KR20200002437A - 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법 - Google Patents

연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법은 전해질막의 양측에 애노드와 캐소드가 적층되어 접합된 막전극접합체를 연속적으로 주행시키는 주행 구동부와, 막전극접합체를 수화시키는 제1가습부와, 막전극접합체에 접촉하는 도전성 히팅 지그와 가스 입구 및 출구를 구비하며 상기 도전성 히팅 지그를 이동시켜 상기 막전극접합체에 가압하는 가압 구동부와, 가스 입구를 통해 공급되는 가스의 습도를 조절하는 제2가습부와, 히팅 지그의 온도와 공급 가스의 유량을 센싱하는 한편 제어하는 제어부와, 애노드와 캐소드 사이에 걸리는 전압 또는 전류를 제어하고 측정하는 전자 부하부를 포함하는 연속 검사장치와, 이 연속 검사장치를 이용하여 발전 성능과 전기화학반응에 대한 활성을 연속적으로 검사할 수 있는 연료전기용 막전극접합체의 연속 검사방법이다.
본 발명에 의하면, 간단한 구성으로 막전극접합체의 발전 성능 및 활성도를 검사할 수 있으며, 막전극접합체를 롤투롤 방식으로 제조하는 하는 중에 모든 막전극접합체에 대한 발전 성능 및 활성도를 검사하여 제품 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법{Apparatus and Method for Continuous Inspecting Membrane Electrode Assembly for Fuel Cell}
본 발명은 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지용 막전극접합체의 발전 성능과 전기화학반응에 대한 활성을 연속적으로 검사할 수 있는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말하며, 기본적으로는 보통의 화학전지와 유사하지만, 닫힌 계의 내부에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고, 반응생성물이 연속적으로 계의 외부로 제거되면서 전지반응을 하게 된다.
이러한 연료전지는 고온(500~700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃정도에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 100℃ 내지 상온에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지와 고분자 전해질형 연료전지 등이 있으며, 그 중 고분자 전해질형 연료전지는 다시 수소가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell : PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC) 등으로 구분된다.
특히, 상기 고분자 전해질형 연료전지는 석유에너지를 대체할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있으며, 무엇보다도 출력밀도와 에너지 전환효율이 높은데다 상온에서도 작동이 가능하기 때문에 전기자동차, 가정용 발전시스템, 레저용 전기기구 등의 분야에 폭넓게 사용 가능하다.
이러한 연료전지의 주요 구성 부품인 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)는 기본적으로 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 전극층, 즉 캐소드(공기극(cathode)) 및 애노드(연료극(anode))로 구성되어 있으며, 이를 3-레이어(layer) 막전극접합체라고 한다. 그리고, 막전극접합체의 취급을 용이하게 하면서도 물리적 내구성을 확보하기 위하여 막-전극 접합체)의 양면 테두리 영역에 전극의 면적보다 다소 작은 면적의 개구부를 갖는 서브가스켓을 포함하는 경우에는 5-레이어(layer) 막전극접합체라 하며, 또한 촉매를 포함하고 있는 전극의 바깥쪽 부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 더 적층되면 7-레이어(layer) 막전극접합체라 한다.
막전극접합체는 제조과정 혹은 연료전지 운전중에 결함이 발생될 수 있다. 특히 막전극접합체 제조과정 중에 생기는 핀홀, 크랙, 전해질막과 전극의 접합 불량 등에 의한 결함이 스택 장치의 성능 저하에 큰 요인이 되고 있다.
이에 따라 막전극접합체의 제조공정상에서 발생하는 결함을 확인하기 위해 핀홀, 크랙, 가스 리크(gas leak), 치수 측정 등을 검사하는 장치 및 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 외관상의 결함 확인만으로는 막전극접합체의 전기화학 반응 출력성능, 특히 제조된 모든 막전극접합체의 발전성능을 보장할 수 없다는 문제점이 있다.
한편, 연료전지의 막전극접합체 제작 후 여러가지 이유로 인해 초기 운전시 전기화학 반응에서 그 활성도가 떨어진다. 이 때문에 연료전지 조립후 성능을 최대한 확보하기 위해서는 활성화라는 절차가 필요하다. 연료전지 조립 후 최고 성능까지 도달하기 위해 실시하는 활성화는 운전 조건에 따라 수시간 또는 수일이 걸릴 수 있고, 적절치 못한 활성화로 인해 연료전지가 최고의 성능에 도달하지 못한 채 운전될 수도 있다. 부적절한 활성화 절차는 연료전지 대량 생산시 생산 속도를 감소시키고, 많은 양의 수소 사용을 초래하여 스택 단가를 상승시키게 되며, 낮은 스택 성능을 유지시킨다.
이와 같이 스택 활성화에 많은 시간이 소요되고 활성화 방법에 따라 막전극접합체의 발전성능이 좌우되므로, 전기화학반응에 대한 활성을 사전에 검사할 필요가 있다.
한국등록특허 제1294182호(등록일: 2013.08.01.) 한국등록특허 제1427976호(등록일: 2014.08.01.) 한국등록특허 제1841328호(등록일: 2018.03.16.)
본 발명의 목적은 막전극접합체의 출력 불량으로 인한 스택장치의 성능 저하를 최소화하도록 막전극접합체의 제조공정 중 또는 제조완료 후에 발전 성능을 연속적으로 전수 검사할 수 있는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 막전극접합체로 연료전지를 조립하기 전에 전기화학반응에 대한 활성을 연속적으로 사전 검사할 수 있는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치는 전해질막의 양측에 애노드와 캐소드가 적층되어 접합된 막전극접합체를 연속적으로 주행시키는 주행 구동부와, 막전극접합체를 수화시키는 제1가습부와, 막전극접합체에 접촉하는 도전성 히팅 지그와 가스 입구 및 출구를 구비하며 도전성 히팅 지그를 이동시켜 막전극접합체에 가압하는 가압 구동부와, 가스 입구를 통해 공급되는 가스의 습도를 조절하는 제2가습부와, 도전성 히팅 지그의 온도와 공급 가스의 유량을 센싱하는 한편 제어하는 제어부와, 애노드와 캐소드 사이에 걸리는 전압 또는 전류를 제어하고 측정하는 전자 부하부를 포함한다.
검사장치에는 검사 후에 막전극접합체에 등급 또는 활성도를 마킹하는 마킹부가 추가로 구비될 수 있다.
가압 구동부의 가스출구 부근에는 가압상태에 있는 막전극접합체의 출력을 평가할 수 있는 압력조절밸브가 장착될 수 있다.
가압 구동부에는 도전성 히팅 지그의 가압상태를 조절할 수 있도록 하중을 센싱하는 로드셀이 장착될 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사방법은 막전극 접합체를 수화하는 수화 단계와, 도전성 히팅 지그를 막전극접합체에 밀착시키는 밀착 단계와, 막전극접합체의 애노드와 캐소드에 가스를 공급하고 유지하는 가스 공급 유지 단계와, 애노드와 캐소드간의 개방회로전압을 측정하는 OCV 측정 단계와, 애노드와 캐소드간의 전압 또는 전류를 제어하여 전류밀도 또는 전압을 측정하는 제어 측정단계를 포함한다.
제어 측정단계를 반복하여 발전성능 검사의 기준 반복횟수가 완료되면, 제어 측정단계의 측정결과에 따라 막전극접합체의 발전 성능으로 등급을 판정하는 등급 판정단계와, 막전극접합체내의 가스 및 습기를 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 등급 판정단계에 따라 막전극접합체에 등급을 마킹하는 등급 마킹단계를 추가로 포함할 수 있다.
제어 측정단계를 반복하여 전기화학 반응에 대한 활성을 위한 기준 반복횟수가 완료되면, 제어 측정단계의 측정결과에 따라 막전극접합체의 활성도를 판정하는 활성도 판정단계와, 막전극접합체 내의 가스 및 습기를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 활성도 판정단계에 따라 막전극접합체에 활성도를 마킹하는 활성도 마킹단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체의 검사장치 및 검사방법에 의하면, 간단한 구성으로 막전극접합체의 초기 발전 성능을 검사할 수 있으며, 막전극접합체를 롤투롤 방식으로 제조하는 중에 모든 막전극접합체에 대한 발전 성능을 검사하여 제품 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 검사 조건을 변경하여 다양한 실제 운전조건에 대한 발전 성능을 예측할 수 있으며, 이를 통해 막전극접합체의 설계 보완 및 스택장치의 성능 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 스택 체결 전에 막전극접합체의 활성화를 통해 스택에서의 활성도를 평가할 수 있으며 스택에서의 활성화 단계를 단축할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 검사장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 검사방법을 나타내는 순서도로서, 발전성능을 검사하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 검사방법을 나타내는 순서도로서, 활성도를 검사하는 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막전극접합체는 인산 전해질형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지로서 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC)와 직접 메탄올 연료전지(DMFC)와 고온용 PEMFC 등 다양한 전해질형 연료전지에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막전극접합체의 검사장치 및 검사방법은 롤투롤 방식으로 제조되는 막전극접합체를 검사하는 장치 및 방법을 예로 들어 설명한다. 본 발명의 검사장치 및 검사방법은 다른 방식으로 제조되는 막전극접합체의 여러 단위공정 중에서 전극과 전해질막 접합공정 후, 또는 막전극접합과 서브가스켓 접합공정 후에 막전극접합체의 발전성능 검사 및 활성도 검사에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 검사장치를 나타내는 구성도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 검사장치(100)는 주행 구동부(110)와, 제1가습부(120)와, 가압 구동부(130)와, 제2가습부(140)와, 제어부(150)와, 전자 부하부(160)와, 마킹부(170)를 포함한다.
주행 구동부(110)는 고분자 전해질막(11)의 양측에 촉매층인 애노드(12)와 캐소드(13)가 적층되어 접합된 막전극접합체(10)를 롤투롤 방식으로 제조하면서 연속적으로 주행시키는 부분으로서, 본 실시예에서는 막전극접합체(10)의 양면 테두리 영역에 서브가스켓(14)이 연속적으로 접합하여 롤투롤 방식으로 제조하는 막전극접합체(10)를 연속적 주행시키는 부분이다.
제1가습부(120)는 서브가스켓(14)이 부착된 막전극접합체(10)의 양면에서 고분자 전해질막(11) 및 전극(애노드 12와 캐소드 13)내에 포함된 전해질을 수화시켜 반응시 수소이온통로를 확보하는 부분이다. 제1가습부(120)는 막전극접합체(10)의 에노드(12) 측과 캐소드(13) 측에 가습기(121, 122)가 설치되어 막전극접합체(10)를 가습하는 부분이며, 가습기(121, 122)는 도시하지 않은 이동기구에 의해 이동할 수 있게 되어 있다. 본 발명에 사용되는 가습기는 솔레노이드 밸브를 통해 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식의 가습기가 사용되지만, 다양한 형태의 가습기가 사용될 수 있다.
가압 구동부(130)는 막전극접합체(10)에 접촉하는 도전성 히팅 지그와 가스 입구 및 출구를 구비하며 도전성 히팅 지그를 이동시켜 막전극접합체(10)에 가압하는 부분이다. 도전성 히팅 지그는 애노드(12) 측에 설치된 제1도전성 히팅 지그(131)와, 캐소드(13) 측에 설치된 제2도전성 히팅 지그(132)로 되어 있으며, 도시하지 않은 구동기구에 의해 승하강 될 수 있게 되어 있다.
제1, 제2도전성 히팅 지그(131, 132)는 히팅 플레이트(131a, 132a)와, 히팅 플레이트(131a, 132a)의 내측에 적층되어 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(131b, 132b)과, 분리판(131b, 132b)의 내측에 적층된 가스확산층(GDL : Gas Diffusion Layer)(131c, 132c)과, 가스확산층(131c, 132c)의 가장자리를 따라 적층된 실링 가스켓(131d, 132d)을 구비한다.
제1도전성 히팅 지그(131)에는 히팅 플레이트(131a)와 분리판(131b)을 통해 막전극접합체(10)의 애노드(12)에 수소와 질소를 공급하고 배출하는 제1가스입구 및 제1가스출구가 형성되며, 제2도전성 히팅 지그(132)에는 히팅 플레이트(132a)와 분리판(132b)을 통해 막전극접합체(10)의 캐소드(13)에 공기(또는 산소)와 질소를 공급하고 배출하는 제2가스입구 및 제2가스출구가 형성되다.
가압 구동부(130)의 제1도전성 히팅 지그(131)의 제1가스출구 부근과 제2도전성 히팅 지그(132)의 제2가스출구 부근에는 가압 상태에 있는 막전극접합체의 출력을 평가할 수 있는 압력조절밸브(131e, 132e)가 장착된다. 또한 가압 구동부(130)의 구동기구 또는 도전성 히팅 지그(131, 132)에는 도전성 히팅 지그(131, 132)의 가압상태를 조절할 수 있도록 하중을 센싱하는 로드셀이 장착된다.
제2가습부(140)는 제1, 제2도전성 히팅 지그(131, 132)의 가스입구를 통해 막전극접합체(10)에 공급되는 가스가 확산기(diffuser, 141, 142)를 통과하면서 가습되게 하여 가스의 습도를 조절하는 버블러 가습방식의 가습부이다. 제2가습부(140)는 고분자 분리막을 이용하여 유동 가스에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등으로 가습시키는 구조로 되어 있을 수 있다. 가습막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다.
제어부(150)는 도전성 히팅 지그(131, 132)의 온도와 공급 가스의 유량을 센싱하는 한편 검사장치를 전체적으로 제어하는 부분이다.
전자부하부(160)는 막전극접합체(10)의 애노드(12)와 캐소드(13) 사이에 걸리는 전압 또는 전류를 제어하고 측정하는 부분으로서, 제1, 제2도전성 히팅 지그(131, 132)를 통해 검사되는 막전극접합체(10)의 전압 또는 전류를 제어하고 측정한다..
마킹부(170)는 발전 성능 검사 또는 활성도 검사 후에 판정에 따라 막전극접합체(10)의 등급 또는 활성도를 마킹하는 부분이다. 마킹부(170)는 인쇄기 또는 펀칭기 등의 장치로 식별가능한 방법으로 막전극접합체(10)에 마킹한다.
도 2는 도 1의 검사장치(100)를 사용하여 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 검사방법을 나타내는 순서도로서, 발전성능을 검사하는 방법을 나타내는 순서도이다. 도시한 바와 같이 본 발명에서 발전성능을 검사하는 방법은 수화단계(S110)와, 밀착단계(S120)와, 가스공급 유지단계(S130)와, OCV 측정단계(S140)와, OCV 판단단계(S150)와, 제어 측정단계(S160)와, 반복횟수 판단단계(S170)와, 등급 판정단계(S180)와, 가스 및 습기를 제거하는 단계(S190)와, 등급 마킹단계(S195)를 포함한다.
수화단계(S110)는 주행구동부(110)에 주행되는 막전극접합체(10)의 애노드(12)와 캐소드(13)를 일정위치에서 수화시키는 단계로서, 제1가습부(120)에 의해 막전극접합체(10)의 양측에서 수분을 공급함에 따라 행해진다. 밀착단계(S120)는 제1, 제2도전성 히팅 지그(131, 132)를 수화된 막전극접합체(10)의 애노드(12)와 캐소드(13)에 밀착시키는 단계이고, 가스공급 유지단계(S130)는 애노드(12)와 캐소드(13)에 가스를 공급하고 일정시간 유지하는 단계이며, OCV 측정단계(S140)는 애노드(12)와 캐소드(13) 간의 개방회로전압을 측정하는 단계이다.
OCV 판단단계(S150)는 측정된 개방회로전압(OCV)을 기준값과 비교하여 다음단계를 진행할 지를 판단하는 단계이며, 제어 측정단계(S160)는 OCV 판단단계(S150)의 판단에 따라 애노드(12)와 캐소드(13)간의 전압 또는 전류를 제어하여 전류밀도 또는 전압을 측정하는 단계이며, 반복횟수 판단단계(S170)는 기준 반복횟수가 완료되었는지 판단하는 단계이다. 등급 판정단계(S180)는 제어 측정단계(S160)를 반복하여 발전성능 검사의 기준 반복횟수가 완료되면, 제어 측정단계(S160)의 측정결과에 따라 막전극접합체의 발전성능으로 등급을 판정하는 단계이며, 가스 및 습기를 제거하는 단계(S190)은 막전극접합체(10) 내의 가스 및 습기를 제거하는 단계이고, 등급 마킹단계(S195)는 등급 판정단계(S190)에 따라 마킹부(170)에서 막전극접합체의 등급을 마킹하는 단계이다.
이하에서는 연료전지용 막전극접합체를 연속적으로 검사하는 검사방법을 도 1에 개시된 막전극접합체의 롤투롤 공정에 따라 더욱 구체적으로 설명한다.
주행구동부(110)를 통해 주행되는 막전극접합체(10)가 제1가습부(120)에 의해 수화된 후, 가압구동부(130)의 검사위치에 정지하면, 미리 히팅플레이트(131a, 132a)가 히팅되어 있는 제1, 제2전도성 히팅 지그(131, 132)가 막전극접합체(10)에 밀착한다. 히팅 온도는 25℃ ~ 150℃로 하며, 연료전지의 사용에 따라 실제 운전온도가 다양하므로 히팅 온도는 사용처의 구동온도에 맞추어 설정한다. 밀착시 압력은 설정값으로 제어한다.
이때, 도전성 히팅 지그(131, 132)의 압력과 실링 가스켓(131d, 132d)의 두께를 조절하여 도전성 히팅 지그(131, 132) 내에 있는 가스확산층(131c, 132c)의 두께 감소율을 일정하게 유지할 필요가 있는데, 가스확산층(131c, 132c)의 압축률은 실링 가스켓(131d, 132d)로 조절하여 5~30%의 두께 감소를 유지시킨다. 가스확산층(131c, 132c)의 두께 감소율이 너무 높으면 연료전지의 반응물인 물과 연료인 산소의 확산에 영향을 주어 낮은 발전성능을 나타나고, 두께 감소율이 너무 낮으면 실링 가스켓(131d, 132d)과 접촉이 불량하여 연료 누출이 발생할 수 있으며 가스확산층(131c, 132c)과 히팅지그 및 막전극접합체 사이의 계면저항이 높아져 발전성능이 낮게 나오게 된다.
다음에, 제2가습기(140)의 확산기(141, 142)를 통해 막전극접합체(10)의 애노드(12)에는 가습된 수소를 공급하고, 막전극접합체(10)의 캐소드(13)에는 가습된 산소(또는 공기)를 공급하여 약 5분간 유지시킨다. 도전성 히팅지그(131, 132)가 막전극접합체(10)를 사이에 두고 압력을 가한 상태에서 내부에 가스(수소 및 산소 또는 공기)를 공급하게 되면 막전극접합체(10)의 개방회로전압을 측정할 수 있게 된다. 가스를 공급한 상태에서 유지시간은 가스 공급단에서 막전극접합체까지 연료(수소, 산소)가 충분히 안정적으로 공급되어 있는 상태로 활성화가 진행되어야 하며, 이는 장치의 배관길이나 도전성 히팅지그(131, 132)의 유로 등에 따라 시간이 다르다.
그리고, 개방회로전압(OCV)을 측정하게 되는데, 개방회로전압(OCV)이 0.9V 이하일 경우에는 이후 제어측정단계로 진행하지 않고 마킹하는 단계로 이동하고, 개방회로전압(OCV)이 0.9V이상이면 다음의 제어측정 단계로 진행한다. 개방회로전압(OCV)은 막전극접합체의 구성요소와 측정장치에 따라 다소 차이가 날 수 있지만, 대개 0.8~1.0V 사이의 값을 가진다. 개방회로전압(OCV)이 0.8V 이하로 형성되는 경우에는 막전극접합체의 제조상에 문제(막전극 접합상태, 전해질막 손상 등)가 있는 것으로 판단할 수 있다.
제어측정단계에서는 OCV에서 0.05V씩 감소시켜 0.4V까지의 전류치를 측정하며, 이러한 사이클을 20~ 30회 반복한다. 이때, 전류밀도는 0~2A/㎠로 제어하며, 각 전압지점에서 측정된 전류치를 정상값과 비교하여 막전극접합체의 등급을 판정한다. 다음에, 애노드(12)와 캐소드(13)에 가스 공급을 중단시키고 건조한 질소(또는 불활성 가스)를 공급한다. 이어서 가압된 제1, 제2전도성 히팅 지그(131, 132)에 가해지는 압력을 제거하고, 제1, 제2전도성 히팅 지그(131, 132)를 막전극접합체에서 분리시킨다.
그리고, 검사가 끝난 막전극접합체(10)를 마킹부(170)까지 주행시켜 등급에 따라 마킹한다.
도 3은 도 1의 검사장치(100)를 사용하여 본 발명의 실시예에 의한 연료전지를 막전극접합체의 검사방법을 나타내는 순서도로서, 활성도를 검사하는 방법을 나타내는 순서도이다. 도시한 바와 같이 본 발명에서 활성도를 검사하는 방법은 수화단계(S210)와, 밀착단계(S220)와, 가스공급 유지단계(S230)와, OCV 측정단계(S240)와, OCV 판단단계(S250)와, 제어 측정단계(S260)와, 반복횟수 판단단계(S270)와, 활성도 판정단계(S280), 가스 및 습기를 제거하는 단계(S290)와, 활성도 마킹단계(S295)를 포함한다.
수화단계(S210)는 주행구동부(110)에 주행되는 막전극접합체(10)의 애노드(12)와 캐소드(13)를 일정위치에서 수화시키는 단계로서, 제1가습기(120)에 의해 막전극접합체(10)의 양측에서 수분을 공급함에 따라 행해진다. 밀착단계(S220)는 제1, 제2도전성 히팅 지그(131, 132)를 수화된 막전극접합체(10)의 애노드(12)와 캐소드(13)에 밀착시키는 단계이고, 가스공급 유지단계(S230)는 애노드(12)와 캐소드(13)에 가스를 공급하고 일정시간 유지하는 단계이며, OCV 측정단계(S240)는 애노드(12)와 캐소드(13) 간의 개방회로전압을 측정하는 단계이다.
OCV 판단단계(S250)는 측정된 개방회로전압(OCV)을 기준값과 비교하여 다음단계를 진행할 지를 판단하는 단계이며, 제어 측정단계(S260)는 OCV 판단단계(S250)의 판단에 따라 애노드(12)와 캐소드(13)간의 전압 또는 전류를 제어하여 전류밀도 또는 전압을 측정하는 단계이며, 반복횟수 판단단계(S270)는 기준 반복횟수가 완료되었는지 판단하는 단계이다. 활성도 판정단계(S280)는 제어 측정단계(S260)를 반복하여 발전성능 검사의 기준 반복횟수가 완료되면, 제어 측정단계(S260)의 측정결과에 따라 막전극접합체의 활성도를 판정하는 단계이며, 가스 및 습기를 제거하는 단계(S290)은 막전극접합체(10) 내의 가스 및 습기를 제거하는 단계이고, 활성도 마킹단계(S295)는 활성도 판정단계(S290)에 따라 마킹부(170)에서 막전극접합체의 활성도를 마킹하는 단계이다.
막전극접합체의 활성화 방법은 전자부하를 사용하여 전압제어를 통해 일정범위의 전압을 스윕(sweep)하여 전류를 측정하는 방법, 전류제어를 통해 특정전류를 인가하여 장시간 유지하거나 일정범위의 전류를 스윕(sweep)하여 전압을 측정하는 방법 등이 있으며 이를 복합하여 사용할 수 있다. 전압 또는 전류를 반복 스윕(sweep)하다가 목표전압 또는 전류치에 도달하는 경우 활성화를 중단한다. 이는 경험적으로 동일한 막전극접합체에 대해서는 일정한 사이클 회수 내에서 목표 전압 또는 목표전류에 도달해야 함을 의히만다. 그러므로 활성화시 개방회로 전압부터 일정간격의 전압 또는 전류를 제어하여 반복 사이클을 진행하게 된다.
활성화가 완료되는 반복사이클 수는 막전극접합체의 모델에 따라 다르며, 활성화 방법에 따라 그 반복횟수가 정해진다.
본 실시예의 연료전지용 막전극접합체의 활성도를 검사하는 방법은 발전성능을 검사하는 방법과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명에 실시예에 따른 장치 및 방법으로 연료공급후 유지시간 5분과 전압전류사이클 20회의 경우, 약 3~4시간 정도 소요되며, 이는 일반적인 실시예이므로 시간을 더 단축하고자 한다면 1시간 이내로도 가능하게 된다. 이에 반해 기존 일반적인 배치타입의 막전극접합체 평가 설비의 경우, 기본적인 활성화 및 등급 판정 소요시간이 최소 1일에서 길게는 3일정도 소요가 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 막전극접합체 제조과정 중에 검사장치를 통하여 제조된 모든 막전극접합체에 대해 발전성능 또는 활성도를 확인하는 방법으로서, 전기화학반응에 대한 활성을 사전에 검사하여 막전극접합체 발전성능 등급을 구분하고 불량품을 구분할 수 있으며, 롤투롤(roll to roll) 공정 중에 검사하며 제품 전수 검사가 가능하고, 검사를 통해 개방회로전압과 전압을 인가하여 전류범위 혹은 전류를 인가하여 전압범위에 대한 결과를 확보할 수 있다.
본 발명은 일정범위의 전압 및 전류를 인가하여 반복수행을 통해 막전극접합체의 발전성능을 활성화할 수 있으며, 검사전에 수화장치가 장착되어 전수 검사를 위한 저온(50~80℃)으로 운전한다. 그리고 발전검사 후에는 불활성 가스(질소 등)로 연료 및 수분을 제거하여 지그 해체후 막전극접합체의 외관변형을 최소화하고, 발전검사 결과를 바탕으로 출력의 등급 혹은 양불량을 판정하여 마킹한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10 : 막전극접합체 12 : 애노드
13 : 캐소드 14 : 서브 가스켓
110 : 주행구동부 120 : 제1가습부
130 : 가압구동부 131 : 제1도전성 히팅 지그
132 : 제2도전성 히팅 지그 131a, 132a : 히팅 플레이트
131b, 132b : 분리판 131c, 132c : 가스 확산층
131d, 132d : 실링 가스켓 140 : 제2가습부
150 : 제어부 160 : 전자 부하부
170 : 마킹부

Claims (9)

  1. 전해질막의 양측에 애노드와 캐소드가 적층되어 접합된 막전극접합체를 연속적으로 주행시키는 주행 구동부와,
    상기 막전극접합체를 수화시키는 제1가습부와,
    상기 막전극접합체에 접촉하는 도전성 히팅 지그와 가스 입구 및 출구를 구비하며 상기 도전성 히팅 지그를 이동시켜 상기 막전극접합체에 가압하는 가압 구동부와,
    상기 가스 입구를 통해 공급되는 가스의 습도를 조절하는 제2가습부와,
    상기 도전성 히팅 지그의 온도와 공급 가스의 유량을 센싱하는 한편 제어하는 제어부와,
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 걸리는 전압 또는 전류를 제어하고 측정하는 전자 부하부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연속 검사장치에는 검사 후에 상기 막전극접합체에 등급 또는 활성도를 마킹하는 마킹부가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압 구동부의 상기 가스출구 부근에는 가압상태에 있는 상기 막전극접합체의 출력을 평가할 수 있는 압력조절밸브가 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압 구동부에는 상기 도전성 히팅 지그의 가압상태를 조절할 수 있도록 하중을 센싱하는 로드셀이 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치.
  5. 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사방법에 있어서,
    상기 막전극 접합체를 수화하는 수화 단계와,
    도전성 히팅 지그를 상기 막전극접합체에 밀착시키는 밀착 단계와,
    상기 애노드와 상기 캐소드에 가스를 공급하고 유지하는 가스 공급 유지 단계와,
    상기 애노드와 상기 캐소드간의 개방회로전압을 측정하는 OCV 측정 단계와,
    상기 애노드와 상기 캐소드간의 전압 또는 전류를 제어하여 전류밀도 또는 전압을 측정하는 제어 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 측정단계를 반복하여 발전성능 검사의 기준 반복횟수가 완료되면, 상기 제어 측정단계의 측정결과에 따라 상기 막전극접합체의 발전 성능으로 등급을 판정하는 등급 판정단계와,
    상기 막전극접합체내의 가스 및 습기를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 등급 판정단계에 따라 상기 막전극접합체에 등급을 마킹하는 등급 마킹단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 측정단계를 반복하여 전기화학 반응에 대한 활성을 위한 기준 반복횟수가 완료되면, 제어 측정단계의 측정결과에 따라 막전극접합체의 활성도를 판정하는 활성도 판정단계와,
    상기 막전극접합체 내의 가스 및 습기를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 활성도 판정단계에 따라 상기 막전극접합체에 활성도를 마킹하는 활성도 마킹단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사방법.
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