WO2023080311A1 - 연료전지 스택 조립 방법 및 장치 - Google Patents

연료전지 스택 조립 방법 및 장치 Download PDF

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WO2023080311A1
WO2023080311A1 PCT/KR2021/017061 KR2021017061W WO2023080311A1 WO 2023080311 A1 WO2023080311 A1 WO 2023080311A1 KR 2021017061 W KR2021017061 W KR 2021017061W WO 2023080311 A1 WO2023080311 A1 WO 2023080311A1
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fuel cell
cell stack
inspection
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stacked
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PCT/KR2021/017061
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Inventor
최철민
박진서
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주식회사 씨엠피
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2404—Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for assembling a fuel cell stack, and more particularly, to a method and apparatus for assembling a fuel cell stack capable of firmly assembling the fuel cell stack while preventing defects during assembly.
  • a fuel cell is a device that generates electrical energy by electrochemically reacting a fuel and an oxidizer.
  • Ordinary batteries convert chemical energy from chemicals pre-filled in the battery into electrical energy, but fuel cells continuously supply electricity through chemical reactions by continuously receiving supplies of fuel and oxygen.
  • a fuel cell is used in the form of a fuel cell stack in which several fuel cells (unit cells) are continuously arranged to obtain more electricity.
  • the fuel cell is configured such that separator plates are disposed on both sides of the membrane-electrode assembly (MEA), and the fuel cell stack is fastened to the end plate through a fastening means in a pressurized state.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • Airtightness is an important performance in a fuel cell stack, and conventionally, airtight tests have been performed after assembling a fuel cell stack.
  • the fuel cell stack does not pass the airtightness test, it must be disassembled and reassembled. Since deformation may occur in the membrane-electrode assembly of the fuel cell stack once assembled by the fastening means, reuse is difficult and it is difficult to disassemble the fastened one. There is a problem that productivity decreases in the process.
  • Patent Document 1 KR10-2006-0052871 A
  • an object of the present invention is to solve such conventional problems, assembling a fuel cell stack capable of preventing additional problems while solving the problem of airtightness while accurately confirming the airtightness of the fuel cell stack. It is to provide a method and apparatus.
  • a pressurization release step of releasing pressurization of components of the stacked fuel cell stacks when the inspection is not passed in the inspection step; and a re-stacking step of stacking components of the fuel cell stack again; steps below the pressurizing step may be performed.
  • steps below the pressing step are performed after some of the components of the fuel cell stack stacked in the stacking step are stacked, and the rest of the components of the fuel cell stack stacked in the stacking step are used. Steps below the re-lamination step may be performed.
  • the inspection step may include a pipe connection step of connecting inspection pipes to the inlet and outlet of the coolant path, the inlet and outlet of the air path, and the inlet and outlet of the fuel path in the fuel cell stack, and at least one of the inspection pipes.
  • a pressure measurement step of measuring the pressure of the gas while supplying the gas may be included.
  • the pressure measuring step includes a coolant leak inspection step of measuring the pressure of the gas while supplying gas to the inlet and outlet of the coolant path, supplying gas to the inlet of the air path with the outlet of the air path closed, and supplying gas to the fuel path.
  • Outer leak inspection step of measuring the gas pressure while supplying gas to the inlet of the fuel path with the outlet of the air path closed, supplying gas to the inlet of the fuel path with the inlet and outlet of the air path and the outlet of the fuel path closed.
  • a leak inspection step may be included.
  • Steps following the outer leak inspection step may be performed only when the coolant leak inspection step passes the test.
  • the first inner leak inspection step and the second inner leak inspection step may be performed only when the outer leak inspection step passes the test.
  • the coolant leak inspection step and the outer leak inspection step it is determined that the test has passed when the pressure drop is 0, and in the first inner leak inspection step and the second inner leak inspection step, the pressure drop is 1% or less. In this case, it can be judged that the inspection has passed.
  • a support on which components of a fuel cell stack are stacked a support on which components of a fuel cell stack are stacked; a pressurizing unit located above the support and pressurizing components of the stacked fuel cell stack; an inspection unit that performs a confidentiality test in a state in which the pressing unit presses components of the stacked fuel cell stacks; a coupling portion fastening the fuel cell stack in a state in which the pressing portion presses components of the stacked fuel cell stacks; and a control unit controlling the pressing unit, the inspection unit, and the fastening unit, wherein the control unit controls the fastening unit to fasten the fuel cell stack when the inspection in the inspection unit passes.
  • An assembling device is provided.
  • the airtightness test is performed while the fuel cell stack is pressurized, so there is no need to disengage the fastened fuel cell stack again.
  • the airtightness test for various parts related to the coolant path, the air path, and the fuel path is performed in a predetermined order, so that it is possible to check which part has a leaktightness problem, thereby increasing the efficiency of the inspection.
  • FIG. 3 is an explanatory view of a re-stacking step constituting a method of assembling a fuel cell stack according to the present invention
  • FIG. 4 is an explanatory view of an inspection step constituting a method for assembling a fuel cell stack according to the present invention
  • FIG. 5 is an explanatory view of a fuel cell stack assembling device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a flow chart of a method for assembling a fuel cell stack according to the present invention.
  • the method for assembling a fuel cell stack according to the present invention includes a stacking step (S100), a pressurization step (S200), an inspection step (S300), and an assembling step (S400).
  • the fuel cell stack consists of a plurality of unit cells including a bipolar plate, a membrane electrode assembly (MEA), and a bipolar plate as one unit cell and the uppermost separator plate. It includes an end plate and the like disposed outside.
  • the unit cell is disposed between the separator and the membrane electrode assembly and may further include a gasket formed along the periphery of the membrane electrode assembly.
  • the fuel cell stack is stacked so that each component is placed in a horizontal state.
  • the pressurizing operation may be performed on an end plate located on the outermost side among components of the fuel cell stack.
  • the pressing operation may be performed with a pressure of about 3 ton by a press device, for example.
  • a confidentiality inspection is performed in a state in which components of the stacked fuel cell stacks are pressurized.
  • the airtightness test may be performed by injecting compressed nitrogen into a coolant path, an air alarm, and a fuel path of the fuel cell stack and measuring a change in pressure of the compressed nitrogen. That is, when there is no pressure drop in the injected compressed nitrogen, it can be determined that the fuel cell stack is airtight without a leak, and when there is a pressure drop, it can be determined that there is an abnormality in airtightness of the fuel cell stack.
  • the fuel cell stack when the fuel cell stack passes the airtightness test in the inspection step (S300), the fuel cell stack is fastened with a fastening means in a state in which components of the stacked fuel cell stack are pressurized.
  • Fastening of the fuel cell stack may be performed through bolts, etc., which are fastened to the tie rods from the outside of the tie rods and end plates connecting each component of the fuel cell.
  • Tie rods are arranged to connect components of the fuel cell stack between the stacking step ( S100 ) and the pressing step ( S200 ), and the bolts may be fastened after the inspection step ( S300 ).
  • a washer may be inserted between the bolt and the end plate to increase the fastening force of the bolt, and a double bolt may be used.
  • locking treatment may be performed after fastening the bolts.
  • the method for assembling a fuel cell stack of the present invention prior to fastening components of the fuel cell stack to each other, it is necessary to perform a confidentiality test in a state in which the fuel cell stack is pressurized so as to disengage the fastened fuel cell stack again. does not exist.
  • the fastening step (S400) is not performed after the inspection step (S300), but the pressure release step (S500) and the re-stacking step (S600) are performed instead. After the re-stacking step (S600), the steps below the pressing step (S200) are performed.
  • the pressure releasing step (S500) the pressure on the components of the stacked fuel cell stack is released. Since the fuel cell stack after the inspection step (S300) is not yet fastened and deformation due to fastening has not occurred, it is possible to reuse components of the fuel cell stack even if pressurization thereof is released.
  • components of the fuel cell stack are stacked again.
  • Components of the fuel cell stack stacked in the re-stacking step (S600) may be fuel cell unit cells different from those stacked in the stacking step (S100), or some of the fuel cell unit cells stacked in the stacking step (S100). may be
  • a pressurization step (S200) and an inspection step (S300) are again performed on the components of the re-stacked fuel cell stack.
  • the pressure release step (S500) may proceed again.
  • the inspection step (S300) it is possible to check whether there is an airtight problem in the components of the stacked fuel cell stacks, but it is difficult to determine which unit cell among several fuel cell unit cells has a airtight problem.
  • the steps below the pressurization step (S200) are performed, and then the stacked Steps below the re-stacking step (S600) may be performed using the remaining components of the fuel cell stack.
  • 3 shows an explanatory diagram for this case.
  • the airtightness test may be first performed on half of the components of the fuel cell stack determined to have a leaktightness problem in the inspection step (S300), and then the airtightness test may be performed on the other half.
  • it may be determined that there is an airtightness problem in any fuel cell unit cell among components of the fuel cell stack that has not passed the airtightness test again among the two airtightness tests. Components of the fuel cell that have passed the airtightness test after re-lamination can be reused.
  • the components of the fuel cell stack that did not pass the inspection step (S300) may be divided into three or more sections and re-inspected, and the components of the fuel cell stack that did not pass the re-inspection are re-inspected so that the problem of confidentiality is solved. It is possible to more accurately find the section where the fuel cell unit cell is located.
  • the inspection step (S300) may include a pipe connection step (S310) and a pressure measuring step (S320).
  • inspection pipes may be connected to the inlet and outlet of the coolant path, the inlet and outlet of the air path, and the inlet and outlet of the fuel (H 2 ) path in the fuel cell stack. Compressed nitrogen can be supplied through each inspection pipe.
  • gas pressure is measured while supplying gas to at least one of the inspection pipes to check whether there is an airtightness problem in the fuel cell stack.
  • a valve may be provided in the inspection pipe to control the supply of gas to each inspection pipe, and a pressure measuring sensor may be provided to measure the pressure of the gas.
  • the pressure measuring step ( S320 ) may include a coolant leak checking step ( S321 ), an outer leak checking step ( S322 ), a first inner leak checking step ( S323 ), and a second inner leak checking step ( S324 ).
  • the pressure of the gas is measured while supplying the gas to the inlet and outlet of the coolant path. Accordingly, it can be confirmed whether there is an abnormality in the airtightness of the coolant path. Since the coolant is formed through the separation plate, the lack of airtightness of the coolant path means that there is no problem with the separation plate.
  • gas is supplied to the inlet of the air path with the outlet of the air path closed, and gas pressure is measured while supplying gas to the inlet of the fuel path with the outlet of the fuel path closed.
  • the air path is formed between one side of the membrane electrode assembly and one separator plate
  • the fuel path is formed between the other side of the membrane electrode assembly and the other separator plate
  • a gasket is disposed between the membrane electrode assembly and each separator plate, so that the outlet
  • gas pressure is measured while supplying gas to the inlet of the fuel passage in a state where the inlet and outlet of the air passage and the outlet of the fuel passage are closed. Accordingly, it is possible to check whether there is a problem in the airtightness of the fuel path.
  • gas pressure is measured while supplying gas to the inlet of the air passage in a state where the inlet and outlet of the fuel passage and the outlet of the air passage are closed. Accordingly, it is possible to check whether there is a problem in the airtightness of the air path.
  • the order of the first inner leak inspection step (S323) and the second inner leak inspection step (S324) may be interchanged.
  • the steps below the outer leak test step (S322) are performed only when the test of the coolant leak test step (S321) is passed.
  • the efficiency of the inspection can be increased by performing the steps below the outer leak inspection step (S322) only when the test of the coolant leak inspection step (S321) is passed.
  • the inspection may be performed with the coolant path open or closed in the steps below the outer leak inspection step (S322). can also be done
  • the first inner leak test step (S323) and the second inner leak test step (S324) may be performed only when the test of the outer leak test step (S322) is passed.
  • the efficiency of the inspection can be increased by performing the first inner leak inspection step (S323) and the second inner leak inspection step (S324) only when the outer leak inspection step (S322) has passed.
  • the coolant leak inspection step (S321) and the outer leak inspection step (S322) it is determined that the test has passed when the gas pressure drop is 0, and the first inner leak inspection step (S323) and the second inner leak inspection step In (S324), it can be determined that the inspection has passed when the pressure drop is 1% or less.
  • each leak test for example, a gas of 10 to 20 kPa may be supplied.
  • the pressure drop is 0.01 to 0.1 kPa in the first inner leak test step (S323) and the second inner leak test step (S324). In this case, it can be judged that the inspection has passed.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a fuel cell stack assembling apparatus according to the present invention.
  • An apparatus 1 for assembling a fuel cell stack according to the present invention includes a support 10, a pressing unit 20, an inspection unit 30, a fastening unit (not shown), and a control unit (not shown).
  • the support 10 is a horizontal plate-shaped member on which components of a fuel cell stack are stacked.
  • the pressing part 20 is located at a position spaced apart from the top of the support 10 and has a horizontal plate-shaped portion similar to the support 10.
  • the pressing unit 20 may press components of the fuel cell stack stacked on the support while moving up and down.
  • the inspection unit 30 performs a confidentiality inspection on the components of the stacked fuel cell stacks in a state in which the pressurization unit 20 presses them.
  • the inspection unit 30 is fixed to the pressurization unit 20 and includes a connection plate 31 having holes communicating with inlets and outlets of the coolant path, the air path, and the fuel path, respectively, and an inspection pipe connected to each hole of the connection plate ( 32), a gas supply unit 33 for supplying high-pressure gas through the inspection pipe, and a pressure measuring sensor 34 for measuring the gas pressure of the inspection pipe. Since the connection plate 31 is fixed to the pressurizing part, when the pressurizing part adheres to the components of the stacked fuel cell stack, inspection pipes may be connected to the inlet and outlet of the coolant path.
  • the inspection unit 30 may perform a confidentiality inspection by measuring the pressure of the gas while supplying the gas to at least one of the inspection pipes 32 .
  • the confidentiality inspection may be performed in a predetermined order, and subsequent inspection steps may be performed only when the preceding inspection is passed.
  • the fastening part fastens the fuel cell stack in a state in which the pressing part presses the components of the stacked fuel cell stacks.
  • the fastening unit may fasten a bolt to a tie rod arranged to connect each component of the fuel cell stack before pressurizing the components of the fuel cell stack. Fastening of the fuel cell stack may proceed only when the airtightness test is passed.
  • the control unit serves to control the pressing unit, the inspection unit, and the fastening unit.
  • the control unit may control the fastening unit to fasten the fuel cell stack only when the airtight test is passed by the inspection unit. That is, since the fastening of the fuel cell stack by the fastening unit proceeds after the airtightness test is completed and proceeds only when there is no abnormality in the airtightness of the fuel cell stack, there is no need to disengage the fastened fuel cell stack again, and the fuel cell stack Some of the components can be reused even if the airtightness of the product is compromised.
  • the control unit may increase inspection efficiency by controlling the inspection unit so that the airtightness inspection of various parts related to the coolant path, the air path, and the fuel path is performed in a predetermined order.
  • a program for controlling the opening and closing of each path valve and deriving an inspection result through a sensing value from a pressure measuring sensor is stored in the control unit, so that the inspection of the fuel cell stack can be performed automatically.

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 조립 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 연료전지 스택 조립 방법은, 연료전지 스택의 구성부들을 적층하는 적층단계; 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 가압단계; 적층된 연료전지 스택의 구성부들이 가압된 상태에서 기밀 검사를 수행하는 검사단계; 및 상기 검사단계에서 검사를 통과한 경우, 적층된 연료전지 스택의 구성부들이 가압된 상태에서 체결수단으로 연료전지 스택을 체결하는 체결단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 연료전지 스택의 기밀 불량을 정확하게 확인할 수 있으면서도 기밀 불량의 문제를 해결하면서 추가적인 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

연료전지 스택 조립 방법 및 장치
본 발명은 연료전지 스택 조립 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조립 중 연료전지 스택의 불량을 방지하면서 견고하게 조립하는 것이 가능한 연료전지 스택 조립 방법 및 장치에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키어 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 보통의 전지는 전지 내에 미리 채워놓은 화학물질에서 나오는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하지만 연료전지는 지속적으로 연료와 산소의 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 공급한다.
연료전지는 더 많은 전기를 얻을 수 있도록 여러 개의 연료전지(단위 셀)들이 연속적으로 배열되어 형성되는 연료전지 스택의 형태로 사용된다. 연료전지 스택에서 연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판이 배치되도록 구성되며, 연료전지 스택은 가압된 상태에서 엔드 플레이트와 체결수단을 통해 체결된다.
연료전지 스택에서 기밀성은 중요한 성능으로서, 종래에는 연료전지 스택을 조립한 후 기밀시험을 수행하였다.
그런데 연료전지 스택이 기밀시험을 통과하지 못한 경우 해체 후 다시 조립해주어야 하는데, 한번 체결수단에 의해 조립된 연료전지 스택의 막-전극 어셈블리 등에는 변형이 발생할 수 있기 때문에 재사용이 어렵고 체결된 것을 해체하는 과정에서 생산성이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) KR10-2006-0052871 A
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지 스택의 기밀 불량을 정확하게 확인할 수 있으면서도 기밀 불량의 문제를 해결하면서 추가적인 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있는 연료전지 스택 조립 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 위에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료전지 스택의 구성부들을 적층하는 적층단계; 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 가압단계; 적층된 연료전지 스택의 구성부들이 가압된 상태에서 기밀 검사를 수행하는 검사단계; 및 상기 검사단계에서 검사를 통과한 경우, 적층된 연료전지 스택의 구성부들이 가압된 상태에서 체결수단으로 연료전지 스택을 체결하는 체결단계;를 포함하는 연료전지 스택 조립 방법에 의해 달성된다.
상기 검사단계에서 검사를 통과하지 못한 경우, 적층된 연료전지 스택의 구성부들에 대한 가압을 해제하는 가압 해제단계; 및 연료전지 스택의 구성부들을 다시 적층하는 재적층단계;의 수행 후, 상기 가압단계 이하의 단계를 수행할 수 있다.
상기 재적층단계에서는, 상기 적층단계에서 적층된 연료전지 스택의 구성부들 중 일부를 적층한 후 상기 가압단계 이하의 단계를 수행하고, 상기 적층단계에서 적층된 연료전지 스택의 구성부들 중 나머지를 이용해 상기 재적층단계 이하의 단계를 수행할 수 있다.
상기 검사단계는, 연료전지 스택에서 쿨런트 경로의 입구와 출구, 공기 경로의 입구와 출구, 연료 경로의 입구와 출구에 검사배관을 연결하는 관 연결단계, 및 상기 각 검사배관 중 적어도 어느 하나에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 압력 측정단계를 포함할 수 있다.
상기 압력 측정단계는, 쿨런트 경로의 입구와 출구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 쿨런트 리크 검사단계, 공기 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 공기 경로의 입구에 가스를 공급하고 연료 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 연료 경로의 입구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 아우터 리크 검사단계, 공기 경로의 입구와 출구, 연료 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 연료 경로의 입구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 제1 이너 리크 검사단계, 및 연료 경로의 입구와 출구, 공기 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 공기 경로의 입구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 제2 이너 리크 검사단계를 포함할 수 있다.
상기 쿨런트 리크 검사단계에서 검사를 통과한 경우에만 상기 아우터 리크 검사단계 이하의 단계를 수행할 수 있다.
상기 아우터 리크 검사단계에서 검사를 통과한 경우에만 상기 제1 이너 리크 검사단계와 상기 제2 이너 리크 검사단계를 수행할 수 있다.
상기 쿨런트 리크 검사단계와 상기 아우터 리크 검사단계에서는 압력 강하가 0인 경우에 검사를 통과한 것으로 판단하고, 상기 제1 이너 리크 검사단계와 상기 제2 이너 리크 검사단계에서는 압력 강하가 1% 이하인 경우에 검사를 통과한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 연료전지 스택의 구성부들이 적층되는 지지대; 상기 지지대의 상부에 위치하여 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 가압부; 상기 가압부가 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 상태에서 기밀 검사를 수행하는 검사부; 상기 가압부가 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 상태에서 연료전지 스택을 체결하는 체결부; 및 상기 가압부, 상기 검사부 및 상기 체결부를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는 상기 검사부에서의 검사가 통과된 경우에 상기 체결부가 연료전지 스택을 체결하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 장치가 제공된다.
본 발명의 연료전지 스택 조립 방법에 의하면, 연료전지 스택의 구성부들을 서로 체결하기 전에 연료전지 스택이 가압된 상태에서 기밀 검사를 수행하여, 체결이 완료된 연료전지 스택을 다시 체결 해제할 필요가 없다.
그리고 기밀 검사에서 연료전지 스택에 이상이 있다고 판정된 경우에도, 연료전지 스택을 쉽게 분해하여 그 구성부들 중 일부를 재사용하는 것이 가능하다.
또한, 쿨런트 경로, 공기 경로, 연료 경로와 관련된 여러 부분들에 대한 기밀 검사를 각각 정해진 순서대로 진행하여, 어느 부분에 기밀성의 문제가 있는지 확인할 수 있어 검사의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 방법의 순서도,
도 2는 연료전지 스택에 관한 설명도,
도 3은 본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 방법을 구성하는 재적층단계에 관한 설명도,
도 4는 본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 방법을 구성하는 검사단계에 관한 설명도,
도 5는 본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 장치에 관한 설명도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참고하여 자세하게 설명하도록 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 방법의 순서도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 방법은 적층단계(S100), 가압단계(S200), 검사단계(S300) 및 체결단계(S400)를 포함하여 이루어진다.
적층단계(S100)에서는 연료전지 스택의 구성부들을 적층한다. 연료전지 스택은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 분리판(Bipolar plate), 막전극접합체(MEA), 분리판(Bipolar plate)을 하나의 단위셀로 하는 다수의 단위셀과 최단부 분리판의 외측으로 배치되는 엔드 플레이트(End plate) 등을 포함한다. 단위셀은 분리판과 막전극접합체의 사이에 배치되며 막전극접합체의 외곽을 따라 형성되는 가스켓을 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택은 각 구성부들이 수평한 상태로 놓여지도록 적층된다.
가압단계(S200)에서는 적층된 상태의 연료전지 스택의 구성부들을 가압한다. 가압 작업은 연료전지 스택의 구성부들 중에서도 최외측에 위치하는 엔드 플레이트에 대해 이루어질 수 있다. 가압 작업은 예를 들어, 프레스 장치에 의해 약 3ton 압력으로 이루어질 수 있다.
검사단계(S300)에서는 적층된 연료전지 스택의 구성부들이 가압된 상태에서 기밀 검사를 수행한다. 기밀 검사는 연료 전지 스택의 쿨런트 경로, 공기 경고 및 연료 경로에 압축질소를 주입하고 압축질소의 압력변화를 측정함으로써 수행할 수 있다. 즉, 주입되는 압축질소에 압력 강하가 없는 경우 연료전지 스택이 리크(leak) 없이 기밀한 것으로 판단할 수 있고, 압력 강하가 있는 경우에는 연료전지 스택의 기밀성에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다.
체결단계(S400)에서는, 검사단계(S300)에서 연료전지 스택이 기밀 검사를 통과한 경우에 적층된 연료전지 스택의 구성부들이 가압된 상태에서 체결수단으로 연료전지 스택을 체결한다. 연료전지 스택의 체결은 연료전지의 각 구성부들을 연결하는 타이로드와 엔드 플레이트의 외측에서 타이로드에 체결되는 볼트 등을 통해 이루어질 수 있다.
타이로드는 적층단계(S100)와 가압단계(S200) 사이에서 연료전지 스택의 구성부들을 연결하도록 배치되고, 볼트는 검사단계(S300) 후에 체결될 수 있다. 볼트의 체결력을 높이기 위해 볼트와 엔드 플레이트 사이에는 와셔가 삽입될 수 있고, 이중볼트를 사용할 수 있다. 그리고 볼트 체결 후 락킹처리를 수행할 수 있다.
이러한 본 발명의 연료전지 스택 조립 방법에 의하면, 연료전지 스택의 구성부들을 서로 체결하기 전에 연료전지 스택이 가압된 상태에서 기밀 검사를 수행하여, 체결이 완료된 연료전지 스택을 다시 체결 해제할 필요가 없다.
즉, 기존에는 연료전지 스택의 체결 후 기밀 검사를 수행하였기 때문에, 기밀 검사를 통과하지 못한 경우 체결수단을 분리하여 연료전지 스택을 해체한 후 재조립해주어야 하는 번거로움이 있었지만, 본 발명에서는 연료전지 스택의 체결 전 기밀 검사를 수행하기 때문에 이미 체결되었던 체결수단을 분리해주어야 할 필요가 없다.
그리고 기존의 연료전지 스택 조립 방법에서와 같이 한번 체결수단으로 연료전지 스택을 체결한 후에는 체결수단에 의한 국부하중에 의해 연료전지 스택의 구성부들이 변형되어 해체하더라도 재사용하기 어려워지는 문제점이 있었지만, 본 발명에서는 그러할 가능성이 없다.
검사단계(S300)에서 검사를 통과하지 못한 경우에는 검사단계(S300) 후 체결단계(S400)를 진행하지 않고 대신 가압 해제단계(S500)와 재적층단계(S600)를 진행한다. 그리고 재적층단계(S600) 후에는 가압단계(S200) 이하의 단계를 진행한다.
가압 해제단계(S500)에서는 적층된 연료전지 스택의 구성부들에 대한 가압을 해제한다. 검사단계(S300) 후의 연료전지 스택은 아직 체결되기 전으로서 체결에 의한 변형이 발생하지 않았기 때문에 그에 대한 가압을 해제하더라도 연료전지 스택의 구성부들을 재사용하는 것이 가능하다.
재적층단계(S600)에서는 연료전지 스택의 구성부들을 다시 적층한다. 재적층단계(S600)에서 적층되는 연료전지 스택의 구성부들은 적층단계(S100)에서 적층되었던 것과 다른 연료전지 단위셀들일 수도 있고 적층단계(S100)에서 적층되었던 것 중 일부의 연료전지 단위셀들일 수도 있다.
재적층된 연료전지 스택의 구성부들에 대해서는 다시 가압단계(S200)와 검사단계(S300)가 수행되며, 검사단계(S300)에서 검사를 통과한 경우에는 체결단계(S400)가 진행되고 그렇지 않은 경우에는 다시 가압 해제단계(S500)가 진행될 수 있다.
검사단계(S300)에서는 적층된 연료전지 스택의 구성부들에서 기밀성의 문제가 있는지의 여부는 확인할 수 있지만, 여러 연료전지 단위셀들 중 어느 단위셀에서 기밀성의 문제가 있는지는 확인하기 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 재적층단계(S600)에서는 적층단계(S100)에서 적층된 연료전지 스택의 구성부들 중 일부를 적층한 후 가압단계(S200) 이하의 단계를 수행하고, 그 후 적층된 연료전지 스택의 구성부들 중 나머지를 이용해 재적층단계(S600) 이하의 단계를 수행할 수 있다. 도 3에는 이러한 경우에 관한 설명도가 도시되어 있다.
예를 들어, 검사단계(S300)에서 기밀성의 문제가 있는 것으로 판단된 연료전지 스택의 구성부들 중 절반에 대해 먼저 기밀 검사를 수행하고, 그 후 나머지 절반에 대해 기밀 검사를 수행할 수 있다. 그리고 두 번의 기밀 검사 중 다시 검사를 통과하지 못한 연료전지 스택의 구성부들 중 어느 연료전지 단위셀에 기밀성의 문제가 있는 것으로 판단할 수 있다. 재적층 후 기밀 검사를 통과한 연료전지의 구성부들은 다시 사용하는 것이 가능하다.
검사단계(S300)를 통과하지 못한 연료전지 스택의 구성부들은 세 구간 이상으로 나누어 재검사를 수행할 수도 있고, 재검사를 통과하지 못한 연료전지 스택의 구성부들에 대해 다시 재검사를 수행하여 기밀성의 문제가 있는 연료전지 단위셀이 위치한 구간을 보다 정확하게 찾을 수 있다.
도 4에는 검사단계(S300)에 관한 설명도가 도시되어 있다.
검사단계(S300)는 보다 구체적으로, 관 연결단계(S310)와 압력 측정단계(S320)를 포함할 수 있다.
관 연결단계(S310)에서는 연료전지 스택에서 쿨런트 경로의 입구와 출구, 공기(air) 경로의 입구와 출구, 연료(H2) 경로의 입구와 출구에 검사배관을 연결할 수 있다. 각각의 검사배관을 통해서는 압축 질소를 공급해줄 수 있다.
압력 측정단계(S320)에서는 각 검사배관 중 적어도 어느 하나에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하여 연료전지 스택에 기밀성의 문제가 있는지 확인하다.
이처럼 쿨런트 경로, 공기 경로, 연료 경로 각각에 검사배관을 연결하고 기밀 검사를 수행하므로, 세 경로 중 어느 경로에 기밀성의 문제가 있는지 확인하는 것이 가능하다.
각 검사배관에 대한 가스의 공급을 조절할 수 있도록 검사배관에는 밸브가 구비될 수 있고, 가스의 압력 측정을 위해 압력 측정 센서가 구비될 수 있다.
압력 측정단계(S320)는 쿨런트 리크 검사단계(S321), 아우터 리크 검사단계(S322), 제1 이너 리크 검사단계(S323) 및 제2 이너 리크 검사단계(S324)를 포함할 수 있다.
아래의 [표 1]에는 각 리크 검사단계에서의 검사 방법이 설명되어 있다.
[표 1]
Figure PCTKR2021017061-appb-I000001
구체적으로, 쿨런트 리크 검사단계(S321)에서는 쿨런트 경로의 입구와 출구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정한다. 이에 따라, 쿨런트 경로의 기밀성에 이상이 있는지 확인할 수 있다. 쿨런트는 분리판의 관통하여 형성되므로, 쿨런트 경로의 기밀성에 없다는 것은 분리판에 문제가 없다는 것을 의미한다.
아우터 리크 검사단계(S322)에서는 공기 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 공기 경로의 입구에 가스를 공급하고 연료 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 연료 경로의 입구의 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정한다. 공기 경로는 막전극접합체의 일측면과 일측 분리판 사이에 형성되고 연료 경로는 막전극접합체의 타측면과 타측 분리판 사이에 형성되며 막전극접합체와 각 분리판 사이에는 가스켓이 배치되므로, 출구가 폐쇄된 상태의 공기 경로와 연료 경로에 가스를 공급하면 가스켓의 기밀성에 문제가 있는지를 확인할 수 있다.
제1 이너 리크 검사단계(S323)에서는 공기 경로의 입구와 출구, 연료 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 연료 경로의 입구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정한다. 이에 따라, 연료 경로의 기밀성에 문제가 있는지 확인할 수 있다.
제2 이너 리크 검사단계(S324)에서는 연료 경로의 입구와 출구, 공기 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 공기 경로의 입구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정한다. 이에 따라, 공기 경로의 기밀성에 문제가 있는지 확인할 수 있다.
제1 이너 리크 검사단계(S323)와 제2 이너 리크 검사단계(S324)의 순서는 서로 바뀌어도 무방하다.
압력 측정단계(S320)에서는 쿨런트 리크 검사단계(S321)의 검사를 통과한 경우에만 아우터 리크 검사단계(S322) 이하의 단계를 수행한다.
쿨런트의 경로인 분리판의 기밀성에 문제가 있는 경우, 아우터 리크 검사단계(S322) 등에서 가스켓이나 공기 경로, 연료 경로에 문제가 없더라도 분리판을 통해 가스가 새면서 가스의 압력이 떨어질 수 있고, 이에 따라 어느 곳에 기밀성의 문제가 있는지 확인하기 어렵다. 따라서, 쿨런트 리크 검사단계(S321)의 검사를 통과한 경우에만 아우터 리크 검사단계(S322) 이하의 단계를 수행함으로써 검사의 효율성을 높일 수 있다.
쿨런트 리크 검사단계(S321)에서 분리판에 문제가 없는 것이 확인되면, 아우터 리크 검사단계(S322) 이하의 단계에서는 쿨런트 경로를 개방한 상태에서 검사를 수행할 수도 있고 폐쇄한 상태에서 검사를 수행할 수도 있다.
압력 측정단계(S320)에서는 아우터 리크 검사단계(S322)의 검사를 통과한 경우에만 제1 이너 리크 검사단계(S323)와 제2 이너 리크 검사단계(S324)를 진행할 수 있다.
가스켓의 기밀성에 문제가 있는 경우, 제1 이너 리크 검사단계(S323)와 제2 이너 리크 검사단계(S324)에서 공기 경로와 연료 경로에 문제가 없더라도 가스켓 부분에서 가스가 새면서 가스의 압력이 떨어질 수 있고, 이에 따라 어느 곳에 기밀성의 문제가 있는지 확인하기 어렵다. 따라서, 아우터 리크 검사단계(S322)의 검사를 통과한 경우에만 제1 이너 리크 검사단계(S323)와 제2 이너 리크 검사단계(S324)를 수행함으로써 검사의 효율성을 높일 수 있다.
쿨런트 리크 검사단계(S321)와 아우터 리크 검사단계(S322)에서는 가스의 압력 강하가 0인 경우에 검사를 통과한 것으로 판단하고, 제1 이너 리크 검사단계(S323)와 제2 이너 리크 검사단계(S324)에서는 압력 강하가 1% 이하인 경우에 검사를 통과한 것으로 판단할 수 있다.
제1 이너 리크 검사단계(S323)와 제2 이너 리크 검사단계(S324)에서는 막전극접합체의 막을 통해 막의 반대편으로 공기가 미량 이동할 수 있으므로, 이를 고려하여 압력 강하가 1% 이하인 경우에 검사를 통과한 것으로 판단한다.
각각의 리크 검사시에는, 예를 들어 10 ~ 20 kPa의 가스를 공급할 수 있으며, 이 경우 제1 이너 리크 검사단계(S323)와 제2 이너 리크 검사단계(S324)에서는 압력 강하가 0.01 ~ 0.1kPa인 경우에 검사를 통과한 것으로 판단할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 장치(1)에 대해 설명한다. 본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 장치에 대해 설명하면서, 본 발명의 연료전지 스택 조립 방법의 설명시 언급한 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략할 수 있다.
도 5에는 본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 장치의 설명도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 연료전지 스택 조립 장치(1)는 지지대(10), 가압부(20), 검사부(30), 체결부(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함하여 이루어진다.
지지대(10)는 수평한 판형의 부재로서 그 상부에 연료전지 스택의 구성부들이 적층된다.
가압부(20)는 지지대(10)의 상부로 이격된 위치에 위치하는 것으로서, 지지대(10)와 마찬가지로 수평한 판형 부분을 갖는다. 가압부(20)는 상하로 이동하면서 지지대 상에 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압할 수 있다.
검사부(30)는 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압부(20)가 가압하는 상태에서 기밀 검사를 수행한다. 검사부(30)는, 가압부(20)에 고정되며 쿨런트 경로, 공기 경로, 연료 경로 각각의 입출구와 연통하는 구멍을 갖는 연결판(31), 상기 연결판의 각 구멍에 연결되는 검사배관(32), 상기 검사배관을 통해 고압의 가스를 공급하는 가스 공급부(33), 및 상기 검사배관의 가스 압력을 측정하는 압력 측정 센서(34) 등을 구비할 수 있다. 연결판(31)은 가압부에 고정되기 때문에 가압부가 적층된 연료전지 스택의 구성부들에 밀착되면 검사배관들이 쿨런트 경로 등의 입출구에 연결될 수 있다.
검사부(30)는 상기했던 바와 같이, 검사배관(32) 중 적어도 어느 하나에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정함으로써 기밀 검사를 수행할 수 있다. 기밀 검사는 정해진 순서대로 진행될 수 있으며, 선행 검사를 통과한 경우에만 후의 검사 단계들이 진행될 수 있다.
체결부는 가압부가 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 상태에서 연료전지 스택을 체결한다. 구체적으로, 체결부는 연료전지 스택의 구성부들을 가압하기 전 연료전지 스택의 각 구성부들을 연결하도록 배치된 타이로드에 볼트를 체결할 수 있다. 연료전지 스택의 체결은 기밀 검사를 통과한 경우에만 진행될 수 있다.
제어부는 가압부, 검사부 및 체결부를 제어하는 역할을 한다. 제어부는 검사부에서 기밀 검사가 통과된 경우에만 체결부가 연료전지 스택을 체결하도록 제어할 수 있다. 즉, 체결부에 의한 연료전지 스택의 체결은 기밀 검사 완료 후 진행되며 연료전지 스택의 기밀성에 이상이 없는 경우에만 진행되므로, 체결이 완료된 연료전지 스택을 다시 체결 해제할 필요가 없고, 연료전지 스택의 기밀성에 이상이 있는 경우에도 구성부들 중 일부를 재사용할 수 있다.
제어부는 쿨런트 경로, 공기 경로, 연료 경로와 관련된 여러 부분들에 대한 기밀 검사가 정해진 순서대로 진행되도록 검사부를 제어하여 검사의 효율을 높일 수 있다.
즉, 제어부에는 각 경로 밸브들의 개폐를 제어하고 압력 측정 센서에서의 센싱값을 통해 검사 결과를 도출하는 프로그램이 저장되어 있어, 자동으로 연료전지 스택에 대한 검사가 진행되도록 할 수 있다.
발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
[부호의 설명]
1 : 연료전지 스택 조립 장치
10 : 지지대 20 : 가압부
30 : 검사부 31 : 연결판
32 : 검사배관 33 : 가스 공급부
34 : 압력 측정 센서

Claims (9)

  1. 연료전지 스택의 구성부들을 적층하는 적층단계;
    적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 가압단계;
    적층된 연료전지 스택의 구성부들이 가압된 상태에서 기밀 검사를 수행하는 검사단계; 및
    상기 검사단계에서 검사를 통과한 경우, 적층된 연료전지 스택의 구성부들이 가압된 상태에서 체결수단으로 연료전지 스택을 체결하는 체결단계;를 포함하는 연료전지 스택 조립 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검사단계에서 검사를 통과하지 못한 경우,
    적층된 연료전지 스택의 구성부들에 대한 가압을 해제하는 가압 해제단계; 및
    연료전지 스택의 구성부들을 다시 적층하는 재적층단계;의 수행 후,
    상기 가압단계 이하의 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재적층단계에서는, 상기 적층단계에서 적층된 연료전지 스택의 구성부들 중 일부를 적층한 후 상기 가압단계 이하의 단계를 수행하고,
    상기 적층단계에서 적층된 연료전지 스택의 구성부들 중 나머지를 이용해 상기 재적층단계 이하의 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 검사단계는,
    연료전지 스택에서 쿨런트 경로의 입구와 출구, 공기 경로의 입구와 출구, 연료 경로의 입구와 출구에 검사배관을 연결하는 관 연결단계, 및
    상기 각 검사배관 중 적어도 어느 하나에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 압력 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압력 측정단계는,
    쿨런트 경로의 입구와 출구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 쿨런트 리크 검사단계,
    공기 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 공기 경로의 입구에 가스를 공급하고 연료 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 연료 경로의 입구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 아우터 리크 검사단계,
    공기 경로의 입구와 출구, 연료 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 연료 경로의 입구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 제1 이너 리크 검사단계, 및
    연료 경로의 입구와 출구, 공기 경로의 출구를 폐쇄한 상태에서 공기 경로의 입구에 가스를 공급하면서 가스의 압력을 측정하는 제2 이너 리크 검사단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쿨런트 리크 검사단계에서 검사를 통과한 경우에만 상기 아우터 리크 검사단계 이하의 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 아우터 리크 검사단계에서 검사를 통과한 경우에만 상기 제1 이너 리크 검사단계와 상기 제2 이너 리크 검사단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 쿨런트 리크 검사단계와 상기 아우터 리크 검사단계에서는 압력 강하가 0인 경우에 검사를 통과한 것으로 판단하고,
    상기 제1 이너 리크 검사단계와 상기 제2 이너 리크 검사단계에서는 압력 강하가 1% 이하인 경우에 검사를 통과한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 방법.
  9. 연료전지 스택의 구성부들이 적층되는 지지대;
    상기 지지대의 상부에 위치하여 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 가압부;
    상기 가압부가 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 상태에서 기밀 검사를 수행하는 검사부;
    상기 가압부가 적층된 연료전지 스택의 구성부들을 가압하는 상태에서 연료전지 스택을 체결하는 체결부; 및
    상기 가압부, 상기 검사부 및 상기 체결부를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는 상기 검사부에서의 검사가 통과된 경우에 상기 체결부가 연료전지 스택을 체결하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립 장치.
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