KR20160022027A - 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 챔버내의 한쪽에 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체를 배치하고, 챔버내의 다른 한쪽에 수소센서 어레이를 배치한 상태에서 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체에 대한 수소 공급시의 수소 크로스 오버량을 수소센서 어레이에서 감지하는 것을 저항값으로 측정하고, 측정된 저항값에 따라 멤브레인에 결함이 존재하는 여부를 정확하게 검사할 수 있고, 또는 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체에 대한 수소 공급시의 수소 크로스 오버량에 따라 수소센서 어레이가 변색하는 것을 화상 카메라로 측정하여, 수소센서 어레이의 변색 정도에 따라 멤브레인의 결함 위치 및 결함 존재 여부를 정확하게 검사할 수 있도록 한 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치{Membrane defect detection apparatus using hydrogen sensor array}

본 발명은 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지용 멤브레인의 제조 과정에서 발생하는 결함(defect)을 수소센서 등을 이용하여 신속하고 정확하게 검출할 수 있도록 한 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치에 관한 것이다.

연료전지(Fuel Cell)는 하나의 셀 단위 구성으로서, 전기화학 반응을 일으키는 전극(연료극, 공기극)과 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 고분자 전해질막인 멤브레인(Membrane) 등을 포함하는 전극막 접합체, 그리고 전극막 접합체에 공기 및 수소 등을 공급하기 위하여 적층되는 분리판 등을 포함하여 구성된다.

상기 멤브레인(Membrane) 즉, 고분자 전해질 막의 건강 상태(성능 유지 상태) 정도에 따라 연료극에서 공기극으로 넘어가는 수소 크로스오버(crossover)량은 다르게 나타날 수 있고, 멤브레인의 상태가 좋지 않으면 당연히 연료전지의 셀 성능이 감소되므로, 멤브레인의 제조 시 그 결함 여부를 검사하는 것은 중요하다 하겠다.

상기 멤브레인의 결함(defect) 형태는 멤브레인의 국부적 위치에 핀홀(pin hole)이 형성되는 형태, 과도하게 낮은 습도에 의하여 멤브레인에 크랙(crack)이 형성되는 형태, 멤부레인의 두께가 얇아지는 형태 등을 들 수 있다.

이러한 멤브레인의 결함은 다양한 원인에 의해 발생할 수 있는데, 예를 들면 멤브레인 제조 공정 중 외부력에 의한 원인, 운전 중에 과도한 스트레스에 의한 원인, 반복적인 공기극(cathode)와 연료극(anode)의 차압 변동에 의한 피로 원인 등에 의하여 발생할 수 있다.

상기 멤브레인의 결함은 생산 초기에 찾기 힘들고, 멤브레인에 전극을 붙여서 생산된 전극막 접합체(MEA, membrane electrode assembly)의 품질 검사에서도 찾기가 쉽지 않다.

이러한 멤브레인에 결함이 존재하는 상태에서 연료전지 운전이 진행되면, 연료극에서 공기극으로 수소가 다량으로 이동하게 되고, 이로 인해 연료전지의 성능과 연비는 매우 나빠지게 되며, 공기극의 과도한 수소 농도로 인해 폭발과 같은 매우 위험한 상황이 발생할 수도 있다.

이에, 고분자 멤브레인(membrane)의 내구성은 매우 중요한 항목이며 정밀한 결함 검사 후에 사용되어야 한다.

이를 위해, 종래의 멤브레인 결함을 검사하기 위한 방법의 일례로서, 적외선 검사 방법이 널리 사용되고 있다.

상기 적외선 검사 방법은 첨부한 도 10에서 보듯이 전극막 접합체에 수소와 산소를 공급하는 상태에서 연료극쪽에 압력을 공기극쪽 보다 높게 유지하여 열화상 카메라로 발열부를 찾는 방법이다.

즉, 멤브레인에 핀홀과 같은 결함이 있다면, 수소는 전극막 접합체를 크로스 오버하는 동시에 그 부분에서 촉매 반응이 일어나서 발열하게 되는데, 이때의 발열부위 이미지를 열화상 카메라로 확인할 수 있다.

그러나, 위와 같은 적외선 방법은 백금 전극(촉매)이 멤브레인에 반드시 적층된 상태에서 검사가 가능한 번거로움이 있고, 수소 공급에 따른 안전상에 문제도 있으며, 더욱이 멤브레인에 핀홀이 존재하면 핀홀에서 발생한 열로 인해 더 큰 홀이 생기게 되어 전극막 접합체의 내구성을 더 나쁘게 만들기도 한다.

종래의 멤브레인 결함을 검사하기 위한 방법의 다른 예로서, 첨부한 도 11에서 보듯이 멤브레인 한쪽에 가스 압력을 인가하여 투과하는 가스의 량(permeation rate)을 측정하는 방법이 있지만, 특수한 장비에서 정밀한 압력센서를 사용해야만 결함 위치를 찾을 수 있으므로, 멤브레인의 결합 위치를 정확하게 찾는데 어려움이 있다.

종래의 멤브레인 결함을 검사하기 위한 방법의 또 다른 예로서, 빛을 이용한 광학적인 방법을 사용할 수 있지만, 멤브레인 양면에 적층된 전극은 백금과 탄소의 혼합물로서 그 표면이 고르지 않기 때문에 적합하지 않은 단점이 있다.

그럼에도 불구하고, 전극이 없는 멤브레인의 경우 빛을 비추어서 검사할 수 있지만, 빛의 조사 각도, 광원의 선택 등의 제한이 크며, 또한 결함 형태가 멤브레인의 단면에서 곡선 경로를 갖는다면 결함을 찾을 수 없는 단점이 있다.

이와 같이, 멤브레인의 결함은 일정 조건에서 급격하게 열화를 일으키거나, 또는 응력 집중을 받는 원인이 되기 때문에 전극막 접합체(MEA) 제조 공정에서 반드시 결함 존재 여부를 검사하는 것은 필수적이라 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 챔버내의 한쪽에 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체를 배치하고, 챔버내의 다른 한쪽에 수소센서 어레이를 배치한 상태에서 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체에 대한 수소 공급시의 수소 크로스 오버량을 수소센서 어레이에서 감지하는 것을 저항값으로 측정하여, 저항값에 따라 멤브레인에 결함이 존재하는 여부를 정확하게 검사할 수 있도록 한 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체에 대한 수소 공급시의 수소 크로스 오버량에 따라 수소센서 어레이가 변색하는 것을 화상 카메라로 측정하여, 수소센서 어레이의 변색 정도에 따라 멤브레인의 결함 위치 및 결함 존재 여부를 정확하게 검사할 수 있도록 한 점에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 일정 공간의 챔버를 형성하며 기밀 가능하게 상호 결합되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트; 상기 챔버내에 고정되는 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체의 일면과 이격 배치되어, 멤브레인 또는 전극막 접합체를 통과하는 수소 크로스 오버량을 측정하는 수소 센서 어레이; 상기 수소 센서 어레이에서 측정된 수소 크로스 오버량을 기반으로 멤브레인의 결함 여부를 판정하는 결함 판정부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 상부 플레이트에는 멤브레인 또는 전극막 접합체쪽으로 수소를 공급하기 위한 수소공급구와, 결함 평가 종료시 수소를 퍼지시키기 위한 질소를 공급하는 질소퍼지구와, 질소 및 수소가 배출되는 배출구가 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 수소공급구를 비롯하여 질소퍼지구 및 배출구에는 수소 및 질소의 유량, 농도, 압력을 조절하기 위한 가스조절밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 플레이트에는 멤브레인 또는 전극막 접합체의 처짐 방지를 위하여 질소를 공급하는 질소공급구가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트에는 챔버내의 수소 또는 질소압력을 검출하는 압력센서가 장착된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트의 각 테두리 내면에는 멤브레인 또는 전극막 접합체의 테두리 부분을 기밀 가능하게 고정시키는 가스켓이 부착된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 수소 센서 어레이는 일정 면적의 필름 표면에 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)이 도프된 다수의 박막형 수소 검출 센서가 가로 및 세로 방향을 따라 배열된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에 따르면, 상기 수소 센서 어레이는 일정 면적의 투명한 필름 표면에 금속산화물층 및 촉매물질층이 차례로 적층된 변색 가능한 박막형 수소 검출 센서들이 가로 및 세로 방향을 따라 배열된 것임을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 박막형 수소 검출 센서의 테두리 위치에는 멤브레인 또는 전극막 접합체를 처짐 방지 가능하게 지지하는 절연재질의 지지대가 부착된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 결함 측정부는: 수소 센서 어레이를 구성하는 각 박막형 수소 검출 센서의 양단부에 부착되는 전극과; 상기 전극과 연결되어 수소 검출 센서에서 감지되는 수소를 저항값으로 측정하는 저항 측정기; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에 따르면, 상기 결함 측정부는: 수소 센서 어레이를 구성하는 변색 가능한 박막형 수소 검출 센서가 보이도록 하부 플레이트를 투명한 재질로 적용한 상태에서, 하부 플레이트의 외측에 이격 배치되는 화상 촬영 카메라와; 화상 촬영 카메라에서 촬영된 박막형 수소 검출 센서의 변색 정도를 분석하여 결함 여부를 판정하는 컴퓨터; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

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

첫째, 멤브레인 또는 전극막 접합체를 통과하는 수소 크로스 오버량을 수소센서 어레이에서 감지하는 것을 저항값으로 측정하여, 멤브레인에 결함이 존재하는 여부를 정확하게 검사할 수 있다.

둘째, 멤브레인 또는 전극막 접합체를 통과하는 수소 크로스 오버량에 따라 수소센서 어레이의 변색 정도를 화상 카메라로 측정하여, 멤브레인의 결함 위치 및 결함 존재 여부를 정확하게 검사할 수 있다.

셋째, 저가이면서 간단한 구조를 갖는 수소 센서 어레이를 사용하여, 멤브레인의 결함 여부를 신속하면서도 정확하게 검사할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치에 사용되는 수소 검출 센서의 일례를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 수소 검출 센서를 수소 센서 어레이로 구성한 예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치에 사용되는 수소 검출 센서의 다른 예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도,
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도,
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도,
도 9는 본 발명의 제6실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도,
도 10 및 도 11은 종래의 멤브레인 결함 검사 방법을 설명하는 개략도.

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

본 발명은 연료전지용 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체의 결함(defect)을 수소 센서 어레이를 이용하여 정확하게 검출할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

먼저, 본 발명의 멤브레인 결함 검사를 위한 수소 검출 센서 및 이를 포함하는 수소 센서 어레이에 대한 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치에 사용되는 수소 센서 어레이의 일 실시예를 나타낸다.

도 1에서 보듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 어레이를 구성하기 위하여, 일정 면적의 고분자 필름 표면에 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)이 도프된(doped) 박막형 수소 검출 센서(31)가 구비된다.

이때, 상기 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)이 수소에 대한 촉매로 작용하여 수소 분자를 분해하고, 수소가 금속산화물과 반응하여 수소 검출 센서의 여러가지 물성이 변화하게 되는데, 예를 들어 저항, 임피던스, 색채 등을 포함하는 다양한 광학적 특성이 변하게 된다.

바람직하게는, 상기 박막형 수소 검출 센서(31)의 수소 검출시 저항이 변화는 특성을 이용하고자, 수소 검출 센서(31)의 양쪽 테두리 상하면에 전극(41)이 부착된다.

첨부한 도 2에서 보듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 어레이(30)는 대면적의 멤브레인 또는 전극막 접합체와 대응되는 면적을 구축하기 위하여 상기 박막형 수소 검출 센서(31)를 가로 및 세로 방향을 따라 배열시킨 것으로 구성된다.

바람직하게는, 상기 수소 센서 어레이(30)의 각 박막형 수소 검출 센서(31)의 테두리 위치, 즉 각 박막형 수소 검출 센서(31)의 양단부에 부착된 전극(41)의 상면 위치에는 후술하는 바와 같이 멤브레인 또는 전극막 접합체를 처짐 방지 가능하게 지지하는 절연재질의 지지대(35)가 부착된다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치에 사용되는 수소 센서 어레이의 다른 실시예를 나타낸다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 센서 어레이(30)는 일정 면적의 투명한 고분자 필름(32) 표면에 금속산화물층(33)과, 촉매물질층(34)과, 보호층(36)이 차례로 적층된 박막형 수소 검출 센서(31)가 가로 및 세로 방향으로 배열된 구조로 구비되고, 투명한 필름(32)을 적용한 이유는 수소와 반응시 변색되는 것을 관찰할 수 있도록 함에 있다.

좀 더 상세하게는, 상기 투명한 필름(32)을 적용한 이유는 상기 촉매물질층(34)이 수소 분자를 분해하고, 수소가 금속산화물과 반응할 때 변색이 발생되게 되는 바, 이를 투명한 필름(32)을 통하여 확인할 수 있도록 함에 있다.

여기서, 상기한 수소 센서 어레이를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치에 대한 각 실시예를 설명하면 다음과 같다.

제1실시예

첨부한 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도이다.

도 4에서, 도면부호 13은 상부 플레이트를 지시하고, 도면부호 14는 하부 플레이트를 지시한다.

상기 상부 플레이트(13)는 위로 볼록한 형태로 구비되고, 상기 하부 플레이트(13)는 아래로 볼록한 형태로 구비된다.

또한, 상기 상부 플레이트(13)의 테두리 저면 및 하부 플레이트(14)의 테두리 상면에는 각각 상부 및 하부 플레이트(13,14)의 내부공간인 챔버(10)의 기밀 유지를 위하여 가스켓(25)이 부착된다.

또한, 상기 가스켓(25) 사이에는 멤브레인(21)을 포함하는 전극막 접합체(20)의 테두리 부분이 삽입된다.

이렇게 상기 가스켓(25) 사이에 전극막 접합체(20)의 테두리 부분이 삽입된 상태에서, 상부 플레이트(13)의 테두리단 및 하부 플레이트(14)의 테두리단이 볼트 체결기구(26) 등을 매개로 기밀 유지 가능하게 결합된다.

상기 상부 플레이트(13)와 하부 플레이트(13)가 결합됨에 따라, 그 내부에 일정 공간의 챔버(10)가 형성되는 바, 이 챔버(10)는 상부 플레이트(13)의 저면과 전극막 접합체(20)의 위쪽 사이에 형성되는 상부챔버(11)와, 전극막 접합체(20)의 아래쪽과 하부 플레이트(14)의 상면 사이에 형성되는 하부챔버(12)를 포함한다.

이때, 상기 전극막 접합체(20)는 멤브레인(21)과, 상부챔버(11)를 향하는 멤브레인(21)의 상면에 도포된 연료극용 촉매층(22)과, 하부챔버(12)를 향하는 멤브레인(21)의 저면에 도포된 공기극용 촉매층(23)으로 구성된다.

한편, 상기 상부 플레이트(13)에는 상부챔버(11) 및 전극막 접합체(20)의 연료극용 촉매층(22)쪽으로 수소를 공급하기 위하여 수소공급수단(미도시됨)과 연결된 수소공급구(15)와, 멤브레인의 결함 평가 종료시 상부챔버(11)내로 공급되었던 수소를 외부로 퍼지시키기 위한 질소를 상부챔버(11)내로 공급하기 위하여 질소공급수단(미도시됨)과 연결된 질소퍼지구(16)와, 질소 공급에 따른 질소 및 수소를 외부로 퍼지시키기 위한 배출구(17)가 각각 형성된다.

또한, 상기 하부 플레이트(14)에는 전극막 접합체(20)의 수평 유지 및 처짐 방지를 위하여 하부챔버(12) 및 공기극용 촉매층(23)쪽으로 질소를 공급하는 질소공급구(19)가 형성된다.

바람직하게는, 상기 수소공급구(15)를 비롯하여 질소퍼지구(16) 및 배출구(17)에는 각각 가스조절밸브(18)가 개폐 가능하게 장착되고, 상기 질소공급구(19)에도 가스조절밸브(18)가 장착된다.

따라서, 상기 가스조절밸브(18)의 개페량 조절에 따라 상부챔버(11)내로 공급되는 수소 및 질소의 유량, 농도, 압력 등을 원하는 수준으로 조절할 수 있고, 상기 하부챔버(12)내로 공급되는 질소의 유량, 농도, 압력 등을 원하는 수준으로 조절할 수 있다.

이때, 상기 상부 플레이트(13)에는 상부챔버(11)내의 수소 또는 질소압력을 검출하는 압력센서(24)가 장착되고, 하부 플레이트(14)에도 하부챔버(12)내의 질소압력을 검출하는 압력센서(24)가 장착된다.

이에, 상기 압력센서(24)의 검출신호를 기반으로 제어부(미도시됨)에서 가스조절밸브(18)의 개폐각을 조절하는 제어를 함으로써, 상부챔버(11)내로 공급되는 수소 및 질소의 유량, 농도, 압력 등이 원하는 수준으로 조절되는 동시에 하부챔버(12)내로 공급되는 질소의 유량, 농도, 압력 등이 원하는 수준으로 조절될 수 있다.

한편, 상기 상부 플레이트(13)와 하부 플레이트(14)를 결합하기 전, 하부 플레이트(14)의 상면에 상기한 일 실시예의 수소 센서 어레이(30)가 놓이게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 어레이(30)는 상기와 같이 일정 면적의 고분자 필름 표면에 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)이 도프된(doped) 다수의 박막형 수소 검출 센서(31)가 가로 및 세로 방향을 따라 배열된 형태이고, 각 수소 검출 센서(31)의 양단부 상하면에 전극(41)이 부착된 형태이다.

따라서, 전극(41)을 갖는 박막형 수소 검출 센서(31)들이 가로 및 세로 방향을 따라 배열된 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 어레이(30)가 전극막 접합체(20)의 공기극용 촉매층(23)과 이격되면서 하부챔버(12)의 바닥면에 놓이게 된다.

또한, 상기 수소 센서 어레이(30)에는 측정된 수소 크로스 오버량을 기반으로 멤브레인(21)의 결함 여부를 판정하는 결함 판정부(40)가 연결된다.

보다 상세하게는, 상기 결함 측정부(40)는 수소 센서 어레이(30)를 구성하는 각 박막형 수소 검출 센서(31)의 양단부에 부착되는 전극(41)과, 각 전극(41)과 연결되어 수소 검출 센서(31)에서 검출되는 수소를 저항값으로 측정하는 저항 측정기(42)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기한 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 이용한 멤브레인 결함 검사 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 상부 플레이트(13)의 수소공급구(15)를 통하여 상부챔버(11) 및 전극막 접합체(20)의 연료극용 촉매층(22)쪽으로 수소를 공급한다.

이와 동시에, 상기 하부 플레이트(14)의 질소공급구(19)를 통하여 하부챔버(12) 및 공기극용 촉매층(23)쪽으로 질소가 공급됨으로써, 질소 공급압에 의하여 전극막 접합체(20)의 수평 유지 및 처짐 방지가 이루어진다.

이어서, 상기 상부챔버(11)내로 공급된 수소가 전극막 접합체(20)를 구성하는 연료극용 촉매층(22)과 멤브레인(21)과 공기극용 촉매층(23)를 차례로 통과하는 수소 크로스 오버가 이루어진다.

연이어, 전극막 접합체(20)를 통과하여 하부챔버(12)쪽으로 크로스 오버된 수소가 박막형 수소 검출 센서(31)에 닿으면서 수소 검출 센서(31)의 수소 검출이 이루어진다.

이때, 상기와 같이 백금이나 팔라듐을 사용하는 박막형 수소 검출 센서(31)는 약 100ppm 정도의 미량의 수소도 측정 가능하므로, 전극막 접합체의 수소 크로스 오버(cross-over) 특성을 고려하여 멤브레인 결함시 수소 크로스 오버량과 평상시(미결함시) 수소 크로스 오버량을 구분할 수 있는 기준값을 설정할 수 있다.

따라서, 상기 박막형 수소 검출 센서(31)의 수소 검출시 저항이 변화는 특성을 이용하여, 멤브레인 결함시 수소 크로스 오버량과 평상시(미결함시) 수소 크로스 오버량을 구분할 수 있는 저항기준값을 설정할 수 있다.

이에, 상기 수소 센서 어레이(30)의 각 수소 검출 센서(31)에 부착된 전극(41)으로부터의 저항신호가 저항 측정기(42)에서 측정되고, 저항 측정기(42)를 통해 측정된 저항이 저항기준값을 초과하면 멤브레인에 결함이 존재하는 것으로 판정하고, 반면 저항기준값을 초과하지 않으면 멤브레인에 결함이 존재하지 않는 것으로 판정하여, 멤브레인의 결함 검사를 종료한다.

이와 같은 멤브레인의 결함 검사가 종료되면, 상부 플레이트(13)에 형성된 질소퍼지구(16)를 통하여 질소를 공급함으로써, 상부챔버(11)내로 공급되었던 수소가 질소 공급 압력에 의하여 배출구(17)를 통하여 질소와 함께 외부로 퍼지된다.

한편, 수소를 상부챔버(11)로 공급하여 전극막 접합체(20)의 연료극용 촉매층(22)과 접촉시킬 때, 연료극용 촉매층(22)을 구성하는 백금(Pt)에 수소를 노출시키는 것은 좋지 않으며, 그 이유는 백금 촉매의 열화가 발생할 수 있기 때문이다.

이러한 백금 촉매의 열화를 최소화하기 위하여 상부챔버(11)로 공급되는 수소와 질소의 농도 및 압력을 조절하되, 예를 들어 수소 2%, 질소 98%의 가스를 상부챔버(11) 및 연료극용 촉매층(22)으로 공급하는 것이 바람직하고, 각 박막형 수소 검출 센서(31)는 수소 2%, 질소 98%의 가스가 공급되더라도 미량의 수소를 감지할 수 있으므로, 결국 수소 안전 기준을 만족시키는 조건에서 안전하게 멤브레인에 대한 결함 검사를 수행할 수 있다.

제2실시예

첨부한 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 제2실시예는 상기한 제1실시예와 그 구성이 동일하고, 단지 전극막 접합체(20)를 뒤집어 고정시킨 상태에서도 멤브레인 결함을 검사할 수 있는 점에 차이점이 있다.

즉, 상기 전극막 접합체(20)의 공기극용 촉매층(22)이 상부챔버(11)를 향하게 하고, 연료극용 촉매층(21)이 하부챔버(12)를 향하게 한 후, 공기극용 촉매층(22)쪽으로 수소를 공급하여 멤브레인 결함 검사를 할 수 있으며, 검사 과정은 상기한 제1실시예와 동일하게 진행되므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

제3실시예

첨부한 도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 제3실시예는 상기한 제1실시예와 그 구성이 동일하고, 단지 전극막 접합체(20)의 처짐 방지를 위한 지지대가 별도로 구비된 점에 특징이 있다.

즉, 상기 수소 센서 어레이(30)의 각 박막형 수소 검출 센서(31)의 양단부에 부착된 전극(41)의 상면 위치에는 전극막 접합체(10)를 처짐 방지 가능하게 받쳐주는 지지대(35)가 부착되며, 이 지지대(35)는 전극(41) 간의 쇼트 방지를 위하여 절연 재질로 구비된다.

이에, 전극막 접합체(20)의 수평 유지 및 처짐 방지를 위하여 하부챔버(12) 및 공기극용 촉매층(23)쪽으로 질소를 공급하도록 하부 플레이트(14)에 질소공급구(19)가 형성된 점을 배제시킬 수 있다.

본 발명의 제3실시예에 따른 멤브레인 검사 과정은 상기한 제1실시예와 동일하게 진행되므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

제4실시예

첨부한 도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 제4실시예는 상기한 제1실시예와 그 구성이 동일하고, 단지 멤브레인(21)을 단독으로 고정시켜 결함 검사를 실시하되, 멤브레인(21)의 처짐을 방지하고자 멤브레인(21)을 수소 검출 센서(31)의 전극(41) 위에 거치되도록 한 점에 특징이 있다.

이를 위해, 상기 하부 플레이트(14)의 양단부 높이를 낮춘 사양을 적용함으로써, 멤브레인(21)의 저면이 수소 검출 센서(31)와 이격되면서 전극(41) 위에 용이하게 거치되도록 한다.

따라서, 상기 멤브레인(21)이 전극(41) 위에 처짐 방지 가능하게 직접 밀착된 상태가 되므로, 상기한 제1실시예의 질소공급구(19) 및 제3실시예의 지지대(35)를 배제시킬 수 있다.

마찬가지로, 본 발명의 제4실시예에 따른 멤브레인 검사 과정은 상기한 제1실시예와 동일하게 진행되므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

제5실시예

첨부한 도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 제5실시예는 상기한 제4실시예와 그 구성이 동일하고, 단지 멤브레인(21) 대신 멤브레인(21)의 일면에 연료극 또는 공기극용 촉매층이 도포된 것을 고정시켜 결함 검사를 할 수 있는 점에 차이가 있다.

즉, 멤브레인(21)의 일면에 촉매층을 도포한 후, 곧바로 멤브레인 검사를 실시할 수 있도록 함으로써, 촉매에 의한 검사 효율 저하를 줄이면서 멤브레인 결함 검사를 실시할 수 있다.

제6실시예

첨부한 도 9는 본 발명의 제6실시예에 따른 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 제6실시예는 상기한 제1 내지 제5실시예의 구성에서 수소 센서 어레이(30)를 변색 가능한 것으로 배열하고, 하부 플레이트(14)를 투명한 재질로 적용하여 수소 센서 어레이(30)의 변색을 관찰하여 멤브레인 결함을 검사하는데 주된 특징이 있다.

이를 위해, 상기 수소 센서 어레이(30)는 일정 면적의 투명한 고분자 필름(32) 표면에 금속산화물층(33) 및 촉매물질층(34)이 차례로 적층된 박막형 수소 검출 센서(31)가 가로 및 세로 방향으로 배열된 구조로 구비된다.

이때, 수소 검출 센서(31)에 투명한 필름(32)을 적용한 이유는 촉매물질층(34)이 수소 분자를 분해하고, 수소가 금속산화물과 반응할 때 변색이 발생되게 되는 바, 이를 투명한 필름(32)을 통하여 확인할 수 있도록 함에 있다.

또한, 상기 하부 플레이트(14)도 투명한 재질로 구비하여 수소 검출 센서(31)의 변색을 외부에서 볼 수 있도록 한다.

특히, 상기 수소 센서 어레이(40)를 구성하는 변색 가능한 박막형 수소 검출 센서(31)가 보이도록 하부 플레이트(14)를 투명한 재질로 적용한 상태에서, 하부 플레이트(14)의 외측에 화상 촬영 카메라(43)가 배치된다.

따라서, 상기 화상 촬영 카메라(43)에서 촬영된 박막형 수소 검출 센서(31)의 변색 정도를 컴퓨터(44)에서 분석하여 멤브레인의 결함 여부를 판정할 수 있다.

보다 상세하게는, 상기 멤브레인에 결함이 존재한다면 그 부분으로 수소 가스가 새어 나오고, 수소 검출 센서는 수소 가스가 새어 나오는 위치에서 변색이 시작되며, 이에 변색을 카메라(43)에서 촬영한 후, 컴퓨터(44)에서 영상 처리하여 멤브레인의 결함 존재 여부 및 결함 위치를 자동으로 확인 및 분류할 수 있다.

10 : 챔버 11 : 상부챔버
12 : 하부챔버 13 : 상부 플레이트
14 : 하부 플레이트 15 : 수소공급구
16 : 질소퍼지구 17 : 배출구
18 : 가스조절밸브 19 : 질소공급구
20 : 전극막 접합체 21 : 멤브레인
22 : 연료극용 촉매층 23 : 공기극용 촉매층
24 : 압력센서 25 : 가스켓
26 : 볼트 체결기구 30 : 수소 센서 어레이
31 : 박막형 수소 검출 센서 32 : 필름
33 : 금속산화물층 34 : 촉매물질층
35 : 지지대 40 : 결함 판정부
41 : 전극 42 : 저항 측정기
43 : 카메라 44 : 컴퓨터

Claims (11)

1. 일정 공간의 챔버를 형성하며 기밀 가능하게 상호 결합되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트;
   상기 챔버내에 고정되는 멤브레인 또는 멤브레인을 포함하는 전극막 접합체의 일면과 이격 배치되어, 멤브레인 또는 전극막 접합체를 통과하는 수소 크로스 오버량을 측정하는 수소 센서 어레이;
   상기 수소 센서 어레이에서 측정된 수소 크로스 오버량을 기반으로 멤브레인의 결함 여부를 판정하는 결함 판정부;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 플레이트에는 멤브레인 또는 전극막 접합체쪽으로 수소를 공급하기 위한 수소공급구와, 결함 평가 종료시 수소를 퍼지시키기 위한 질소를 공급하는 질소퍼지구와, 질소 및 수소가 배출되는 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 수소공급구를 비롯하여 질소퍼지구 및 배출구에는 수소 및 질소의 유량, 농도, 압력을 조절하기 위한 가스조절밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부 플레이트에는 멤브레인 또는 전극막 접합체의 처짐 방지를 위하여 질소를 공급하는 질소공급구가 형성된 것을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트에는 챔버내의 수소 또는 질소압력을 검출하는 압력센서가 장착된 것을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트의 각 테두리 내면에는 멤브레인 또는 전극막 접합체의 테두리 부분을 기밀 가능하게 고정시키는 가스켓이 부착된 것을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 수소 센서 어레이는:
   일정 면적의 필름 표면에 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)이 도프된 다수의 박막형 수소 검출 센서가 가로 및 세로 방향을 따라 배열된 것임을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 수소 센서 어레이는:
   일정 면적의 투명한 필름 표면에 금속산화물층 및 촉매물질층이 차례로 적층된 변색 가능한 박막형 수소 검출 센서들이 가로 및 세로 방향을 따라 배열된 것임을 특징으로 하는 수소센서를 이용한 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
   상기 박막형 수소 검출 센서의 테두리 위치에는 멤브레인 또는 전극막 접합체를 처짐 방지 가능하게 지지하는 절연재질의 지지대가 부착된 것을 특징으로 하는 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 결함 측정부는:
    수소 센서 어레이를 구성하는 각 박막형 수소 검출 센서의 양단부에 부착되는 전극과;
    상기 전극과 연결되어 수소 검출 센서에서 감지되는 수소를 저항값으로 측정하는 저항 측정기;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.
    
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 결함 측정부는:
    수소 센서 어레이를 구성하는 변색 가능한 박막형 수소 검출 센서가 보이도록 하부 플레이트를 투명한 재질로 적용한 상태에서, 하부 플레이트의 외측에 이격 배치되는 화상 촬영 카메라와;
    화상 촬영 카메라에서 촬영된 박막형 수소 검출 센서의 변색 정도를 분석하여 결함 여부를 판정하는 컴퓨터;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 멤브레인 결함 검사 장치.

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