KR20110000157A - 연료전지의 전해질막 검사 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 전해질막 검사 장치 및 방법에 관한 것으로서, 활성화 단계를 거친 스택에 대해 운전 시작 단계 이전에 시스템의 간단한 조작을 통해서 품질이 낮은 전해질막을 선별할 수 있도록 함으로써, 별도 장치를 이용하여 전수 검사를 실시해야 하는 기존 방법 대비 스택 제작의 시간 단축, 원가 절감은 물론 생산성을 증가시킬 수 있고, 품질이 낮은 전해질막의 사전 선별을 통해 운전시 스택의 내구성 증대 및 수리 가능성을 크게 감소시킬 수 있는 전해질막 검사 장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지, 전해질막, 핀홀, 크랙, 검사 장치

Description

연료전지의 전해질막 검사 장치 및 방법{System and method for testing electrolyte membrane of fuel cell}

본 발명은 연료전지 검사 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 구성품 중 전해질막에 대하여 미세 핀홀이나 크랙 발생 등을 검사하여 선별할 수 있는 연료전지의 전해질막 검사 및 장치 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.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합 체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.

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 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

한편, 고분자 전해질막 연료전지의 상용화에 있어서 넘어야 할 가장 큰 장애는 높은 가격과 짧은 수명이다.

고분자 전해질막 연료전지의 높은 가격은 상용화 단계에서 대량생산 체제로 가면서 절감될 것이라 예상할 수 있으나, 수명에 있어서는 ON/OFF 반복과 냉시동, 진동 등의 열악한 운전 조건으로 인해 상용화 요구 수준에 비해 짧은 것이 현 실정이다.

수명을 짧게 하는 열화의 원인은 연료전지를 구성하는 여러 요소에 모두 존재하지만, 연료전지의 핵심 요소인 고분자 전해질막의 열화가 장시간 운전 후 성능 저하에 많은 영향을 주고 있다.

전해질막의 열화 원인은 크게 열, 압력, 이온 오염, 전기화학적인 열화를 들 수 있는데, 전기화학적인 열화는 구체적으로 아래와 같은 메커니즘에서 보듯이 과산화수소 및 라디칼에 의한 열화에 의한다고 알려져 있다.

상기 메커니즘에 따르면, 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 발생시킨다.

이에 고분자 사슬이 끊어져 가스-크로스오버(gas-crossover)가 심하게 발생하게 되고, 해당 부위의 전해질막의 열화속도가 급증하게 되면서 작은 구멍인 핀홀(pinhole)이 형성된다.

이때 고분자 전해질막의 열화는 막 전체적으로 균일하게 일어나지 않고 어떤 국부적인 부위에서 특히 심하게 진행되며, 결국 해당 부위에 핀홀이 발생하여 전체 셀이나 스택의 수명이 다하게 된다. 전해질막에 핀홀이 형성된 경우 애노드측으로 과량의 산소가 크로스오버되면서 막 열화는 가속화된다.

이에 따라 고분자 전해질막의 열화시 어떤 부위에서 핀홀이 형성되었는지를 확인해 그 원인을 규명하는 것이 상용화를 위한 중요한 요소가 되고 있으나, 아직 미세 핀홀이나 크랙 발생 등 전해질막의 이상 여부를 검사할 수 있는 최적의 방법이 제시되지 못하고 있는 실정이다.

특히, 알려진 대부분의 검사 방법은 전해질막에서 핀홀의 존재 여부를 검사하는데 초점을 맞춘 것으로, 아주 작은 핀홀의 경우 그 확인이 어렵고, 핀홀의 존재를 확인하는 과정에서 전해질막이 손상을 입을 수 있는 문제들이 있다.

또한 종래의 전해질막 검사가 품질이 낮은 전해질막을 선별하기 위해 이상 유무를 판단하는 수준(핀홀의 존재 및 위치 확인 수준)에 그치고 있을 뿐, 스택 운전시 핀홀의 생성 가능성이나 핀홀, 크랙 등이 발생할 수 있는 취약 부위를 미리 확인할 수 있는 수준은 아니다.

전해질막의 품질과 관련한 선행기술에 대해 좀더 살펴보면, 미국 특허공개 2006/0040155에서는 전해질막에 대해 추가적인 공정을 수행하여 전해질막의 품질을 향상시키는 전처리 기술을 제시하고 있다.

즉, 공정을 통해 가습, 건조 조건을 부여하여 전해질막의 품질을 향상시키는 기술로서, 첨부한 도 1에 나타낸 바와 같이 스택 조립 전 전해질막에 대해 가습(Wet), 건조(Dry) 사이클을 적어도 3회 이상 실시하여, 조립 후 전해질막의 핀홀 생성을 줄이는 동시에 연료전지의 성능을 향상시키고자 하는 것이다.

조립된 상태의 연료전지 스택이 운전될 때 가습 가스와 건조 가스가 유입되면 전해질막이 수축과 팽창을 반복하면서 치수(길이, 폭)가 변하게 되고, 이러한 현상은 전해질막에 핀홀의 생성을 유발하여 연료전지의 성능을 저하시키게 된다.

따라서, 스택 조립 전 단계에서 가습 및 건조 공정을 반복 실시하는 전처리 과정을 통해 전해질막의 핀홀 생성 및 성능 저하를 방지하고자 하는 것이다.

그러나, 상기 공정은 핀홀의 생성 가능성을 줄이기 위한 것으로서, 가습 및 건조 공정을 실시하기 위한 고가의 추가 설비가 필요하므로 스택의 제작 비용을 증가시키는 문제점이 있다.

특히, 장시간을 요하는 가습 및 건조 공정이 추가됨으로써 스택 제작 시간이 길어지고, 결국 스택 생산성 저하 및 원가 상승의 요인이 되는 문제점이 있다.

그리고, 본원 출원인은 지시약을 이용하여 전해질막에 핀홀이 형성된 위치를 확인할 수 있는 기술을 특허 출원한 바 있다[특허출원 제2008-32963호].

상기 특허에서는 전해질막을 장치에 고정한 뒤 지시약을 투입하여 전해질막의 핀홀이 발생한 부위가 변색되도록 함으로써 핀홀 발생 위치를 알 수 있도록 하는데, 이러한 핀홀 위치 확인 방법은 막전극접합체의 제조시에 전해질막의 전수 검사에 유용하게 활용될 수 있다.

또한 연료전지 성능 실험 또는 주행 시험 후 열화에 의한 핀홀 발생을 측정하여 전해질막의 내구 평가 및 분석에 유용하게 활용할 수 있으며, 연료전지 스택의 사후 분석 활용시 열화 원인을 분석하는데 유용하다.

그러나, 막전극접합체의 제조시 전해질막의 전수 검사에 활용할 경우 핀 홀 외에 검사시 발생할 수 있는 막 손상의 여부를 확인하는데 어려움이 있다.

이와 함께 스택 제작 과정에서 전수 검사 단계가 포함되므로 스택 제작 시간 및 비용이 증대하는 문제점이 있으며, 스택 운전시 핀홀의 생성 가능성이나 핀홀, 크랙 등이 발생할 수 있는 취약 부위를 미리 확인할 수 없다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 활성화 단계를 거친 스택에 대해 운전 시작 단계 이전에 시스템의 간단한 조작을 통해서 품질이 낮은 전해질막을 선별할 수 있도록 함으로써, 별도 장치를 이용하여 전수 검사를 실시해야 하는 기존 방법 대비 스택 제작의 시간 단축, 원가 절감은 물론 생산성을 증가시킬 수 있고, 품질이 낮은 전해질막의 사전 선별을 통해 운전시 스택의 내구성 증대 및 수리 가능성을 크게 감소시킬 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 단수 또는 복수 셀의 연료전지 스택을 조립하고, 조립된 연료전지 스택을 활성화하는 단계와; 활성화된 연료전지 스택에 반응가스를 공급하고 연료전지 스택을 전류가 출력되는 부하 상태로 유지하는 단계와; 연료전지 스택의 부하 상태에서 스택의 공기측 입, 출구를 차단하여 공기측의 산소를 소모하는 단계와; 연료전지 스택의 공기측에서 산소 소모 후 수소 생성으로 압력이 정해진 압력으로 상승하면 전류 출력을 차단하여 연료전지 스택을 무부하 상태로 유지하는 단계와; 이후 연료전지 스택의 공기측 압력을 모니터링하여 급격한 압력 강하가 발생하는지를 확인하는 단계와; 공기측 압력의 급격한 압력 강하가 확인되면 연료전지 스택의 셀에서 전해질막의 파손이 발생한 것으로 판단하 는 단계;를 포함하는 연료전지의 전해질막 검사 방법을 제공한다.

여기서, 연료전지 스택의 수소 공급 상태 및 전류 차단 상태를 유지하면서 스택의 공기측 입, 출구를 개방하여 공기를 공급하는 단계와; 공기가 공급되는 상태에서 연료전지 스택의 무부하 셀 전압(OCV)을 모니터링하여 기준치 이하의 낮은 셀 전압을 나타내는 전해질막을 판별하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명은, 연료전지 스택에 반응가스인 수소를 공급하는 수소공급장치와; 연료전지 스택에 반응가스인 공기를 공급하는 공기공급장치와; 연료전지 스택의 공기측의 입, 출구를 선택적으로 차단시켜 주기 위한 차단밸브와; 연료전지 스택의 전류 상태를 제어하기 위한 부하장치와; 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 냉각장치와; 연료전지 스택의 셀 전압을 모니터링하기 위한 전압검출부와; 연료전지 스택의 공기측 압력을 모니터링하기 위한 압력검출부;를 포함하여 구성되고, 상기 부하장치는, 연료전지 스택의 전류 출력단에 연결된 전자부하와; 연료전지 스택에서 전자부하로의 전류를 선택적으로 차단하기 위한 개폐스위치;를 포함하여 구성될 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지의 전해질막 검사 장치 및 방법에 의하면, 활성화 단계를 거친 스택에 대해 운전 시작 단계 이전에 장치의 간단한 조작을 통해서 품질이 낮은 전해질막을 선별할 수 있으므로, 별도 장치를 이용하여 전수 검사를 실시해야 하는 기존 방법 대비 스택 제작의 시간 단축, 원가 절감은 물론 생산성을 증가시킬 수 있고, 품질이 낮은 전해질막의 사전 선별을 통해 운전시 스택의 내구성 증대 및 수리 가능성을 크게 감소시킬 수 있게 된다.

특히, 가습, 건조 등의 복잡한 전처리 공정을 통해 핀 홀 생성의 가능성을 줄이는 것이 아닌, 스택 조립 상태에서 전해질막의 취약 부위 또는 핀홀 생성 부위의 파손을 유도하여 스택 운전 도중 열화가 발생할 수 있는 전해질막을 사전에 선별하고자 하는 것으로서, 전처리 공정에 따른 문제점, 즉 고가의 설비 소요, 스택 제작의 비용 및 시간 증가, 생산성 저하의 문제점이 발생하지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 연료전지의 전해질막 검사 장치 및 방법에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 구성품 중 수소 이온 전달체인 전해질막의 초기 품질을 검사하여 스택의 생산성 및 내구성을 향상시키고자 한 것으로, 스택 조립 후 활성화 및 운전 시작 단계에서 운전 중 핀홀이나 크랙, 열화가 발생할 수 있는 낮은 품질의 전해질막을 사전에 선별할 수 있도록 한 것에 주안점이 있는 것이다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 전해질막 검사 과정을 나타낸 순서도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전해질막 검사 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 검사 과정 중 셀 전압, 공기측(캐소드) 압력, 전류 변화를 나타낸 도면이다.

또한 첨부한 도 4는 본 발명에 따른 전해질막 검사 장치를 도시한 개략 구성 도이다.

본 발명에 따른 전해질막 검사 장치는 연료전지 스택을 운전하기 위한 기본 구성요소들을 조합하여 구성할 수 있으며, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템의 구성요소들을 그대로 이용하여 구성할 수 있다.

예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택(1)에 산화제인 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택(1)의 공기측(캐소드)의 입, 출구를 선택적으로 차단시켜 주기 위한 차단밸브(23,25), 연료전지 스택(1)의 전류 상태를 제어하기 위한 부하장치, 연료전지 스택(1)을 냉각시키기 위한 냉각장치(도시하지 않음), 연료전지 스택(1)의 셀 전압을 모니터링하기 위한 전압검출부(42), 그리고 연료전지 스택(1)의 공기측(캐소드) 압력을 모니터링하기 위한 압력검출부(41)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 수소공급장치는 통상의 연료전지 시스템과 마찬가지로 수소저장부(예, 수소탱크)(10)와 밸브(13), 압력 레귤레이터(도시하지 않음) 등을 포함하여 구성될 수 있고, 공기공급장치는 공기블로워(20), 가습기(21) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 차단밸브(23,25)는 연료전지 스택(1)의 입, 출구단에 연결된 공기공급라인(22)과 공기배출라인(24)에 설치될 수 있다.

또한 상기 부하장치는 연료전지 스택(1)의 전류 출력 상태를 제어하기 위한 구성부로서, 연료전지 스택(1)의 전류 출력단에 연결된 전자부하(electric load)(30)와, 연료전지 스택(1)에서 전자부하(30)로의 전류를 선택적으로 차단하기 위한 개폐스위치(31)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 전자부하(30)는 연료전지 스택(1)으로부터의 전류 출력이 이루어질 수 있도록 하는 부하 역할(전류 소모)을 해야 하므로 저항체를 사용하여 구성할 수 있으며, 기존 차량용 연료전지 시스템에서 스택의 부하 소모를 위한 COD(Cathod Oxygen Depletion)를 사용할 수 있다.

후술하는 바와 같이, 연료전지 스택(1)의 공기측 입, 출구를 상기 차단밸브(23,25)를 이용해 완전히 차단한 상태에서, 상기 전자부하(30)를 이용해 연료전지 스택(1)으로부터 전류가 출력되도록 하면, 공기측(캐소드)의 산소를 소모시킬 수 있다.

상기 개폐스위치(31)는 스택(1)을 부하 상태와 무부하 상태로 제어하기 위한 수단으로서, 열림 상태(Off)에서 스택의 전류를 차단하여 스택을 무부하 상태로 유지시키며, 닫힘 상태(On)에서 스택을 전류 출력이 이루어지는 부하 상태로 유지시키게 된다.

상기 냉각장치는 스택(1) 내부의 냉각수 유로를 통해 냉각수를 순환시켜 스택을 냉각시키는 구성부로서, 냉각수 순환을 위한 냉각수 펌프, 스택을 순환한 냉각수를 냉각시키기 위한 열교환부 등을 포함하여 구성될 수 있다.

냉각장치에 대해서는 도 4에 도시하지 않았으나, 스택 활성화 운전을 위한 시스템 등에서 스택 운전을 위해 사용되는 냉각장치가 그대로 이용될 수 있다.

상기 전압검출부(42)는 연료전지 스택(1)의 셀 전압을 모니터링하기 위한 것으로, 복수의 단위 셀을 적층시킨 복수 셀 스택인 경우에 각 셀마다 하나씩 설치하 거나 복수 셀(예, 3 ~ 4개의 셀)마다 하나씩 구비하는 것도 가능하다.

상기 압력검출부(41)는 연료전지 스택(1)의 공기측(캐소드) 압력을 모니터링하기 위한 것으로, 공기공급라인(22) 또는 공기배출라인(24) 상에 구비될 수 있다.

이하, 상기의 검사 장치를 이용하여 전해질막 검사를 수행하는 과정을 도 2와 도 3을 참조하여 단계별로 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 스택의 활성화 및 운전 시작 단계 사이에서 품질이 낮은 전해질막을 선별하고자 하는 것으로서, 가습, 건조 등의 복잡한 전처리 공정을 통해 핀 홀 생성의 가능성을 줄이는 것이 아닌, 스택 조립 상태에서 전해질막의 취약 부위 또는 핀홀 생성 부위의 파손을 유도하여 스택 운전 도중 열화가 발생할 수 있는 전해질막을 사전에 선별하고자 하는 것이다.

이러한 본 발명에 따르면, 활성화 단계를 거친 스택에 대해 운전 시작 단계 이전에 장치(기존 연료전지 시스템 또는 도 4와 같이 연료전지 시스템을 모사한 검사 장치)의 간단한 조작을 통해서 품질이 낮은 전해질막을 선별할 수 있으므로, 별도 장치를 이용하여 전수 검사를 실시해야 하는 기존 방법 대비 스택 제작의 생산성을 크게 증가시킬 수 있고, 품질이 낮은 전해질막의 사전 선별을 통해 운전시 스택의 내구성 증대 및 수리 가능성을 크게 감소시킬 수 있게 된다.

제1단계로서, 단수 셀 또는 복수 셀을 사용하여 연료전지 스택(단셀 또는 복수 셀 스택)을 조립한 뒤, 조립된 스택을 활성화하는 단계를 실시한다.

연료전지 스택의 활성화(activation)는 조립 후 성능을 최대한 확보하기 위한 것으로, 고분자 전해질막 연료전지는 운전시 정상적인 성능을 발현하기 위해서 스택 조립 후 초기 활성화 운전이 필요하다.

이러한 활성화 운전을 통해 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화시키고, 전해질막 및 전극 내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 전해질 사이의 수소 이온 통로를 확보하며, 반응가스가 반응할 수 있는 촉매까지의 이동 통로, 촉매층 내의 전기적 연속성을 확보함으로써, 연료전지는 최적의 성능을 나타낼 수 있다.

연료전지 스택의 활성화 방법으로는 공지된 여러 방법 중 하나를 선택하여 진행할 수 있는데, 본원 출원인에 의해서도 다수의 특허가 출원되었는 바, 아래의 특허 중 어느 하나가 이용될 수 있다.

예컨대, 본원 출원인은 특허공개 제2008-3619호, 특허출원 제2008-32468호, 특허출원 제2008-44894호, 특허출원 제2008-44898호, 특허출원 제2008-55009호, 특허출원 제2008-117428호, 특허등록 제821768호 등을 출원한 바 있으며, 이 중 어느 한 방법을 이용해 연료전지 스택을 활성화시킨다.

제2단계로서, 활성화 단계를 거친 연료전지 스택(1)을 반응가스를 공급하면서 작동시켜 낮은 전류 상태로 유지시킨다(S10).

이 단계에서 연료전지 스택을 부하 상태로 유지시키는데, 검사 대상의 연료전지 스택(1)을 도 4의 검사 장치에 연결한 뒤, 수소공급장치와 공기공급장치를 통해 반응가스인 수소와 공기(산소)를 스택에 공급하는 동시에, 개폐스위치(31)를 닫아 스택(1)에 전자부하(30)를 연결함으로써, 스택(1)으로부터 생성되는 전류가 전자부하(30)로 출력되어 소모되도록 한다.

이때 스택의 셀 전압과 전류 상태, 공기측(캐소드) 압력의 상태는 도 3에서 ①의 상태이다.

상기와 같이 반응가스를 공급하면서 연료전지 스택으로부터 전류를 뽑아주는 상태, 즉 연료전지 스택으로부터 전류를 출력시키는 상태에서, 제3단계로서, 연료전지 스택(1)의 공기측을 완전히 차단한다(S20).

이 단계에서는 스택(1)의 수소 공급 및 전류 상태를 유지하면서 스택의 공기측(캐소드) 입, 출구단의 차단밸브(23,25)를 완전히 닫아주어 공기는 차단하는 바, 이 과정에서 공기측의 산소를 모두 소모하고 나면 하이드로젠 펌프(hydrogen pump)에 의해 공기측에 수소가 발생하게 되고, 이후 공기측에는 수소 발생으로 인해 압력이 점차 상승하게 된다.

도 3에서 ②는 공기를 차단하는 시점을 나타내는 것으로, 이 시점부터는 공기측의 산소가 점차 소모되고, 공기측의 산소가 소모됨에 따라 셀 전압은 점차 낮아지게 된다. 또한 산소가 완전히 소모되고 나면, 전압은 생성되지 않고(0 V) 전술한 바와 같이 공기측(캐소드)의 압력이 수소 발생으로 인해 점차 상승하게 된다.

상기와 같이 공기측의 압력이 점차 상승하게 되면, 전해질막의 취약 부위 또는 핀홀 생성 부위에서는 파손이 발생하게 된다.

제4단계로서, 스택(1)의 공기측 입, 출구를 차단한 상태에서 공기측 압력이 정해진 압력(선행 테스트를 통해 설정함)에 도달한 것으로 판단되면, 연료전지 스택(1)으로부터 전자부하(30)를 단절하여 스택의 전류를 차단한 뒤 무부하 상태로 유지한다(S30).

이 단계는 스택 전류 차단 상태에서 취약 부위 또는 핀홀 생성 부위 등의 파 손을 유도하는 과정으로, 압력검출부(41)를 통해 스택 공기측의 압력을 모니터링하며(S40), 공기측 압력이 급격히 떨어지는 압력 변화가 있는지를 확인하게 된다.

여기서, 공기측 압력의 급강하가 확인되면, 전해질막에서 취약 부위 또는 핀홀 생성 부위의 파손이 발생한 것이다.

즉, 하이드로젠 펌프 및 수소 생성으로 공기측의 압력이 상승하고, 이후 공기측 상승 압력에 의해 취약 부위 또는 핀홀 생성 부위에서 전해질막 파손이 발생하는 바, 공기측 압력이 급강하하게 되는 것이다.

셀에서 전해질막 파손이 발생하게 되면, 공기측의 수소가 전해질막 파손 부위를 통해 수소측으로 크로스오버되기 때문에 공기측 압력이 급격히 감소하게 된다.

따라서, 압력검출부(41)를 통해 스택(1)의 공기측 압력을 모니터링하되, 공기측 압력이 정해진 압력에 도달한 뒤 급격히 떨어지는 압력 변화가 있는지를 확인하고, 공기측 압력의 급격한 강하가 확인되면, 전해질막의 취약 부위 또는 핀홀 생성 부위에서 파손이 발생한 것이므로, 해당 스택에 사용된 셀들의 전해질막에 대해서는 검사 중 파손이 발생한 전해질막으로 선별이 가능하다.

도 3에서 ③은 전류를 차단하는 시점을 나타낸 것이고, ④는 공기측 압력이 상승하여 정해진 압력에 도달한 뒤 파손이 발생하기 전 압력이 유지되는 상태를 나타내며, 공기측 압력이 정해진 압력에 도달한 상태에서 전류를 차단하여 스택을 무부하 상태로 만들어주고 있음을 볼 수 있다. 또한 전해질막의 파손으로 인해 공기측 압력이 급격히 떨어짐을 볼 수 있다.

이후 제5단계로서, 수소 공급 상태 및 전류 차단 상태를 유지하면서 스택(1)의 공기측(캐소드) 입, 출구단에 설치된 차단밸브(23,25)를 열어주어 공기를 공급하는 바(S50), 공기를 공급하는 상태에서 전압검출부(42)를 통해 셀 전압을 모니터링하여(S60) 품질이 낮은 전해질막 및 이를 사용하고 있는 셀을 판별한다.

여기서, 무부하 상태의 스택(1)에 대해서 전압검출부(42)를 통해 검출되는 셀 전압, 즉 OCV(Open Circuit Voltage)가 기준치(선행 테스트를 통해 설정함) 이하로 낮은 OCV(0.8 ~ 0.9 V)를 나타내는 셀에 대해서는 해당 셀의 전해질막에 문제가 있는 것이므로 교체하게 된다.

도 3에서 ⑤는 무부하 상태에서 모니터링되는 셀 전압, 즉 OCV를 나타낸다.

이와 같이 무부하 상태의 전압, 즉 OCV를 확인하여 낮은 품질의 전해질막을 판별할 수 있으며, 개별 셀에 대해 품질이 낮은 전해질막의 판별이 가능하다.

상기 전압검출부(42)를 스택의 모든 셀에 대해 각각 연결하여 설치가 가능하나, 만약 복수 셀(3 ~ 4개의 셀)마다 하나씩의 전압검출부를 연결하여 설치한 경우라면, 특정 전압검출부에 의해 검출된 전압(셀들의 직렬 전압)이 기준치 이하일 때 해당하는 복수 셀 전체를 교체해야 한다(검출된 전압으로부터 얻은 셀 평균 전압으로도 판단 가능) .

이와 같이 하여, 본 발명에서는, 핀홀 생성 가능성 감소 및 핀홀 위치 확인이 아닌, 전해질막의 파손 유도를 통해 전해질막의 품질을 확인할 수 있고, 스택 운전 중 핀홀, 크랙, 열화가 발생할 수 있는 품질이 낮은 전해질막을 사전에 선별할 수 있게 된다.

상기한 본 발명에서는 기존 기술 대비 다음의 2가지 부분에서 차이가 있다.

우선, 미세 핀홀이나 크랙 등이 발생할 수 있는 낮은 품질의 전해질막을 선별할 때 추가적인 장치 없이 연료전지 스택의 활성화 단계 후 연속 공정으로 실시 가능하다(스택 상태에서 검사).

또한 전해질막의 핀홀 생성 가능성을 줄이는 것이 아닌, 스택 조립 후 활성화 및 운전 시작 단계에서 핀홀 생성 부위나 앞으로 핀홀, 크랙 등이 발생할 수 있는 전해질막의 취약 부위의 파손을 유도하여 품질이 낮은 전해질막을 사전에 선별하는 것이다.

도 1은 전해질막의 품질을 향상시키기 위한 전처리 공정을 도시한 공정도,

도 2는 본 발명에 따른 전해질막 검사 과정을 나타낸 순서도,

도 3은 본 발명에 따른 전해질막 검사 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 검사 과정 중 셀 전압, 캐소드 압력, 전류 변화를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 전해질막 검사 장치를 도시한 개략 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 스택 23, 25 : 차단밸브

30 : 전자부하 31 : 개폐스위치

41 : 압력검출부 42 : 전압검출부

Claims (3)

1. 단수 또는 복수 셀의 연료전지 스택을 조립하고, 조립된 연료전지 스택을 활성화하는 단계와;

   활성화된 연료전지 스택에 반응가스를 공급하고 연료전지 스택을 전류가 출력되는 부하 상태로 유지하는 단계와;

   연료전지 스택의 부하 상태에서 스택의 공기측 입, 출구를 차단하여 공기측의 산소를 소모하는 단계와;

   연료전지 스택의 공기측에서 산소 소모 후 수소 생성으로 압력이 정해진 압력으로 상승하면 전류 출력을 차단하여 연료전지 스택을 무부하 상태로 유지하는 단계와;

   이후 연료전지 스택의 공기측 압력을 모니터링하여 급격한 압력 강하가 발생하는지를 확인하는 단계와;

   공기측 압력의 급격한 압력 강하가 확인되면 연료전지 스택의 셀에서 전해질막의 파손이 발생한 것으로 판단하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전해질막 검사 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   연료전지 스택의 수소 공급 상태 및 전류 차단 상태를 유지하면서 스택의 공 기측 입, 출구를 개방하여 공기를 공급하는 단계와;

   공기가 공급되는 상태에서 연료전지 스택의 무부하 셀 전압(OCV)을 모니터링하여 기준치 이하의 낮은 셀 전압을 나타내는 전해질막을 판별하는 단계;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전해질막 검사 방법.
3. 연료전지 스택(1)에 반응가스인 수소를 공급하는 수소공급장치와;

   연료전지 스택(1)에 반응가스인 공기를 공급하는 공기공급장치와;

   연료전지 스택(1)의 공기측의 입, 출구를 선택적으로 차단시켜 주기 위한 차단밸브(23,25)와;

   연료전지 스택(1)의 전류 상태를 제어하기 위한 부하장치와;

   연료전지 스택(1)을 냉각시키기 위한 냉각장치와;

   연료전지 스택(1)의 셀 전압을 모니터링하기 위한 전압검출부(42)와;

   연료전지 스택(1)의 공기측 압력을 모니터링하기 위한 압력검출부(41);

   를 포함하여 구성되고,

   상기 부하장치는,

   연료전지 스택(1)의 전류 출력단에 연결된 전자부하(30)와;

   연료전지 스택(1)에서 전자부하(30)로의 전류를 선택적으로 차단하기 위한 개폐스위치(31);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전해질막 검사 장치.

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