KR100588518B1

KR100588518B1 - 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치

Info

Publication number: KR100588518B1
Application number: KR1020040108869A
Authority: KR
Inventors: 김영민; 고재준; 신환수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-06-09

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 운전 후, 부과된 전류하에서 각 셀간의 전압을 측정할 때, 분리판과 단자의 접촉을 안정화시켜 측정치의 정확도를 향상시키고, 전압측정을 위한 단자를 단자 설치홈에 간단하게 탈부착 가능하도록 하여 단자 연결의 작업성을 향상시키는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치를 제공한다.

연료전지, 스택, 분리판, 셀 전압 측정장치

Description

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

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

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 전체 사시도,

도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면도,

도 4는 도 3의 분리 및 장착 상태를 설명하기 위한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1; 분리판 3,5; 엔드 플레이트

7; 체결봉 9; 연료전지 스택

13; 단자지지유닛 17; 단자

19; 전도성 고무 23; 단자 설치홈

25; 단자 클립

본 발명은 전기자동차 등에 사용되는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 운전 후, 부과된 전류하에서 각 셀간의 전압을 측정할 때, 분리판과 단자의 접촉을 안정화시켜 측정치의 정확도를 향상시키고, 전압측정을 위한 단자를 단자 설치홈에 간단하게 탈부착 가능하도록 하여 단자연결의 작업성을 향상시키는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 연료전지는, 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 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 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 연료전지는 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 연료전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 하며, 이렇게 적층한 것을 연료전지 스택(100; Stack)이라 한다.

이러한 연료전지 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 연료전지가 효율이 좋게 된다.

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

이러한 연료전지 스택의 셀 전압을 측정하기 위한 종전의 셀 전압 측정장치는, 상기 도 1에서와 같이, 연료전지 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 전기화학반응에 의해 발생된 전류를 차단할 목적으로 설치된 저항으로 이루어진 각 단자들을 단자지지체(111)를 통하여 먼저 일체화시킨 후, 직접 수작업으로 꽂아 사용하였다.

그러나 상기와 같이, 수작업으로 각 단자 고정작업을 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 연료전지 스택(100)의 각 셀에 대한 성능을 정확하게 측정할 수 없으며 각 셀의 성능이 공급 가스의 부족이나 쇼트 등으로 인해 갑작스럽게 저하되었을 경우, 연료전지 스택(100)을 신속히 운전정지를 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 연료전지 스택의 운전 후, 부과된 전류하에서 각 셀간의 전압을 측정할 때, 분리판과 단자의 접촉을 안정화시켜 측정치의 정확도를 향상시키고, 전압측정을 위한 단자를 단자 설치홈에 간단하게 탈부착 가능하도록 하여 단자 연결의 작업성을 향상시키는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치를 제공하는 것이다.

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

내부에 다수개의 터미널 소켓을 외부 커넥터와 연결하여 구성되며, 상기 연료전지 스택의 양측 엔드 플레이트 사이에서 설치되는 단자지지유닛을 포함하며, 상기 단자지지유닛의 내부 터미널 소켓과 각각 케이블을 통하여 연결되는 다수개의 단자; 상기 각 단자가 삽입되어 설치되도록 상기 각 분리판의 상부면 일측에 하나씩 형성되는 단자 설치홈; 상기 단자 설치홈에 각각 끼워져 설치된 상태로, 상기 단자가 삽입되면 이를 고정시켜 주는 단자 클립으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한 다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 전체 사시도로써, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치는 다수개의 적층된 분리판(1)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(3,5)를 체결봉(7)으로 연결하여 구성되는 연료전지 스택(9)의 각 셀 전압을 측정하기 위한 것으로, 그 구성은 크게, 내부에 다수개의 터미널 소켓(미도시)을 외부 커넥터(11)와 연결하여 상기 연료전지 스택(9)의 양측 엔드 플레이트(3,5) 사이에서 설치되는 단자지지유닛(13)을 포함한다.

상기 단자지지유닛(13)의 내부 터미널 소켓과 각각 케이블(15)을 통하여 단자(17)가 하나씩 연결되는데, 상기 단자(17)는, 도 3과 도 4에서 도시한 바와 같이, 역 사다리꼴 형상으로 형성되며, 그 상단면 일측이 상기 케이블(15)의 일단과 납땜에 의해 연결되고, 그 하단면에는 전도성 고무(19)가 부착된다.

그리고 상기 단자(17)의 양측면에는 클립홈(21)이 형성된다.

이러한 단자(17)는 그 재질이 인청동 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전도성 고무(19)는 그 두께가 2mm이며, 20오옴(Ω)의 저항값을 갖는 것이 바람직하다.

한편, 상기 각 단자(17)가 삽입되어 설치되도록 상기 각 분리판(1)의 상부면 일측에는 단자 설치홈(23)이 하나씩 형성된다.

상기 단자 설치홈(23)은 상기 단자(17)에 대응하도록 역 사리꼴 형상의 홈으로 형성되는데, 그 내측면은 상기 단자(17)의 외측면보다 더 경사지게 형성되는 것 이 바람직하다.

그리고 상기 각 단자 설치홈(23)에는 단자 클립(25)이 하나씩 끼워져 설치된 상태로, 상기 단자(17)가 삽입되면 이를 고정시켜 주게 되는데, 상기 단자 클립(25)은 상기 단자 설치홈(23)의 바닥면에 접착되는 수평면(27)과, 상기 수평면(27)의 양측단이 상향하여 경사방향으로 연장되는 양측 경사면(29,31)으로 형성된다.

여기서, 상기 단자 클립(25)의 양측 경사면(29,31)은 상기 분리판(1) 상의 단자 설치홈(23) 내측면과의 사이에 갭(G)을 형성하여 설치되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 단자 클립(25)의 양측 경사면(29,31)에는 내측을 향하여 돌출된 클립 돌기(33)를 각각 형성하여 상기 단자(17)의 양측면에 형성되는 클립홈(21)에 끼워져 단자(17)를 지지하도록 한다.

이러한 단자 클립(25)은 그 재질이 인청동 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치는, 상기 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 단자지지유닛(13)이 다수개의 적층된 분리판(1)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(3,5)를 체결봉(7)으로 연결하여 구성되는 연료전지 스택(9)의 상기 양단 엔드 플레이트(3,5) 사이에 길이방향으로 그 중앙에 설치되고, 상기 각 단자(17)는 단자지지유닛(13)을 기준으로 연료전지 스택(9)의 각 분리판(1) 양측에 지그재그로 단자 설치홈(23)을 통하여 하나씩 끼워진다.

이 때, 상기 단자 클립(25)은 단자(17)가 끼워질 때, 도 4에서와 같이, 벌 어지면서, 단자(17)의 클립홈(21)에 클립 돌기(33)가 끼워지는 순간 다시 복원되면서 단자(17)를 단자 설치홈(23) 내에 고정하여 분리판(1)과 단자(17)의 전기적 연결 상태를 유지한다.

이러한 상태로 상기 단자지지유닛(13)의 커넥터(11)를 통하여 외부 전압 측정기(미도시)를 연결한 상태로 운전중인 연료전지 스택(9)의 각 셀(CELL)별로 전압을 측정할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 단자는 상기 분리판(1) 상의 단자 설치홈(23) 내에 단자 클립(25)을 통하여 끼워진 상태로 진동에 의해 흔들리는 것이 방지된다.

또, 상기 단자(17)의 하단면에 부착되는 전도성 고무(19)는 은이나 니켈, 카본이 첨가된 실리콘 계열의 전도성 고분자 재질로 분리판 두께보다 작은 2mm 내의 판형 형상을 가지며, 고무 재질로 진동 흡수성이 있어, 연료전지에 장착 후, 차량 운행 시에도 노면 충격을 흡수할 수 있기 때문에 전압 측정시 안전성을 확보할 수 있다.

그리고 셀 전압 측정 장치에는 전기화학반응에 의해 생성된 전류가 분리판(1)과 분리판(1) 사이에 연결된 커넥터를 통해 CAN 통신 장비에 들어가는 것을 막기 위해 종래의 셀 전압 측정 장치의 경우, 커넥터와 핀 사이에 저항을 연결하나, 본 발명의 경우에는 원형의 전도성 고무(19)가 그 두께 기준으로 약 20Ω정도의 저항을 갖기 때문에 별도의 저항을 장착하지 않고도 전압 측정 기록에 있어 안전성을 줄뿐만 아니라 경제성도 확보할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치에 의하면, 연료전지 스택의 운전 후, 부과된 전류하에서 각 셀간의 전압을 측정할 때, 분리판과 단자의 접촉을 안정화시켜 측정치의 정확도를 향상시키고, 전압측정을 위한 단자를 단자 설치홈에 대하여 간단하게 탈부착 가능하도록 하여 단자연결의 작업성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

즉, 자체 탄성을 갖는 전도성 고무를 단자의 하단면에 부착하여 분리판에 연결함으로써, 여러 차례 반복적인 부탈착시에도 분리판에 손상을 입히지 않아 반영구적 사용이 가능하며, 일정 저항을 갖는 상용의 도전성 고무을 적용함으로 인하여 별도의 저항을 설치하지 않아도 되어 제품의 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 단자의 전도성 고무가 진동 흡수성을 가짐으로 차량 탑제 시, 노면 충격에 의한 진동에 있어 전압 측정의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims

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

내부에 다수개의 터미널 소켓을 외부 커넥터와 연결하여 구성되며, 상기 연료전지 스택의 양측 엔드 플레이트 사이에서 설치되는 단자지지유닛을 포함하며,

상기 단자지지유닛의 내부 터미널 소켓과 각각 케이블을 통하여 연결되는 다수개의 단자;

상기 각 단자가 삽입되어 설치되도록 상기 각 분리판의 상부면 일측에 하나씩 형성되는 단자 설치홈;

상기 단자 설치홈에 각각 끼워져 설치된 상태로, 상기 단자가 삽입되면 이를 고정시켜 주는 단자 클립;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 단자는

역 사다리꼴 형상으로 형성되며, 그 상단면 일측에 상기 케이블의 일단이 연결되고, 그 하단면에는 전도성 고무가 부착되며, 그 양측면에는 클립홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 단자는

그 재질이 인청동 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
청구항 2에 있어서, 상기 전도성 고무는

그 두께가 2mm이며, 20오옴(Ω)의 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 단자 설치홈은

상기 단자에 대응하여 역 사리꼴 형상의 홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 단자 클립은

상기 단자 설치홈의 바닥면에 접착되는 수평면과;

상기 수평면의 양측단이 상향하여 경사방향으로 연장되는 양측 경사면으로 형성되며,

상기 양측 경사면에는 내측을 향하여 돌출된 클립 돌기를 각각 형성하여 상기 단자의 양측면을 지지하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
청구항 1 또는 6에 있어서, 상기 단자 클립은

그 재질이 인청동 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
청구항 6에 있어서, 상기 단자 클립의 양측 경사면은

상기 분리판 상의 단자 설치홈 내측면과의 사이에 갭을 형성하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.