Home / Featured / 연료전지 누설, 어떻게 측정해야 할까? – 마르포스의 배터리 리크 측정 기술 및 솔루션
서포터즈 신청하기

연료전지 누설, 어떻게 측정해야 할까? – 마르포스의 배터리 리크 측정 기술 및 솔루션

최근 전기자동차 보급이 급격하게 늘어나면서 함께 증가하고 있는 전기차 배터리 관련 화재가 심각한 이슈로 떠오르고 있다. 전기 자동차의 2차 전지 배터리 셀 안에 누설이 발생하면 전해액이 공기 중으로 나오게 되고 수분과 접촉 시 불화수소산(Hydrofluoric Acid)이 형성되는데, 인체에 노출될 경우 심각한 상해를 유발할 수 있다. 또한, 습기가 배터리 셀 안으로 들어올 경우 역시 불화수소산이 생성되어 배터리가 파괴될 수도 있는데, 이 과정에서 1,000℃가 넘는 고온의 화재를 유발할 수도 있다. 이 때문에 배터리 부분품 및 최종 팩 어셈블리까지 모든 부분에 대한 누설 테스트의 중요성이 재조명되고 있는 것이다.

전기차 부품 중에서도 배터리는 차량 무게와 연속 주행 가능 거리, 부품 비용에 크게 영향을 미치는 부품이며 전기 자동차의 혁신을 견인하는 가장 중요한 핵심 부품 중의 하나이다. 이 배터리와 관련된 셀 조립공정, 배터리 모듈 조립 공정과 배터리 팩 어셈블리, 그리고 여기에 조립되는 배터리  트레이 및 커버 그리고 냉각 플레이트 등 다양한 제품과 공정이 생산라인 안에 존재한다. 이 공정을 거친 제품들은 용접 가공되었거나 프레스 가공된 것으로 오링이나 개스킷과같은 다양한 기술로 밀봉이 이루어지고 있다. 

이 때문에 배터리 제조 공정 중에 위치해 누설을 감지하는 리크테스트 공정들은 매우 중요한 품질관리 공정이 되었고, 품질 관리되는 제품의 특성을 파악하고 검토하여 최적의 리크 솔루션을 채용할 필요가 커지고 있다.
연료전지

리크 테스트 분야의 리더 마르포스
지난 5월 18일 측정 분야 글로벌 기업인 마르포스가 MFG TV에서 개최한 웨비나에서는 리크 테스트의 기본 원리와 방법에 관해 설명하고, 배터리 각 부품의 제조 공정별로 필요한 최적의 리크 검사 및 최신 기술을 실제 장비 구성의 사례와 함께 설명했다. 특히 이번 웨비나에서는 연료전지 리크 솔루션이 최초로 소개되어 주목을 받았다.

연료전지 리크 검사에 사용하는 방식
연료전지의 경우 각 구성품 별로 고객이 규정한 품질 관리 규격에 맞추어 공압식과 헬륨식 시험 방법을 제안할 수 있는데, 시험품이 견딜 수 있는 시험 압력, 무부하 체적(Free volume), 관리되는 리크량 규격인 불합격 한계치(Reject limits), 공정 사이클 타임 등이 고려되어 반영된다.

연료전지 구성품에 공압 시험 방식(에어 방식)이 적용될 경우는 시험 압력이 2~3bar로 헬륨 방식에 비해 높고, 리크 검사 규격도 1~0.1, 또는 5 sccm 이하로 타이트하지 않다. 수소 연료전지의 특성상, 각각의 수소, 에어, 냉각수가 흐르는 유로의 누설을 개별 테스트한 후, 각 3개의 유로 간 상호 누설도 테스트한다.  

다양한 연료전지 부품의 리크 테스트
PEM 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cells)의  리크 테스트는 구성 부품별 요구조건에 따라 여러가지의 리크 테스트가 수행될 수 있다. 

우선 흑연 재질 또는 금속 재질을 프레스 가공한 단일 플로우 플레이트(Flow Plate)의 경우 부품 표면에 존재할 수 있는 크랙이나 핀홀과 같은 불량 요인을 찾아야 한다. 이렇게 1개의 단일 회로(Single Circuit)를 대상으로 테스트 할 경우 가압된 볼륨을 생성하려면 전용 씰링 리드를 이용하여 활성 영역을 씰링하기만 하면 된다. 한쪽 면에 공압이나 헬륨 가스가 채워지고, 반대 면 1개의 단일 회로로 리크를 감지한다. 이때 측정 압력에 의해 측정 부품이 손상되지 않으면서 완벽한 씰링을 만족시키는 전용 픽스쳐를 설계 및 제작하는 것이 중요하다.

MEA(Membrane Electrode Assembly)의 경우 멤브레인 막에 생성된 홀이나 조립된 부분의 씰링 불량을 감지해야 한다.

플로우 플레이트 및 MEA 검사 시에는 1개의 단일 회로(Single Circuit)용 테스트한다. 가압된 볼륨을 생성하려면 전용 씰링 리드를 이용하여 활성 영역을 씰링하기만 하면 된다.
플로우 플레이트 및 MEA 검사 시에는 1개의 단일 회로(Single Circuit)용 테스트한다. 가압된 볼륨을 생성하려면 전용 씰링 리드를 이용하여 활성 영역을 씰링하기만 하면 된다.

바이폴라 플레이트(Bi-Polar Plate (BPP))의 경우 2개의 플레이트가 결합된 조합에서 생성된 3개의 유로에 대한 씰링 또는 웰딩 불량을 감지해야한다. 여기서, 3개의 유로는 수소가 흐르는 유로, 그리고 공기가 흐르는 유로, 그리고 냉각수 가 흐르는 3개의 유로로 구분된다. 이렇게 3개의 개별 회로를 별도 분리하고 테스트해야 하므로 씰링 리드는 더욱 복잡하고 효과적인 배열로 설계되어야 한다. 

씰링은 외부 대기와 각 개별 회로에 대해 리크를 확인할 수 있으며, 각 회로와 다른 회로 사이에 상호 리크가 있는지 확인할 수 있다. 이 역시 수소, 에어, 물의 각각 개별 유로 뿐만 아니라, 외부 대기와의 씰링과 상호 유로 간의 씰링도 확인될 수 있는 전용 지그의 설계 노하우가 매우 중요하다.

바이폴라 플레이트(BPP) 리크 테스트의 경우 3개의 개별 회로를 별도로 분리하고 테스트하기 때문에 씰링 리드는 더욱 복잡하고 효과적인 배열로 설계되어야 한다.
바이폴라 플레이트(BPP) 리크 테스트의 경우 3개의 개별 회로를 별도로 분리하고 테스트하기 때문에 씰링 리드는 더욱 복잡하고 효과적인 배열로 설계되어야 한다.

캡처

마지막으로, 퓨얼셀 유닛에 가스켓을 끼워 겹겹이 쌓아 조립된 스텍(Stack) 완조립품에 대한 리크 테스트가 있다. 글로벌 리크 테스트를 최종적으로 수행하여 전체 씰링을 검사할 수 있으며, BPP와 MEA 사이의 가스켓의 누설도 포함하여 테스트 한다. 완성된 스택 어셈블리는 이미 3개의 회로에 연결되어있기 때문에 특별한 씰링 리드(Lid)가 필요하지 않고 커넥터 만 필요하다.

스택 어셈블리(Stack assembly) 및 서브 스택(sub-stack)의 리크 테스트를 위해 글로벌 리크 테스트를 최종적으로 수행하여 전체 씰링을 검사할 수 있으며, BPP와 MEA 사이의 가스켓 리크도 포함하여 테스트 한다.
스택 어셈블리(Stack assembly) 및 서브 스택(sub-stack)의 리크 테스트를 위해 글로벌 리크 테스트를 최종적으로 수행하여 전체 씰링을 검사할 수 있으며, BPP와 MEA 사이의 가스켓 리크도 포함하여 테스트 한다.

전기차 배터리 품질과 마르포스
이번 웨비나 발표를 맡은 마르포스 EV 측정 및 애플리케이션 담당 고정종 매니저는 “점차 증가하는 고품질 배터리에 대한 요구사항을 충족하기 위해서는 제품의 특성 및 생산 공정에 따라 측정 및 검사 기술을 체계적으로 적용해야 한다. 이를 통해 배터리 생산 효율성 향상 및 불량 감소와 함께 안전과 성능에 대한 요구도 충족할 수 있다. 마르포스는 배터리의 생산 공정의 모든 단계에서 리크 테스트 및 리크 감지를 위한 토탈 솔루션을 제공한다.”라고 말했다.

지난 5월 18일 MFGTV에서 열린 마르포스의 배터리 리크 테스트 솔루션 웨비나를 https://chontv.com/mfg/455 또는 QR 코드 링크를 통해 다시 볼 수 있다.
지난 5월 18일 MFGTV에서 열린 마르포스의 배터리 리크 테스트 솔루션 웨비나를 https://chontv.com/mfg/455 또는 QR 코드 링크를 통해 다시 볼 수 있다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.

답글 남기기

이메일은 공개되지 않습니다. 필수 입력창은 * 로 표시되어 있습니다.