 및 에폭시(Epoxy)계들 중 선택된 어느 하나이고, 상기 고분자들 각각의 단독 중합체(Homopolymer) 또는 랜덤(Random)/가지(Graft)/블록(Block)/교호(Alternating) 공중합체들(Copolymers)을 단독으로 사용하거나, 상기 고분자를 다른 한 종 이상의 열가소성/열경화성/고무 고분자와 블렌드하거나, 유기/무기 물질들과 혼합한 혼합재(Mixture) 형태를 적용할 수 있다.

따라서, 상기와 같이 샘플 홀더(40)에 기체확산층 샘플(본래 시트)의 일측단부를 끼운 다음, 기체확산층(50)의 타단부가 밑으로 처지는 처짐길이를 측정하게 되며, 이러한 측정 방법에 의해 여러 기체확산층 샘플에 대한 처짐길이를 반복 측정하여 그 평균값과 표준 편차를 구한 후, 기존에 측정해 놓은 테이버 굽힘 강성값들과 비교하여 상관관계를 확립하고, 기체확산층 정품에 대한 처짐길이 적정 범위 및 처짐길이 한계치를 정한다.

이때, 상기 샘플 홀더(40)에 기체확산층 샘플(본래 시트)를 끼워서 처짐길이를 측정하게 되지만, 본래 시트를 종래와 같이 다른 크기를 갖는 샘플 조각으로 잘라서 사용하는 경우에는 처짐길이를 측정할 수 있음을 물론이다.

이렇게 정해진 기체확산층(50)의 처짐길이에 대한 적정범위 및 한계치를 기체확산층의 굽힘 강성을 간접 평가하는 처짐길이의 기준으로 삼는 동시에 상기와 같이 처짐길이 한계치 감응기(30)의 높이를 기체확산층(50) 정품에 대한 처짐길이 한계치에 맞게 조절한다.

이에, 상기 기체확산층(50) 샘플의 타측단부가 처지면서 처짐길이 한계치 감응기(30)에 닿지 않거나, 처짐길이 한계치 감응기(30)의 밑으로 처지지 않는 상태에서 처짐길이 측정수단(20)의 눈금자의 눈금을 읽거나, 상기한 레이저 광 센서에 의한 자동 측정이 이루어진 후, 그 측정값이 처짐길이의 한계치내이면 기체확산층(50) 샘플을 정품으로 판정하여 재사용하고, 반면 기체확산층(50) 샘플의 처짐길이가 한계치를 벗어나면 불량품으로 판정하여 제거한다.

첨부한 도 6의 공정도에서 보듯이, 종래의 기체확산층에 대한 굽힘 강성 측정법과는 달리, 기체확산층 본래 시트를 샘플로 하여 기체확산층의 어떠한 손상이나 파괴없이 기체확산층의 굽힘 강성을 처짐길이의 측정으로 간접 평가함으로써, 샘플링부터 처짐길이의 측정까지의 시간이 30초 이내로 매우 빨리 진행되어 종래 방법 대비 40배~120배 정도 검수 시간을 단축시킬 수 있고, 종래의 별도 제작되어 시편 용도로 사용된 후 폐기되던 기체확산층 샘플과 달리 정상적인 정품 판정을 받은 기체확산층 샘플을 직접 스택의 조립에 사용할 수 있는 재사용(Recycling)의 잇점을 제공할 수 있다.

여기서, 여러 기체확산층 샘플에 대한 처짐길이를 반복 측정하여 그 평균값과 표준 편차를 구한 다음, 기존에 측정해 놓은 테이버 굽힘 강성값들과 비교하여 상관관계를 확립함으로써, 기체확산층 정품에 대한 처짐길이 적정 범위 및 처짐길이 한계치를 정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상업화된 기체확산층 5종을 선택하여 평가하였는 바, 연료전지 반응 기체 공급성 및 생성수 배출성, 스택 체결시 압축성 및 핸들링성 등 제반 물성이 양호하여 자동차용 연료전지에 많이 사용되는 탄소섬유 펠트형과 탄소섬유 종이형 기체확산층 중 펠트형 3종(GDL1-F, GDL2-F 및 GDL3-F), 종이형 2종(GDL4-P, GDL5-P)을 각각 선택하여 사용하였다.

또한, 본 발명의 측정에 사용되는 기체확산층은 미세기공층과 거대기공지지체로 구성되거나 또는 거대기공지지체만으로 구성된 것을 모두 사용할 수 있지만, 본 발명의 실시예에서는 미세기공층과 거대기공지지체로 구성된 제품을 사용하였다.

이렇게 본 발명의 실시예에 선택된 기체확산층 5종은 미세기공층과 거대기공지지체 각각에 소수성 물질을 사용하여 소수성 처리가 되어 있는 제품들로 이에 대한 기본 특성들은 아래의 표 1에 나타낸 바와 같고, 기체확산층 두께는 Mitutoyo 두께 측정기(Mitutoyo Co., Japan)를 사용하여 각 기체확산층 종류별 50회 이상 측정하여 평균값 및 표준편차를 구하였다.

상기한 본 발명의 처짐길이 측정장치를 이용하여, 위의 표 1에 기재된 특성을 갖는 기체확산층 5종에 대한 처짐길이를 측정하게 되면, 첨부한 도 7의 실제 측정 모습에서 보듯이 기체확산층의 종류 및 특성에 따라 서로 상이한 처짐길이를 나타내는 것을 알 수 있다(도 7에는 기체확산층 5종중 GDL1-F, GDL4-P, GDL5-P의 처짐길이 측정 상태를 나타냄).

따라서, 주어진 각 연료전지 스택 시스템 특성, 운전 조건 및 셀 체결 조건 등을 총괄적으로 고려하여 적합한 기체확산층을 선택한 후, 각 기체확산층별 처짐길이의 평균값 및 표준 편차를 구하여 품질 검수의 한 인자로 활용하는 것이 가능하다.

상기한 기체확산층 5종별에 대한 실제 굽힘강성을 기존 테이버 방법(테이버 굽힘강도 측정기(모델: 150-E V-5, Taber Industries, USA)를 사용하여 굽힘 각도를 15°로 하고 기체확산층 종류당 최소 3개 이상의 시편을 샘플링 후 시트의 길이 방향을 기준으로 측정함)을 이용하여 측정하고, 그 결과를 본 발명의 방법으로 측정한 처짐길이와 비교해보면, 그 결과는 아래의 표 2 및 첨부한 도 8에 나타낸 바와 같다.

표 2 및 도 8에서 보듯이, 기체확산층 5종중 GDL1-F의 실제 굽힘강성은 75.5±6.6 gf×cm이고, 처짐길이는 85±16 mm로 나타났고, GDL2-F의 실제 굽힘강성은 66.4±9.1 gf×cm이고, 처짐길이는 95±10 mm로 나타났으며, GDL3-F의 실제 굽힘강성은 19.4±1.3 gf×cm이고, 처짐길이는 163±7 mm로 나타나는 등 각 기체확산층의 실제 굽힘강성과 처짐길이는 서로간의 상관관계를 나타내게 된다.

이에, 기존에 측정해 놓은 테이버 굽힘 강성값들과 비교하여, 기체확산층의 처짐길이에 대한 처짐길이 한계치를 정하되, 예를들어 기체확산층 5종중 실제 75.5±6.6의 굽힘강성을 갖는 GDL1-F의 경우는 처짐길이 한계치를 85±16mm 이하로 정해주게 되며, 상기한 기체확산층 처짐길이 측정 장치를 이용하여 GDL1-F의 처짐길이를 측정한 결과 85±16mm 이하이면 정품으로 판정하고, 그 이상이면 불량으로 판정하게 된다.

이와 같이, 탄소섬유 펠트형 및 종이형 기체확산층 모두 테이버 굽힘 강성과 처짐길이간 일정 상관관계를 나타내고 있어, 본 발명의 기체확산층 처짐길이 측정 장치를 이용하여 기체확산층의 처짐길이를 측정시 그 굽힘강성을 간접적으로 신속하게 평가하는 것이 가능하고, 측정에 사용된 기체확산층에 전혀 손상이 없으므로 스택 제작에 실제 재사용 가능하며, 샘플링부터 처짐길이 측정 시간이 30초 이내로 매우 신속하게 이루어져 종래 대비 40배~120배의 검수 시간 단축이 가능한 잇점을 제공하게 된다.

10 : 하판지지대 11 : 제1상판 기둥
12 : 제2상판기둥 20 : 처짐길이 측정수단
30 : 처짐길이 한계치 감응기 32 : 접촉 감응식 전자센서
40 : 기체확산층 샘플 홀더 41 : 샘플고정용 하판지지대
42 : 고정판 42a : 수평판
42b : 수직판 43 : 위치고정핀
44 : 이동판 44a : 수평판
44b : 수직판 45 : 삽입구
46 : 고정판 46a : 수평판
46b : 수직판 47 : 덮개
48 : 삽입구 50 : 기체확산층

Claims (9)

1. 소정면적의 받침수단에 수직으로 세워진 제1 및 제2상판 기둥(11,12)과;
   상기 제1상판기둥(11)의 상하 길이방향을 따라 일체로 부착되어 기체확산층의 처짐길이를 측정하는 처짐길이 측정수단(20)과;
   상기 처짐길이 측정수단(20)에 장착되어 측정된 처짐길이가 한계치에 도달했는지를 인식하는 처짐길이 한계치 감응기(30)와;
   상기 제2상판기둥(12)의 상단부에 장착되어 본래 시트 크기를 갖는 기체확산층(50) 샘플의 일측단부가 거치되는 기체확산층 샘플 홀더(40);
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 처짐길이 한계치 감응기(30)는 평판형 구조로서, 그 상면에 접촉 감응식 전자센서(32)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 기체확산층 샘플 홀더(40)는:
   상기 제2상판기둥(12)의 상단부에 장착되는 샘플고정용 하판지지대(41)와;
   상기 하판지지대(41)의 상면에 일체로 장착되는 한 쌍의 고정판(42)과;
   상기 고정판(42)의 내측에 상하 이동 가능하게 장착되되, 원하는 위치에서 위치고정핀(43)에 의하여 고정되는 이동판(44);
   으로 구성되고,
   상기 고정판(42)의 수평판(42a) 상면과 상기 이동판(44)의 수평판(44a) 저면간의 사이공간은 기체확산층(50) 시트의 일측단부가 삽입 거치될 수 있는 삽입구(45)로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 기체확산층 샘플 홀더(40)는:
   상부 및 전후가 개방된 단일형 고정판(46)과;
   상기 고정판(46)의 수직판(46b)에 슬라이드 고정 방식으로 승하강 가능하게 결합되는 덮개(47);
   로 구성되고,
   상기 고정판(46)의 수평판(46a) 상면과 덮개(47)의 저면간의 사이공간은 기체확산층(50) 시트의 일측단부가 삽입 거치될 수 있는 삽입구(48)로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치.
   
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 삽입구(45,48)의 높이는 기체확산층(50)의 두께보다 1~5% 크게 형성되고, 삽입구(45,48)의 너비도 기체확산층(50)의 폭보다 1~5% 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치.
   
6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 기체확산층 샘플 홀더(40)는, 기체확산층(50)의 처짐길이 측정 전후의 변형 및 파손 여부를 육안으로 관찰할 수 있도록 투명한 재료로 제작되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 처짐길이 측정수단(20)은,
   기체확산층(50)의 처짐길이를 육안으로 식별할 수 있도록 눈금이 각인된 측정자, 또는 기체확산층(50)의 처짐길이를 계산할 수 있도록 기체확산층(50)의 처짐 전 및 처짐 후의 길이를 감지하는 레이저 광 센서로 채택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치.
   
8. 스택에 실제 조립되는 시트 크기를 갖는 여러 종류의 기체확산층에 대한 굽힘강성을 미리 측정하는 단계와;
   상기 기체확산층들의 일측단부를 샘플 홀더에 비접촉 방식으로 끼워서 고정시킨 다음, 기체확산층의 타단부가 밑으로 처지는 처짐길이를 측정하여 그 평균값과 표준 편차를 구하는 단계와;
   미리 측정된 기체확산층의 굽힘강성과, 비접촉 방식으로 구해진 기체확산층의 처짐길이를 비교하여 상관관계를 확립하는 동시에 굽힘강성과 상관관계를 갖는 처짐길이를 기체확산층의 정품 판정을 위한 처짐길이 한계치로 정하는 단계와;
   새로운 기체확산층의 처짐길이를 측정한 후, 상기 처짐길이 한계치와 비교하여, 새로운 기체확산층의 처짐길이가 처짐길이 한계치이내이면 새로운 기체확산층을 정품으로 판정하고, 한계치를 벗어나면 불량품으로 판정하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 방법.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 정품으로 판정된 기체확산층을 재사용하고자, 정품으로 판정된 기체확산층을 실제 스택 조립라인에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 방법.

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