KR100534770B1 - 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 연료 전지 스택의 운전 후, 부과된 전류하에서 각 셀간의 전압을 측정할 때, 접착식 필름 형상으로 제작하여 분리판과 단자의 접촉을 안정적으로 유지하여 측정치의 정확도를 향상시키며, 단자의 탈부착을 간단하게 하여 단자 연결의 작업성을 향상시키는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치를 제공하는 것으로;

일정 두께를 가지며, 사각형상으로 이루어지는 접착 필름; 상기 각 분리판에 하나씩 대응하도록 상기 접착 필름의 내부에 구성되는 다수개의 단자 플레이트; 상기 각 단자 플레이트의 하단면에 일체로 연결되고, 하단이 상기 각 분리판에 접촉되도록 상기 접착 필름의 하단면 외측으로 돌출되는 단자; 상기 접착 필름의 하단면에 고르게 도포된 접착제 층; 상기 접착 필름의 외부에서, 접착 필름의 내부 각 단자 플레이트와 와이어를 통하여 연결되는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치를 제공한다.

Description

연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치{A CELL VOLTAGE MONITORING DEVICE FOR A FUEL CELL STACK}

본 발명은 전기자동차 등에 사용되는 연료 전지 스택의 셀 전압 측정장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 연료 전지 스택의 운전 후, 부과된 전류하에서 각 셀간의 전압을 측정할 때, 종래 사이즈가 큰 단자 지지체를 배제하고, 접착식 필름 형상으로 제작하여 분리판과 단자의 접촉을 안정적으로 유지하여 측정치의 정확도를 향상시키며, 단자의 탈부착을 간단하게 하여 단자 연결의 작업성을 향상시키는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 연료 전지는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극과, 전기화학 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막의 접합체인 전극 전해질 접합체(101, MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 이를 지지하는 분리판(103)으로 이루어져 있다.

고분자 전해질 연료 전지는 다른 형태의 연료 전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에, 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있다.

또한, 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전 세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.

이러한 고분자 전해질 연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로, 공급된 수소가 어노드(Anode) 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 캐소드(Cathode)로 넘어가게 되며, 이 때, 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키며, 이 때, 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다. →

Anode : H₂ → 2H⁺+2e^- ,

Cathode : (1/2)O₂ +2H⁺+2e^-→H₂O

실제로 전기자동차용 연료 전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위 전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 하며, 이렇게 적층한 것을 연료 전지 스택(100; Stack)이라 한다.

이러한 연료 전지 스택(100)은 다수개의 적층된 분리판(103)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(113,115)를 체결봉(117)으로 연결하여 구성되며, 분리판(103)과 분리판(103) 사이에는 전극 전해질 접합체(101;MEA)가 위치하여 화학반응이 일어나고, 가스교환을 효율적으로 하기 위한 가스 확산층(GDL)이 위치하며, 한쪽 분리판(103)의 가스통로를 통과한 수소는 가스 확산층을 통하여 전극 전해질 접합체(101)에 도달하고 마주보는 쪽에서는 산소가 위치한다.

상호 화학반응에 의하여 발생한 전류는 도체의 분리판(103)을 통하여 흐르게 되며, 분리판(103)의 맨 끝에서 전극을 통하여 뽑아낸다. 또한, 발생한 물은 외부로 방출시키거나 화학반응을 일으키는데 일부 사용되기도 하는데, 이 때, 가능한 많은 양의 전류가 흐르는 연료 전지가 효율이 좋게 된다.

이러한 연료 전지 스택(100)의 평가는 연료 전지 스택에서 발생되는 전류와 전압 측정으로 이루어지는데 특히, 각 셀(CELL)의 전압 측정은 스택 운전 시, 각 셀의 성능 및 특성을 나타내 주는 중요한 자료가 된다. 따라서 연료 전지 스택이 최적의 상태로 안정적으로 운전되고 갑작스런 성능 감소에 따른 운전 정지를 위해선 각 셀의 전압을 정확하여 모니터링 해야 하며, 그에 따라 셀 전압 측정장치의 정확성이 요구된다.

이러한 연료 전지 스택의 셀 전압을 측정하기 위한 종전의 셀 전압 측정장치는, 상기 도 1에서와 같이, 연료 전지 스택(100)의 분리판(103) 측면에 0.4mm의 두께의 홈을 내어 이 홈에 전극 핀(105)을 고정하고, 상기 전극 핀(105)을 지지해주고 커넥터(107)까지 연결하는 전선(109) 및 전기화학 반응에 의해 발생된 전류를 차단할 목적으로 설치된 저항으로 이루어진 각 단자들을 단자 지지체(111)를 통하여 먼저 일체화시킨 후, 직접 수작업으로 꽂아 사용하였다.

그러나 상기와 같이, 수작업으로 각 단자 고정 작업을 해야하기 때문에 작업성이 매우 나쁘고 수 차례 반복 실험에 의한 탈부착 할 경우, 분리판(103) 측면의 홈이 전극 핀(105)에 의해 마모되어 홈의 사이즈가 커지는 현상을 초래하기 때문에, 전극 핀(105)과 분리판(103) 사이의 접촉력이 약해져 정확한 셀 전압을 측정하지 못하는 경우가 발생한다.

또한, 차량에 탑재한 경우, 노면에 따른 차량의 진동으로 인해 전극 핀(105)과 분리판(103) 사이의 접촉이 원활치 못해 전압이 상하로 요동치는 현상을 초래하였다. 이러한 문제들로 인해 연료 전지 스택(100)의 각 셀에 대한 성능을 정확하게 측정할 수 없으며 각 셀의 성능이 공급 가스의 부족이나 쇼트 등으로 인해 갑작스럽게 저하되었을 경우, 연료 전지 스택(100)을 신속히 운전 정지를 할 수 없어 연료 전지 스택의 열화를 일으키게 하는 등의 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 스택의 운전 후, 부과된 전류하에서 각 셀간의 전압을 측정할 때, 종래 사이즈가 큰 단자 지지체를 배제하고, 접착식 필름 형상으로 제작하여 분리판과 단자의 접촉을 안정적으로 유지하여 측정치의 정확도를 향상시키며, 단자의 탈부착을 간단하게 하여 단자 연결의 작업성을 향상시키는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치는 다수개의 적층된 분리판의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트를 체결봉으로 연결하여 구성되는 연료 전지 스택의 각 셀 전압을 측정하기 위한 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치에서,

일정 두께를 가지며, 사각형상으로 이루어지는 접착 필름; 상기 각 분리판에 하나씩 대응하도록 상기 접착 필름의 내부에 구성되는 다수개의 단자 플레이트; 상기 각 단자 플레이트의 하단면에 일체로 연결되고, 하단이 상기 각 분리판에 접촉되도록 상기 접착 필름의 하단면 외측으로 돌출되는 단자; 상기 접착 필름의 하단면에 고르게 도포된 접착제 층; 상기 접착 필름의 외부에서, 접착 필름의 내부 각 단자 플레이트와 와이어를 통하여 연결되는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치의 저면 사시도, 도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 측정장치가 장착된 연료 전지 스택의 사시도로써, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치(1)는 다수개의 적층된 분리판(3)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(5,7)를 체결봉(9)으로 연결하여 구성되는 연료 전지 스택(10)의 각 셀 전압을 측정하기 위한 것으로, 그 구성은 일정 두께를 가지며, 사각형상으로 이루어지는 접착 필름(11)이 구비된다.

상기 접착 필름(11)은 그 두께가 1mm 이내인 고 내열성 폴리이미드 필름(Polyimide film)으로 이루어진다.

상기 접착 필름(11)의 내부에는 상기 연료 전지 스택(10)의 각 분리판(3)에 하나씩 대응하도록 다수개의 단자 플레이트(13)가 구성되고, 상기 각 단자 플레이트(13)의 하단면에는 단자(15)가 일체로 연결된다.

상기 단자(15)는 그 하단이 상기 각 분리판(3)에 접촉되도록 상기 접착 필름(11)의 하단면 외측으로 돌출된다.

여기서, 상기 단자 플레이트(13)는 그 재질이 금속으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 단자(15)는 그 재질이 자체 탄성을 갖는 전도성 고무로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전도성 고무는 과전류를 방지하기 위하여 10오옴(Ω) ~ 30오옴(Ω) 범위 내의 전기저항을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 셀 전압 측정장치를 통한 한 셀의 최대 측정 전압은 1볼트(V)를 넘지 않으며, 쇼트 등으로부터 셀의 안정성을 보장할 수 있는 최대 전류값은 0.1 암페어(A) 이내임을 고려할 때, 상기 전기저항의 하한치를 10오옴(Ω)로 하는 것이 바람직하며, 상기 전기저항의 상한치를 30오옴(Ω)으로 둔 것은 측정전압을 안정적인 검출하기 위함이다.

그리고 상기 접착 필름(11)의 하단면에는 전면에 걸쳐 접착제가 고르게 도포된 접착제 층(17)을 형성하며, 상기 접착 필름(11)의 내부 각 단자 플레이트(13)는 내부 와이어(19)를 통하여 접착 필름(11)의 외부에 구성되는 커넥터(21)와 연결되어 이루어진다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치는, 상기 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 다수개의 적층된 분리판(3)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(5,7)를 체결봉(9)으로 연결하여 구성되는 연료 전지 스택(10)의 상기 분리판(3) 상에 상기 접착 필름(11)을 그 하단면의 접착제 층(17)를 통하여 연료 전지 스택(10)의 길이방향으로 접착시킨다.

이 때, 상기 각 단자(15)는 연료 전지 스택(10)의 각 분리판(3) 상단에 접촉된 유지하여 그 내부의 단자 플레이트(13)와 와이어(19)를 통하여 외부의 커넥터(21)와 전기적으로 연결된 상태를 유지한다.

이러한 상태로 상기 커넥터(21)를 통하여 외부 전압 측정기(미도시)를 연결한 상태로 운전중인 연료 전지 스택(10)의 각 셀(CELL)별로 전압을 측정할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 단자(15)를 연결하기 위한 접착 필름(11)은 상기 분리판(3) 상에 접착제 층(17)를 통하여 직접적으로 부착됨으로 외부의 진동이나 충격에 의해 흔들리는 것이 방지되며, 필름의 형상으로 구성되어 그 구조가 간단하고 부피를 최소화할 수 있다.

또, 상기 단자(15)의 재질인 전도성 고무는 은이나 니켈, 카본이 첨가된 실리콘 계열의 전도성 고분자 재질로 분리판 두께보다 작은 지름 2mm 내의 원형 형상을 가지며, 고무 재질로 진동 흡수성이 있어, 연료 전지에 장착 후, 차량 운행 시에도 노면 충격을 흡수할 수 있기 때문에 전압 측정시 안전성을 확보할 수 있다.

그리고 셀 전압 측정장치(1)에는 전기화학 반응에 의해 생성된 전류가 분리판(3)과 분리판(3) 사이에 연결된 커넥터(21)를 통해 CAN 통신 장비에 들어가는 것을 막기 위해 종래의 셀 전압 측정장치의 경우, 커넥터와 단자 핀 사이에 저항을 연결하나, 본 발명의 경우에는 원형의 전도성 고분자가 두께 기준으로 자체 약 20Ω정도의 저항을 갖기 때문에 별도의 저항을 장착하지 않고도 전압 측정 기록에 있어 안전성을 줄뿐만 아니라 경제성도 확보할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치에 의하면, 연료 전지 스택의 운전 후, 부과된 전류하에서 각 셀간의 전압을 측정할 때, 분리판과 단자의 접촉을 안정화시켜 측정치의 정확도를 향상시키고, 전압 측정을 위한 단자가 접착 필름을 통하여 간단하게 탈부착 가능하도록 하여 단자 연결의 작업성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

즉, 종래의 단자 지지체를 배제하고, 자체 탄성을 갖는 전도성 고무를 재질로 한 단자를 접착 필름을 통하여 분리판에 연결함으로써, 여러 차례 반복적인 부탈착시에도 분리판에 손상을 입히지 않아 반영구적 사용이 가능하며, 그 부피를 최소화하는 효과가 있다.

또한, 단자를 내장한 접착 필름을 간단하게 사용할 수 있어 작업의 편리성 및 작업 시간을 단축할 수 있으며, 일정 저항을 갖는 상용의 도전성 고무재의 단자를 사용하기 때문에 별도의 저항을 설치하지 않아도 되어 제품의 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또, 상기 단자가 진동 흡수성을 가짐으로 차량 탑제시, 노면 충격에 의한 진동에 있어 전압 측정의 안정성을 확보할 수 있는 등의 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 셀 전압 측정장치가 장착된 연료 전지 스택의 사시도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치의 저면 사시도,

도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면도, 및

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 측정장치가 장착된 연료 전지 스택의 사시도이다.

Claims (5)

1. 다수개의 적층된 분리판의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트를 체결봉으로 연결하여 구성되는 연료 전지 스택의 각 셀 전압을 측정하기 위한 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치에 있어서,

   일정 두께를 가지며, 사각형상으로 이루어지는 접착 필름;

   상기 각 분리판에 하나씩 대응하도록 상기 접착 필름의 내부에 구성되는 다수개의 단자 플레이트;

   상기 각 단자 플레이트의 하단면에 일체로 연결되고, 하단이 상기 각 분리판에 접촉되도록 상기 접착 필름의 하단면 외측으로 돌출되는 단자;

   상기 접착 필름의 하단면에 고르게 도포된 접착제 층;

   상기 접착 필름의 외부에서, 접착 필름의 내부 각 단자 플레이트와 와이어를 통하여 연결되는 커넥터;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 접착 필름은

   그 두께가 1mm 이내인 고 내열성 폴리이미드 필름(Polyimide film)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 단자 플레이트는

   그 재질이 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 단자는

   그 재질이 자체 탄성을 갖는 전도성 고무로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 전도성 고무는

   과전류를 방지하기 위하여 10오옴(Ω) ~ 30오옴(Ω) 범위 내의 전기저항을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 셀 전압 측정장치.