KR20130053046A - 연료전지용 전해질막 검사장치 및 방법 - Google Patents

연료전지용 전해질막 검사장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 중앙에 전해질막이 마련되며, 상기 전해질막 양측에 캐소드와 애노드의 전극층이 마련된 막전극접합체; 상기 캐소드 측에 마련되며, 단부측에 산소공급장치가 연결되어 캐소드에 산소를 공급하도록 하는 캐소드측 분리판; 상기 애노드 측에 마련되며, 단부측에 수소공급장치가 연결되어 애노드에 수소를 공급하도록 하는 애노드측 분리판; 상기 애노드측 분리판을 기준전극으로 이용하며, 캐소드측 분리판과 애노드측 분리판에 각각 일정 전위를 인가하여 산소와 수소의 화학반응을 통해 캐소드 측에 산성수를 형성하도록 한 일정전위기; 및 상기 막전극접합체와 캐소드측 분리판 사이에 마련되며, 산성수와 반응하여 색상이 변화되고, 전해질막 손상시 손상된 전해질막을 통과하여 캐소드 측으로 다량의 수소가 넘어오는 경우 다르게 반응하는 색상 변화를 통해 전해질막의 손상 위치를 파악하도록 한 시약종이;를 포함하여 구성되는 연료전지용 전해질막 검사장치 및 방법이 소개된다.

Description

연료전지용 전해질막 검사장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TESTING ELECTROLYTE MEMBRANE IN FUEL CELL}
본 발명은 전해질막의 손상 위치에 따라 다르게 변화하는 색상 차이에 의해 전해질막의 손상 위치를 검사하고, 전해질막 검사시 전해질막에 화학적인 오염을 가하지 않도록 한 연료전지용 전해질막 검사장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
도 1은 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)에 대해 간략하게 도시한 것으로, 크게 막전극접합체(1)(MEA:Membrane Electrode Assembly)와, 기체확산층(2)(GDL:Gas Diffusion Layer)과, 분리판(3)(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
즉, 막전극접합체(1)는 수소 이온이 이동하는 전해질막(1a)을 중심으로 하여, 이 전해질막(1a)의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극촉매층(1b)이 각각 부착되며, 기체확산층(2)은 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하고, 분리판(3)은 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 역할을 수행한다.
이같은 구성에 따라, 연료인 수소와 산화제인 공기가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 공기는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
이때, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으키게 되며, 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하고, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 고분자 전해질막 연료전지의 수명은 상용화하기 위해 요구되는 수준에 비해 짧은 것이 현 실정인데, 수명을 짧게 하는 원인은 연료전지를 구성하는 여러 요소에 모두 존재하지만, 특히 고분자 전해질막의 열화가 장시간 운전 후 성능 저하에 많은 영향을 주고 있다.
전해질막의 열화 원인은 크게 열, 압력, 이온 오염, 전기화학적인 열화를 들 수 있고, 특히 전기화학적인 열화는 캐소드에서 확산되어온 산소가 애노드의 백금(Pt) 촉매 상에 형성된 수소 라디칼과 만나서 산소 라디칼을 형성하며, 이 형성된 산소 라디칼이 고분자 전해질막의 화학결합을 공격해 막의 열화를 발생시키는 것으로 알려져 있다.
이에, 고분자 사슬이 끊어져 가스-크로스오버(gas-crossover)가 심하게 발생하게 되고, 해당 부위의 전해질막의 열화속도가 급증하게 되면서, 전해질막에 작은 구멍인 핀홀(pinhole)이 발생하게 된다.
이처럼, 핀홀이 형성된 경우 애노드 측으로 과량의 산소가 크로스오버되면서 전해질막의 열화는 가속화되어 결국 전체 셀이나 스택의 수명이 다하게 된다.
그러나, 현재 사용되고 있는 막전극접합체의 경우, 전해질막의 손상 여부는 알 수 있으나, 전해질막의 면적이 큰 관계로 어느 위치에서 문제가 발생되었으며, 상대적으로 문제가 발생된 위치에 따라 어느 정도의 차이가 있는지 알지 못하는 실정에 있다.
이에, 전해질막의 위치에 따른 손상 정도를 파악하기 위한 여러 방안들이 제안되고 있으며, 대표적인 방법으로 고분자 전해질막에 지시약을 주입하여 핀홀이 발생된 부분에 변색이 발생되는 것을 통해 핀홀의 위치를 확인하고 있다.
그러나, 이는 화학적인 지시약을 사용함으로써, 전해질막을 오염시키는 문제가 있어, 전해질막의 손상 부위 확인 후 추가적인 분석작업이 어려운 문제가 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 전해질막의 손상 위치에 따라 다르게 변화하는 색상 차이에 의해 전해질막의 손상 위치를 검사하도록 한 연료전지용 전해질막 검사장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 전해질막 손상 검사 과정에서 전해질막에 화학적인 오염이나 변형을 가하지 않아, 전해질막의 추가적인 검사가 가능하도록 한 연료전지용 전해질막 검사장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 중앙에 전해질막이 마련되며, 상기 전해질막 양측에 캐소드와 애노드의 전극층이 마련된 막전극접합체; 상기 캐소드 측에 마련되며, 단부측에 산소공급장치가 연결되어 캐소드에 산소를 공급하도록 하는 캐소드측 분리판; 상기 애노드 측에 마련되며, 단부측에 수소공급장치가 연결되어 애노드에 수소를 공급하도록 하는 애노드측 분리판; 상기 애노드측 분리판을 기준전극으로 이용하며, 캐소드측 분리판과 애노드측 분리판에 각각 일정 전위를 인가하여 산소와 수소의 화학반응을 통해 캐소드 측에 산성수를 형성하도록 한 일정전위기; 및 상기 막전극접합체와 캐소드측 분리판 사이에 마련되며, 산성수와 반응하여 색상이 변화되고, 전해질막 손상시 손상된 전해질막을 통과하여 캐소드 측으로 다량의 수소가 넘어오는 경우 다르게 반응하는 색상 변화를 통해 전해질막의 손상 위치를 파악하도록 한 시약종이;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 캐소드측 분리판은 투명한 재질로 형성되어, 시약종이의 색상 변화를 관찰하도록 할 수 있다.
상기 캐소드측 분리판은 테두리에 전도체가 마련되어, 캐소드측 분리판에 전위를 인가할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전해질막 검사방법은, 막전극접합체와 캐소드측 분리판 사이에 시약종이를 삽입하는 시약종이마련단계; 막전극접합체에 마련된 캐소드에 산소를 공급하는 산소공급단계; 막전극접합체에 마련된 애노드에 수소를 공급하는 수소공급단계; 애노드측 분리판을 기준전극으로 이용하며, 캐소드측 분리판과 애노드측 분리판에 각각 일정 전위를 인가하여 산소와 수소의 화학반응을 통해 캐소드 측에 산성수를 형성하는 산성수 형성단계; 산성수와 반응하여 시약종이의 색상이 변화되며, 전해질막의 손상시 손상된 전해질막을 통과하여 캐소드 측으로 다량의 수소가 넘어오는 경우 다르게 반응하는 색상 변화를 통해 전해질막의 손상 위치를 파악하는 손상위치 파악단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 전해질막의 손상된 부분에 따라 캐소드 측으로 넘어오는 수소의 양이 부분적으로 달라지는 경우, 시약종이의 색상이 전해질막의 손상된 위치에 따라 다르게 나타나게 됨으로써, 전해질막의 국부적 손상된 위치와 손상 정도를 쉽게 파악할 수 있는 장점이 있다.
더욱이, 캐소드측 분리판이 투명 재질로 형성되는 바, 크로스오버되는 수소량의 차이로 인한 시약종이에서의 색상 차이를 가시화하여 전해질막의 손상 검사를 보다 쉽고 간편하게 수행할 수 있는 효과도 있다.
게다가, 추가적이고 인위적인 장치나 변경이 없이 단순히 시약종이만으로 전해질막의 검사가 가능하여 다수의 막전극접합체를 간편하게 검사할 수 있음은 물론 검사에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있는 효과도 있다.
그리고, 수소와 산소의 화학반응을 통해 발생되는 산성수를 이용하여 전해질막의 손상을 검사하므로, 전해질막에 화학적인 오염이나 변형이 가해지지 않아 손상 부위 확인 후에 전해질막의 추가적인 분석이 가능한 장점도 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 연료전지 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지용 전해질막 검사장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 전해질막 손상시 시약용지의 색상 변화 결과를 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3을 통해 도시된 본 발명의 연료전지용 전해질막 검사장치는, 전해질막(11)의 손상 위치에 따라 다르게 변화하는 시약종이(50)의 색상 차이에 의해 전해질막(11)의 손상 위치를 검사하는 장치로써, 중앙에 전해질막(11)이 마련되며, 상기 전해질막(11) 양측에 캐소드(12)와 애노드(13)의 전극층이 마련된 막전극접합체(10)와, 상기 캐소드(12) 측에 마련되며, 단부측에 산소공급장치(22)가 연결되어 캐소드(12)에 산소를 공급하도록 하는 캐소드측 분리판(20)과, 상기 애노드(13) 측에 마련되며, 단부측에 수소공급장치(32)가 연결되어 애노드(13)에 수소를 공급하도록 하는 애노드측 분리판(30)과, 상기 애노드측 분리판(30)을 기준전극으로 이용하며, 캐소드측 분리판(20)과 애노드측 분리판(30)에 각각 일정 전위를 인가하여 산소와 수소의 화학반응을 통해 캐소드(12) 측에 산성수를 형성하도록 한 일정전위기(40)와, 상기 막전극접합체(10)와 캐소드측 분리판(20) 사이에 마련되며, 산성수와 반응하여 색상이 변화되고, 전해질막(11) 손상시 손상된 전해질막(11)을 통과하여 캐소드(12) 측으로 다량의 수소가 넘어오는 경우 다르게 반응하는 색상 변화를 통해 전해질막(11)의 손상 위치를 파악하도록 한 시약종이(50)를 포함하여 구성된다.
즉, 막전극접합체(10)와 캐소드측 분리판(20) 사이에 시약용지가 삽입되고, 캐소드(12)측에 산성수가 형성된 상태에서, 전해질막(11)을 통과하여 캐소드(12) 측으로 수소가 넘어가게 됨으로써, 크로스오버되는 수소량의 차이에 의해 시약용지의 색상이 다르게 변화되고, 이를 통해 전해질막(11)의 손상 위치를 검사 및 파악할 수 있게 된다.
도 2를 통해 본 발명의 연료전지용 전해질막(11) 검사장치의 구성을 보다 구체적으로 살펴본다.
먼저, 막전극접합체(10)는 전해질막(11) 양측으로 캐소드(12) 전극층과 애노드(13) 전극층이 부착되어 구성된다.
그리고, 캐소드측 분리판(20)에는 산소공급장치(22)가 연결되어, 상기 산소공급장치(22)에서 캐소드측 분리판(20)에 형성된 유로에 산소를 공급하며, 이 산소 가스는 캐소드(12)에 공급된다.
여기서, 상기 캐소드측 분리판(20)은 투명한 재질로 형성될 수 있어, 시약종이(50)의 색상 변화를 쉽게 관찰하도록 한다.
바람직하게는 상기 캐소드측 분리판(20)이 투명한 아크릴 재질로 형성될 수 있으며, 이때에는 캐소드측 분리판(20)의 테두리에 전도체(21)가 부착되어, 캐소드측 분리판(20)에 일정한 전위가 인가 가능하도록 구성될 수 있다.
아울러, 애노드측 분리판(30)에는 수소공급장치(32)가 연결되어, 상기 수소공급장치(32)에서 애노드측 분리판(30)에 형성된 유로에 수소를 공급하며, 이 수소 가스는 애노드(13)에 공급된다.
이때, 상기 애노드측 분리판(30) 역시 투명한 재질로 형성될 수 있으며, 투명한 아크릴 재질로 형성되는 경우, 애노드측 분리판(30)의 테두리에 전도체(32)가 부착되어, 애노드측 분리판(30)에 전위를 인가할 수 있게 된다.
여기서, 본 발명에서는 도시되어 있지 않으나, 막전극접합체(10)와 캐소드측 분리판(20) 및 애노드측 분리판(30)의 측면 사이에는 별도의 가스켓 구조 등을 통해 기밀 및 수밀되는 구조가 마련되어야 할 것이다.
계속해서, 일정전위기(40)(potentiostat)는 캐소드측 분리판(20)과 애노드측 분리판(30)에 각각 일정 전위를 인가하여 산소와 수소의 화학반응을 통해 캐소드(12) 측에 산성수를 형성하는 역할을 수행한다.
여기서, 전위의 인가는 수소 측을 기준으로 하므로, 애노드측 분리판(30)을 기준전극(reference 전극)으로 이용하여 인가하게 된다. 즉, 애노드측 분리판(30)에 0V의 전위를 일정하게 인가하는 경우, 캐소드측 분리판(20)에 0.682V의 전위를 일정하게 인가하게 되면, 산소와 수소가 화학적 반응을 일으켜 캐소드(12)측에 산성수로써 과산화수소가 발생된다.
이때, 산성수로 과산화수소의 생성을 위한 전위 인가가 적절하나, 다른 전위의 인가를 통해 과산화수소 이 외에 다른 산성수가 생성되도록 할 수도 있을 것이다.
시약종이(50)는 막전극접합체(10)와 캐소드측 분리판(20) 사이에 마련되는 것으로, 전해질막(11) 손상시 손상된 전해질막(11)을 통과하여 캐소드(12) 측으로 다량의 수소가 넘어오는 경우 다르게 반응하는 색상 변화를 통해 전해질막(11)의 손상 위치를 파악 및 검사하는 데 사용된다. 이러한, 시약종이(50)는 리트머스 종이와 같은 원리로써 산성 및 알칼리성의 수용액에 반응하여 색상이 변화된다.
본 발명의 작용 및 효과를 살펴본다.
본 발명의 연료전지용 전해질막 검사방법은, 막전극접합체(10)와 캐소드측 분리판(20) 사이에 시약종이(50)를 삽입하는 시약종이마련단계와, 막전극접합체(10)에 마련된 캐소드(12)에 산소를 공급하는 산소공급단계와, 막전극접합체(10)에 마련된 애노드(13)에 수소를 공급하는 수소공급단계와, 애노드측 분리판(30)을 기준전극으로 이용하며, 캐소드측 분리판(20)과 애노드측 분리판(30)에 각각 일정 전위를 인가하여 산소와 수소의 화학반응을 통해 캐소드(12) 측에 산성수를 형성하는 산성수 형성단계와, 산성수와 반응하여 시약종이(50)의 색상이 변화되며, 전해질막(11)의 손상시 손상된 전해질막(11)을 통과하여 캐소드(12) 측으로 다량의 수소가 넘어오는 경우 다르게 반응하는 색상 변화를 통해 전해질막(11)의 손상 위치를 파악하는 손상위치 파악단계를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명은 캐소드측 분리판(20)과 막전극접합체(10)와 캐소드측 분리판(20) 사이에 리트머스 종이와 같은 시약종이(50)를 삽입하며, 일반적인 연료전지 운전 조건과 달리 캐소드측 분리판(20)에 공기가 아닌 산소를 공급한다.
이어서, 일정전위기(40)를 통해 캐소드측 분리판(20)과 애노드측 분리판(30)에 일정한 전위를 각각 인가하여, 수소와 산소가 화학반응하면 물을 형성하기도 하고, 과산화수소를 형성할 수도 있다.
이같은 형성액의 차이는 외부에서 주어지는 전압에 의해 결정되게 되는데, 이때 인가되는 전압은 애노드(13) 측을 기준으로 하므로, 외부에서 애노드측 분리판(30)에 0V를 인가하고, 캐소드측 분리판(20)에 약 0.682V의 전압을 인가하게 되면, 캐소드(12)측에 과산화수소 반응이 형성된다.
이처럼, 외부 전압에 의해 과산화수소가 형성되면, 과산화수소는 산성을 띄게 되므로 시약종이(50)가 산성수와 반응하여 나타나는 색상으로 변하게 된다.
그런데 이때, 산소는 일정한 유량으로 공급되고 있기 때문에, 과산화수소의 농도는 수소 측에서 넘어오는 수소의 양에 따라 달라지게 되고, 이같은 농도의 변화는 시약종이(50)에 다른 색상 변화를 통해 나타나게 된다. 즉, 전해질막(11)에 핀홀 등의 손상이 발생되면, 이 핀홀을 통해 과량의 수소가 넘어오게 되면서, 과산화수소의 농도가 떨어지게 된다.
따라서, 도 3과 같이 전해질막(11)의 손상된 부분에 따라 넘어오는 수소의 양이 부분적으로 달라지게 되면서, 시약종이(50)의 색상 또한 그 손상된 위치에 따라 다르게 나타나게 됨으로써, 전해질막(11)의 국부적 손상된 위치와 손상 정도를 쉽게 파악할 수 있게 된다.
더욱이, 캐소드측 분리판(20)이 투명 재질로 형성되는 바, 이같이 크로스오버되는 수소량의 차이로 인한 시약종이(50)에서의 색상 차이를 가시화하여 전해질막(11)의 손상 검사를 보다 쉽고 간편하게 수행할 수 있게 된다.
또한, 추가적이고 인위적인 장치나 변경이 없이 단순히 시약종이(50)만으로 전해질막(11)의 검사가 가능하여 다수의 막전극접합체(10)를 간편하게 검사할 수 있음은 물론 검사에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있게 된다.
아울러, 수소와 산소의 화학반응을 통해 발생되는 산성수를 이용하여 전해질막(11)의 손상을 검사하므로, 전해질막(11)에 화학적인 오염이나 변형이 가해지지 않아 손상 부위 확인 후에 전해질막(11)의 추가적인 분석이 가능하게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 막전극접합체 11 : 전해질막
12 : 캐소드 13 : 애노드
20 : 캐소드측 분리판 21 : 전도체
22 : 산소공급장치 30 : 애노드측 분리판
32 : 수소공급장치 40 : 일정전위기
50 : 시약종이

Claims (4)

  1. 중앙에 전해질막(11)이 마련되며, 상기 전해질막(11) 양측에 캐소드(12)와 애노드(13)의 전극층이 마련된 막전극접합체(10);
    상기 캐소드(12) 측에 마련되며, 단부측에 산소공급장치(22)가 연결되어 캐소드(12)에 산소를 공급하도록 하는 캐소드측 분리판(20);
    상기 애노드(13) 측에 마련되며, 단부측에 수소공급장치(32)가 연결되어 애노드(13)에 수소를 공급하도록 하는 애노드측 분리판(30);
    상기 애노드측 분리판(30)을 기준전극으로 이용하며, 캐소드측 분리판(20)과 애노드측 분리판(30)에 각각 일정 전위를 인가하여 산소와 수소의 화학반응을 통해 캐소드(12) 측에 산성수를 형성하도록 한 일정전위기(40); 및
    상기 막전극접합체(10)와 캐소드측 분리판(20) 사이에 마련되며, 산성수와 반응하여 색상이 변화되고, 전해질막(11) 손상시 손상된 전해질막(11)을 통과하여 캐소드(12) 측으로 다량의 수소가 넘어오는 경우 다르게 반응하는 색상 변화를 통해 전해질막(11)의 손상 위치를 파악하도록 한 시약종이(50);를 포함하는 연료전지용 전해질막 검사장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐소드측 분리판(20)은 투명한 재질로 형성되어, 시약종이(50)의 색상 변화를 관찰하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 전해질막 검사장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 캐소드측 분리판(20)은 테두리에 전도체(21)가 마련되어, 캐소드측 분리판(20)에 전위를 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전해질막 검사장치.
  4. 막전극접합체(10)와 캐소드측 분리판(20) 사이에 시약종이(50)를 삽입하는 시약종이마련단계;
    막전극접합체(10)에 마련된 캐소드(12)에 산소를 공급하는 산소공급단계;
    막전극접합체(10)에 마련된 애노드(13)에 수소를 공급하는 수소공급단계;
    애노드측 분리판(30)을 기준전극으로 이용하며, 캐소드측 분리판(20)과 애노드측 분리판(30)에 각각 일정 전위를 인가하여 산소와 수소의 화학반응을 통해 캐소드(12) 측에 산성수를 형성하는 산성수 형성단계;
    산성수와 반응하여 시약종이(50)의 색상이 변화되며, 전해질막(11)의 손상시 손상된 전해질막(11)을 통과하여 캐소드(12) 측으로 다량의 수소가 넘어오는 경우 다르게 반응하는 색상 변화를 통해 전해질막(11)의 손상 위치를 파악하는 손상위치 파악단계;를 포함하는 연료전지용 전해질막 검사방법.
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