KR100793566B1 - A thermocouple for fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

A thermocouple for a fuel cell stack is provided to ensure an electrically insulating property and heat resistance, thereby preventing an electric current from being applied between respective constituents of a fuel cell stack or separators. A thermocouple for a fuel cell stack includes: a sheath(10) which is a temperature measuring part; an insulating tube(20) which is injected with one side of the sheath; and a first protective tube(30) which is inserted with one side of the insulating tube. The insulating tube and the first protective tube are filled with a ceramic bond-series material. The thermocouple further comprises a sleeve(40) extended from the sheath, and a second protective tube(50) to be inserted with the sleeve.

Description

연료전지 스택 온도측정용 열전대{A THERMOCOUPLE FOR FUEL CELL STACK}Thermocouple for Fuel Cell Stack Temperature Measurement {A THERMOCOUPLE FOR FUEL CELL STACK}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대의 구성도,1 is a configuration diagram of a thermocouple for measuring a fuel cell stack temperature according to an exemplary embodiment of the present invention;

도 2는 도 1의 시스, 절연관 및 보호관의 연결상태를 나타낸 일부단면도이다.2 is a partial cross-sectional view showing a connection state of the sheath, the insulated tube and the protective tube of FIG.

<도면의 주요부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>

10 : 시스(Sheath) 20 : 절연관10: Sheath 20: Insulated tube

30 : 1차 보호관 40 : 슬리브(Sleeve)30: primary protective tube 40: sleeve

50 : 2차 보호관 60 : 연장선50: secondary protective tube 60: extension line

70 : 터미널 80 : 소선70 terminal 80: wire

90 : 세라믹 본드 계열 물질90: ceramic bond material

본 발명은 연료전지 스택의 온도측정용 열전대에 관한 것으로서, 구체적으로 연료전지 스택의 온도 측정을 위해 열전대를 사용하는 경우 연료전지 스택의 각 구성품 또는 분리판간의 통전을 방지하기 위한 전기절연성 및 내열성을 갖는 열전대에 관한 것이다.The present invention relates to a thermocouple for measuring the temperature of a fuel cell stack. Specifically, in the case of using a thermocouple for measuring the temperature of a fuel cell stack, the electrical insulation and heat resistance for preventing the energization between each component or the separator of the fuel cell stack. It relates to a thermocouple having.

연료전지(Fuel cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 발전장치이다. 일반적으로 연료전지는 애노드(Anode)와 캐소드(Cathod) 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 또는 멤브레인으로 구성된다. 이러한 연료전지는 애노드로 연료가스(통상 수소)가 주입되어 산화되고, 캐소드로 공기가 공급되어 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 혹은 맴브레인을 통하여 이온이 이동되어 외부회로를 경유하는 방식으로 작동된다.A fuel cell is a power generation device that converts chemical energy by oxidation and reduction of reactants into electrical energy. In general, a fuel cell is composed of an anode and a cathode, and an electrolyte matrix or membrane positioned between the anode and the cathode. Such a fuel cell is operated by injecting fuel gas (usually hydrogen) into an anode, oxidizing it, supplying air to the cathode, and moving ions through an electrolyte matrix or membrane positioned between the anode and the cathode and passing through an external circuit. .

연료전지 스택(Stack)은 단위전지가 여러 개 적층된 것을 말하며, 높은 용량의 전기를 생산하기 위해 대면적으로 제작된다. 이러한 스택의 경우는 열관리가 대단히 중요하다. 왜냐하면 스택의 균일한 열분포는 전지의 수명과 성능에 밀접한 영향을 미치기 때문이다. 이러한 열관리를 위해 스택을 구성하는 각 단위전지마다 열전대(Thermorcouple)를 이용하여 각 부위별 온도를 측정하여 온도구배를 확인하는 것이 일반적이다.A fuel cell stack refers to a stack of unit cells, and is manufactured in a large area to produce high capacity electricity. For these stacks, thermal management is very important. This is because the uniform heat distribution of the stack has a close effect on the life and performance of the cell. For such thermal management, it is common to check the temperature gradient by measuring the temperature of each part using a thermocouple for each unit cell constituting the stack.

열전대를 이용하여 측정된 온도구배를 바탕으로 설계시 가스유로의 형상을 결정하거나 공급 가스의 조성 및 유량을 결정하게 된다. 따라서, 단위전지당 장입되어야 하는 열전대는 많게는 10개, 적게는 1개 정도가 사용되게 되고 스택의 용량에 따라 적층되는 단위전지의 수가 증가하게 되면 한 개의 스택에 대하여 수십내지 수백개의 열전대가 사용되는 경우도 발생하게 된다.Based on the temperature gradient measured using the thermocouple, the shape of the gas flow path is determined in the design, or the composition and flow rate of the supply gas are determined. Therefore, as many as 10 thermocouples should be charged per unit cell and as many as one unit cell is stacked according to the stack capacity, tens to hundreds of thermocouples are used for one stack. It also happens.

종래에는 이러한 열관리를 위해 금속으로 구성된 열전대를 연료전지의 분리판 내부에 삽입하여 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 금속으로 구성된 열전대는 전기절연성이 좋지 않아 열전대간 또는 슬리브간의 기계적 접촉에 의해 분리판간의 전기적 통전이 발생하여 연료전지 스택의 수명을 단축시키거나 정지시키는 문제점이 있다.Conventionally, a thermocouple made of metal is inserted into a separator of a fuel cell for such thermal management. However, since the thermocouple made of metal has poor electrical insulation, electrical conduction between separators occurs due to mechanical contact between thermocouples or sleeves, thereby shortening or stopping the life of the fuel cell stack.

이를 해결하기 위해 기존에는 열전대의 시스(Sheath)부에 세라믹 애자를 끼워 기계적 접촉이 발생하더라도 전기가 흐르지 않도록 하는 방법을 이용하였으나, 이 방법은 작업자가 별도로 애자를 설치하는 작업을 추가적으로 수행해야 하기 때문에 번거롭고, 특히 열충격에 약한 애자를 사용함으로 인해 연료전지 구동중 파손되어 충분한 효과를 발휘하지 못하는 문제점이 있다.In order to solve this problem, conventionally, a ceramic insulator was inserted into the sheath of the thermocouple so that electricity did not flow even when a mechanical contact occurred, but this method requires an operator to additionally install insulators. It is cumbersome, and in particular, due to the use of insulators weak in thermal shock, there is a problem in that the fuel cell is damaged while driving and does not exhibit sufficient effects.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 열전대에 전기절연성 및 내열성을 부여함으로써, 연료전지 스택의 각 구성품 또는 분리판간의 통전을 방지하는 열전대를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a thermocouple which prevents energization between components or separators of a fuel cell stack by providing electrical insulation and heat resistance to the thermocouple.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대는, 연료전지 스택 온도 측정용 열전대에 있어서 온도 측정부인 시스; 상기 시스 의 일측부가 장입되는 절연관; 및, 상기 절연관의 일측부가 장입되는 1차 보호관;을 포함하며, 상기 절연관과 상기 1차 보호관 내부가 세라믹 본드 계열 물질로 충진되는 것을 특징으로 한다.The thermocouple for measuring the fuel cell stack temperature according to the present invention for achieving the above object is a sheath which is a temperature measuring unit in the thermocouple for measuring the fuel cell stack; An insulating tube into which one side of the sheath is inserted; And a primary protective tube into which one side of the insulating tube is inserted, wherein the insulating tube and the inside of the primary protective tube are filled with a ceramic bond-based material.

또한, 상기 시스에서 연장되는 슬리브; 및, 상기 슬리브가 장입되는 2차 보호관;을 더 포함하며, 상기 2차 보호관의 내부는 세라믹 본드 계열 물질로 충진되는 것이 바람직하다.Also, a sleeve extending from the sheath; And a secondary protective tube in which the sleeve is charged, wherein the inside of the secondary protective tube is filled with a ceramic bond-based material.

한편, 상기 세라믹 본드 계열 물질은, MgO, Al2O3, ZrO2 또는 SiO2가 함유된 MgO, Al2O3, ZrO2의 혼합 세라믹 파우더 중 어느 하나인 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the ceramic bond material is any one of MgO, Al 2 O 3 , ZrO 2 or a mixed ceramic powder of MgO, Al 2 O 3 , ZrO 2 containing SiO 2 .

또한, 상기 슬리브의 재질은 스테인레스강 또는 니켈합금 중 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the material of the sleeve is preferably any one of stainless steel or nickel alloy.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a thermocouple for measuring a fuel cell stack temperature according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대의 전체 구성도이며, 도 2는 도 1의 시스, 절연관, 1차 보호관의 연결상태를 도시한 도면이다.1 is an overall configuration diagram of a thermocouple for fuel cell stack temperature measurement according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view illustrating a connection state of the sheath, the insulation tube, and the primary protective tube of FIG. 1.

도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대는 시스(10), 절연관(20), 1차 보호관(30), 슬리브(40), 2차 보호관(50), 연장선(60) 및 터미널(70)이 순차로 배열되어 구성된다.As shown, the thermocouple for measuring the temperature of the fuel cell stack according to the preferred embodiment of the present invention includes a sheath 10, an insulation tube 20, a primary protective tube 30, a sleeve 40, a secondary protective tube 50, The extension line 60 and the terminal 70 are arranged in sequence.

온도측정부인 시스(sheath)(10)는 내부에 소선(80)이 2개 또는 3개로 구성되 고 끝단이 연결되어 정션(junction)을 이루며, 2차 보호관(50)과 연장선(60)의 연결 부위까지 연장되어 있다. 상기 소선(80)은 측정 온도범위 또는 사용목적에 따라 B, R, S, K ,E, J, T, 귀금속계 열전대에 모두 적용이 가능하다.Sheath (10) is a temperature measuring unit is composed of two or three wires (80) therein and the end is connected to form a junction (junction), the connection of the secondary protective tube 50 and the extension line (60) Extends to the site; The element wire 80 is applicable to all of the B, R, S, K, E, J, T, noble metal-based thermocouple according to the measurement temperature range or purpose of use.

절연관(20)은 상기 시스(10)를 외부에서 포섭하여 다수의 열전대가 사용될 경우 시스(10)간의 기계적 접촉이 발생하는 것을 방지하고 연료전지의 전해질이 시스(10)에 흡착되는 것을 차단한다. 특히, 상기 시스(10)는 상기 절연관(20)의 정중앙에 설치되고, 상기 절연관(20)은 세라믹 본드 계열 물질(90)로 충진되어 밀폐된다. 이렇게 되면 연료전지 스택의 온도가 높아지더라도 높은 기밀성으로 인해 시스(10)와 절연관(20) 사이의 충진재로 밀폐된 소선(80)을 보호할 수 있게 된다.The insulator tube 20 covers the sheath 10 from the outside to prevent mechanical contact between the sheaths 10 when a plurality of thermocouples are used, and blocks the electrolyte of the fuel cell from adsorbing the sheath 10. . In particular, the sheath 10 is installed in the center of the insulating tube 20, the insulating tube 20 is filled with a ceramic bond-based material 90 is sealed. In this case, even if the temperature of the fuel cell stack is increased, the sealed wire 80 may be protected by the filler between the sheath 10 and the insulation tube 20 due to the high airtightness.

또한, 상기 절연관(20)은 1차 보호관(30) 내부로 장입된다. 상기 1차 보호관(30)은 다른 금속으로 이루어진 시스(10)와 슬리브(40)간의 전기적 절연 상태를 유지시킨다. 이때 상기 1차 보호관(30)의 내부는 세라믹 본드 계열 물질(90)로 충진되어 밀폐된다. 상기 세라믹 본드 계열 물질(90)은 전기절연성 및 내열성을 갖는 물질로 다양하게 사용될 수 있으나, MgO, Al2O3, ZrO2 또는 SiO2가 함유된 MgO, Al2O3, ZrO2의 혼합 세라믹 파우더와 같은 물질이 바람직하다.In addition, the insulated tube 20 is charged into the primary protective tube 30. The primary protective tube 30 maintains an electrically insulated state between the sheath 10 made of another metal and the sleeve 40. At this time, the inside of the primary protective tube 30 is filled with a ceramic bond-based material 90 is sealed. The ceramic bond line material 90 is electrically insulating and can vary from a material to be used having a heat resistance. However, MgO, Al 2 O 3, ZrO 2 or SiO 2 containing the MgO, Al 2 O 3, a mixture of ZrO 2 ceramic Preference is given to substances such as powders.

슬리브(40)는 노출온도 및 가스분위기에 따라 다양한 재질을 사용할 수 있다. 예컨대, 용융탄산염 연료전지의 경우는 내부식성인 스테인레스강이나 니켈합금종인 INCONEL 등을 사용할 수가 있다. 다만, 슬리브(40)는 연료전지 스택 내부의 열전대 위치에 따라 형상을 조정할 필요가 있으므로 연성을 충분히 갖고 있어야 한 다. 또한 상기 슬리브(40)의 직경은 시스(10)와 1차 보호관(30)의 직경에 맞추어 다양하게 응용이 가능하다.The sleeve 40 may use various materials depending on the exposure temperature and the gas atmosphere. For example, in the case of a molten carbonate fuel cell, stainless steel which is corrosion resistant, INCONEL which is a nickel alloy species, or the like can be used. However, the sleeve 40 must have sufficient ductility because it is necessary to adjust the shape according to the position of the thermocouple in the fuel cell stack. In addition, the diameter of the sleeve 40 can be applied in various ways to match the diameter of the sheath 10 and the primary protective tube (30).

상기 슬리브(40)는 2차 보호관(50) 내부로 장입되며, 상기 슬리브(40)와 상기 2차 보호관(50)은 압착 또는 용접되어 있다. 또한 상기 2차 보호관(50) 내부는 세라믹 본드 계열 물질로 충진되어 기밀성을 갖도록 구성된다. 상기 세라믹 본드 계열 물질은 전기절연성 및 내열성을 갖는 물질로 다양하게 사용될 수 있으나, MgO, Al2O3, ZrO2 또는 SiO2가 함유된 MgO, Al2O3, ZrO2의 혼합 세라믹 파우더와 같은 물질이 바람직하다.The sleeve 40 is charged into the secondary protective tube 50, and the sleeve 40 and the secondary protective tube 50 are compressed or welded. In addition, the inside of the secondary protective tube 50 is filled with a ceramic bond-based material is configured to have airtightness. The ceramic bond-based material may be used in various ways as a material having electrical insulation and heat resistance, but a mixed ceramic powder of MgO, Al 2 O 3 , ZrO 2 containing MgO, Al 2 O 3 , ZrO 2, or SiO 2. The substance is preferred.

연장선(60)은 시스(10) 내부의 소선(80)과 동일한 조성의 재질로 만들어져 있으며 외피는 200℃에서 300℃ 사이의 온도에서 충분한 내열성을 갖는 재질로 되어 있다.The extension wire 60 is made of a material having the same composition as the element wire 80 inside the sheath 10, and the outer skin is made of a material having sufficient heat resistance at a temperature between 200 ° C and 300 ° C.

터미널(70)은 측정기기의 형상에 따라 Y형, O형 또는 암수연결잭으로 구성된다.Terminal 70 is composed of a Y-type, O-type or male and female connecting jacks depending on the shape of the measuring device.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대는 여러개를 다발로 묶어 사용하는 것도 가능하다.Fuel cell stack temperature thermocouple according to an embodiment of the present invention can also be used in bundles.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described specific embodiments. That is, those skilled in the art to which the present invention pertains can make many changes and modifications to the present invention without departing from the spirit and scope of the appended claims, and all such appropriate changes and modifications are possible. Equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대에 의하면, 전기절연성 및 내열성을 갖는 절연관 및 보호관으로 인해 열전대간 또는 슬리브간의 기계적 접촉으로 인해 발생하는 분리판간의 통전을 방지하는 효과가 있다. 또한, 다수개의 열전대가 사용되더라도 스택의 운전에 영향을 주지않으면서 실시간으로 온도를 측정할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the thermocouple for measuring the temperature of the fuel cell stack according to the present invention, the insulating tube and the protective tube having electrical insulation and heat resistance have an effect of preventing the conduction between the separators caused by mechanical contact between the thermocouples or the sleeve. have. In addition, even if a plurality of thermocouples are used, there is an advantage that the temperature can be measured in real time without affecting the operation of the stack.

결과적으로 연료전지 스택의 수명을 단축시키지 않으면서도 효과적인 열관리를 가능하게 하여 주입되는 연료의 조성 및 온도 조건을 효율적으로 제어할 수 있게 되는 효과가 있다.As a result, it is possible to effectively control the composition and temperature conditions of the injected fuel by enabling effective thermal management without shortening the life of the fuel cell stack.

Claims (4)

연료전지 스택 온도 측정용 열전대에 있어서,In the thermocouple for measuring the fuel cell stack temperature, 온도 측정부인 시스;A sheath as a temperature measuring unit; 상기 시스의 일측부가 장입되는 절연관; 및,An insulating tube into which one side of the sheath is inserted; And, 상기 절연관의 일측부가 장입되는 1차 보호관;을 포함하며,Includes; the primary protective tube is inserted into one side of the insulated tube, 상기 절연관과 상기 1차 보호관 내부가 세라믹 본드 계열 물질로 충진되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 온도 측정용 열전대.The thermocouple for measuring the temperature of the fuel cell stack, wherein the insulating tube and the inside of the primary protective tube are filled with a ceramic bond material. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 시스에서 연장되는 슬리브; 및,A sleeve extending from the sheath; And, 상기 슬리브가 장입되는 2차 보호관;을 더 포함하며,Further comprising; a secondary protective tube is inserted into the sleeve, 상기 2차 보호관의 내부는 세라믹 본드 계열 물질로 충진되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 온도 측정용 열전대.The inside of the secondary protective tube is a thermocouple for measuring the temperature of the fuel cell stack, characterized in that the filling with a ceramic bond-based material. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 세라믹 본드 계열 물질은, The ceramic bond material, MgO, Al2O3, ZrO2 또는 SiO2가 함유된 MgO, Al2O3, ZrO2의 혼합 세라믹 파우더 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 온도 측정용 열전대.A thermocouple for measuring the temperature of a fuel cell stack, which is any one of a mixed ceramic powder of MgO, Al 2 O 3 , ZrO 2 containing MgO, Al 2 O 3 , ZrO 2, or SiO 2 . 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 슬리브의 재질은 스테인레스강 또는 니켈합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 온도 측정용 열전대.The material of the sleeve is a thermocouple for measuring the temperature of the fuel cell stack, characterized in that any one of stainless steel or nickel alloy.
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