KR100800965B1 - 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 핀스프링이 내장된 전압 측정 단자를 통해 연료 전지 흑연판에 대해 압력을 가하여 진동에 강하면서 높은 접촉 신뢰성을 확보할 수 있도록 하는 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 연료 전지 스택의 다수의 셀 전지에 대한 셀 전압을 측정하는 전압 측정 모듈에 있어서, 핀스프링이 내장된 다수의 전압 측정 단자가 프레임에 의해 일정 간격으로 고정적으로 배열되고, 각 전압 측정 단자의 후부를 고정시키기 위한 고정 패널이 구비되며, 상기 다수의 전압 측정 단자와 연결되어 있는 PCB 기판이 구비된 것을 특징으로 한다.
연료 전지, 셀전압, 흑연판, 핀스프링

Description

핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈{Voltage Measuring Module of Fuel Cell Apply to Pin Spring Type Voltage Measuring Terminal}
도 1은 일반적인 연료전지의 원리를 설명하는 도면,
도 2는 종래의 연료전지 스택에 대한 전극 전압을 측정하는 방식을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈에 대한 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 핀스프링형 전압 측정 단자가 연료전지 스택의 흑연판에 접촉되는 상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 전압 측정 모듈의 측면 구조를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 전압 측정 모듈의 밑면 구조를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 핀스프링형 전압 측정 단자의 구성을 상세히 나타낸 분리 사시도,
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈의 작동 상태를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 전압 측정 모듈의 내부 회로 구성에 대한 일예를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 따른 전압 측정 모듈의 내부 회로 구성에 대한 다른예를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10:연료 전지 스택, 12:프레임,
14:고정 패널, 16:PCB 기판,
18:전압 측정 단자, 20:프로브,
22:접촉 헤드.
본 발명은 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 셀전압을 측정하기 위한 단자에 대한 접촉 신뢰성을 향상시키기 위한 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 에너지는 우리의 일상 생활에 있어서 의식주와 같이 없어서는 안될 요소이며, 산업 및 경제발전의 주요한 원동력이 되고 있기 때문에, 인류의 지속적인 성장과 발전을 위해서는 에너지자원의 원활한 공급이 필수조건이 된다고 볼 수 있다.
현재, 에너지 자원의 대부분을 차지하고 있는 화석연료는 그 매장량이 제한되어 있어, 장기적으로 볼 때 에너지 공급에 어려움이 초래되리라 예상되고 있고, 우리 나라는 2001년 한해동안 지난해보다 2.5%증가한 198백만toe의 에너지를 사용하였는 바, 이는 최근들어 산업구조가 에너지 저 소비형으로 점진적으로 전환되고 있기는 하지만, 에너지의 97%이상을 수입에 의존하고 있는 국내 에너지 실정을 감안해야 한다.
또한, 화석연료의 사용증가로 인한 산성비, 오존층 파괴, 지구 온난화 등 지구환경문제에 대응한 에너지정책이 새로운 과제로 대두되었으며, 특히 국제적 공동관심사인 기후변화협약에 있어서도 화석연료 사용억제 등 에너지 문제에 대한 제약조건을 고려할 경우, 에너지 수급에 에너지 이용 효율제고와 더불어 대체에너지 기술 개발 및 이용 보급의 확대가 보다 적극적으로 검토되어야 할 것입니다.
최근, 환경 부담이 적은 에너지원을 찾기 위하여 다양한 시도가 이루어지고 있는데, 이러한 시도 중에서, 연료전지 특히, 고분자 전해질 연료전지는 배출물이 오직 물이라는 이점 등을 갖는다는 점에서, 자동차 등의 전원으로 적용되는 것이 기대되고 있다.
차세대 대체에너지인 수소를 원료로 하는 연료전지는 일반 배터리가 에너지를 저장해서 쓰는 것과 달리, 수소와 산소의 직접 화학반응을 통해 전기 에너지를 만드는 방법으로 배터리보다 수명이 길다. 또한 일반 연소기관과 달리 기계적 손실이 적기 때문에 총 발전 효율이 매우 높다.
연료전지의 종류에는 고온에서 작동하는 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물용 연료전지(SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(AFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DEMFC) 등이 있다.
이 중 고분자 전해질 연료전지는 80 °C 내외에서 작동하는 연료전지로 짧은 시동시간에 고출력을 얻을 수 있고 전류밀도가 높으며, 일반 가솔린이나 디젤 자동차와 비교하여, NOx의 배출량은 1/500, SOx의 배출량은 1/10,000이 되므로 환경 친화적인 고효율 발전 시스템이라고 할 수 있다.
최근 자동차, 핸드폰, 노트북 등 많은 산업분야에 적용시키고 상업화하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 연료전지 구성을 대략적으로 보면 분리판, 멤브레인 복합체, 그리고 부가장치가 있다. 이중 분리판은 수소와 산소가 흐르는 유로 역할과 전기가 흐를 수 있는 극 역할을 하는데 연료전지 부속 중 가격 비율이 높고 연료전지 성능에 많은 영향을 미치고 있다.
또한 분리판의 균일한 유동장과 유로에서의 수분 응축으로 인한 유로 막힘, 화학반응으로 생성되는 물의 배수, 분리판의 온도 분포 등 분리판에 중요한 문제를 해결하기 위한 개발이 필요한 실정이다.
연료전지용 분리판이 활용되는 연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 수소는 연료극 즉, 애노드(Anode)를 통과하고, 산소는 공기극 즉, 캐소드(Cathode)를 통과하며, 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다.
또한, 도선을 통해 부하측으로 전하가 이동되면서 직류 전력이 발생하며 이 때 열이 부수적으로 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용된다.
그리고, 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열원으로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기 열로 배출된다. 연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다.
아울러 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있기 때문에 공기 중에 포함된 산소를 직접 사용한다.
종합적으로 다음과 같은 반응에 따라 전기와 열 및 물이 생성된다.
양극 : H2 → 2H+ + 2e (1)
음극 : 1/2 O2 + 2H+ + 2e → H2O (2)
전체 : H2 + 1/2 O2 → H2O + 전류 + 열 (3)
전해질은 한 전극에서 다른 전극으로 수소 이온을 전달해 주는 역할을 하고 촉매는 전극의 반응을 향상시킨다. 2개의 전극으로 구성된 단위 셀은 0.6V~0.7V 정도를 생산한다.
대개의 연료전지들은 비교적 낮은 전압을 생산한다. 전력을 사용할 수 있을만큼 생산하려면, 연료전지들을 일반적으로 연료전지 스택을 구성해야만 하고, 일반적으로 하나의 스택에는 연료전지가 10, 20, 30개 또는 100개 이상 있다.
이러한 연료 전지 스택의 전압 측정을 위해서는 연료 전지를 연결하여 전압을 측정하는 모듈이 필요하게 되는 바, 도 2에 통상의 연료 전지 스택에 대한 전압 측정 방식이 도시되어 있다.
즉, 도 2는 종래의 연료전지 스택에 대한 전극 전압을 측정하는 방식을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 연료 전지가 하나의 스택(2)으로 구성된 상태에서, 연료 전지 스택(2)의 셀 전극 전압을 측정하기 위해서는 전압 측정 모듈의 PCB 회로와 각 연료 전지 간을 연결하는 연결 단자가 필요하게 되는 바, 이러한 연결 단자는 도선(4)을 사용하고 있으며, 도선(4)의 접촉 단자(6)가 연료전지 스택을 구성하는 각 연료전지 흑연판을 각기 개별적으로 연결할 수 있도록 되어 있다.
그러나, 이러한 종래의 전압 측정 모듈은 연료 전지 스택을 구성하는 각 연료 전지의 흑연판을 도선(4)의 접촉 단자(6)를 통해서 각각 개별적으로 연결하도록 되어 있기 때문에, 연료전지 스택을 전반적으로 연결하는 작업시간이 장시간으로 소요될 뿐만 아니라, 단자 연결 작업시에 흑연판에 손상을 초래할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 연료전지 스택이 차량에 적용되어 있는 경우에는 진동이 심한 차량 환경에서 접촉 단자의 접촉 신뢰도를 보장하기가 어려울뿐만 아니라, 전압 측정을 위해 다수의 도선(4)에 의한 배선이 많이 필요하기 때문에, 전압 측정 구조가 복잡해지고 작업 공간을 많이 차지해야 한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 핀스프링이 내장된 전압 측정 단자를 통해 연료 전지 흑연판에 대해 압력을 가하여 진동에 강하면서 높은 접촉 신뢰성을 확보할 수 있도록 하는 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 연료 전지 스택의 다수의 셀 전지에 대한 셀 전압을 측정하는 전압 측정 모듈에 있어서, 핀스프링이 내장된 다수의 전압 측정 단자가 프레임에 의해 일정 간격으로 고정적으로 배열되고, 각 전압 측정 단자의 후부를 고정시키기 위한 고정 패널이 구비되며, 상기 다수의 전압 측정 단자와 연결되어 있는 PCB 기판이 구비된 것을 특징으로 하는 핀스프링을 이용한 연료전지의 전압 측정 단자 구조를 제공한다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
즉, 도 3은 본 발명에 따른 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지의 전압 측정 모듈은, 핀스프링이 내장된 다수의 전압 측정 단자(18)가 프레임(12)에 의해 일정 간격으로 고정적으로 배열되고, 각 전압 측정 단자(18)의 후부를 고정시키기 위한 고정 패널(14)이 구비되며, 상기 다수의 전압 측정 단자(18)와 연결되어 있는 PCB 기판(16)이 구비된다.
상기 각 전압 측정 단자(18)는 내부의 스프링에 의해 탄성지지 가능한 프로브(Probe)(20)가 결합되고, 각 프로브(20)의 끝단에는 상기 연료 전지 스택의 흑연판(10)과 직접 접촉되는 접촉 헤드(22)가 결합되어 있다.
상기 다수의 전압 측정 단자(18)는 도 4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택에 일정 간격으로 배열되어 있는 다수의 셀 전지의 흑연판과 각각 대응적으로 접촉되는 것이 가능하도록, 상기 흑연판의 배열 간격과 동일한 간격으로 상기 프레임(12)을 관통하여 배열되도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 전압 측정 모듈의 측면 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 전압 측정 모듈의 밑면 구조를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 전압 측정 단자(18)는 프레임(12)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 각각 관통되어 형성된 다수의 개구부(24)에 끼워져서 고정되고, 상기 PCB 기판(16)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 각각 관통되어 형성된 다수의 개구부(26)에 끼워져서 고정된다.
한편, 상기 각 전압 측정 단자(18)는 도 7에 도시된 바와 같이, 중공 형상으로 이루어지고서 그 내부에 스프링(30)이 내장되어 있고, 상기 스프링(30)이 돌출되지 않도록 잡아주기 위해 해당 전압 측정 단자(18)의 프로브(20)가 삽입되는 부위에 만곡부(28)가 형성되어 있다.
상기 프로브(20)는 상기 전압 측정 단자(18)의 중공 형상 내부에 삽입되고서, 상기 스프링(30)의 탄발력에 의해서 전/후 방향으로 이동이 가능하기 때문에, 해당 프로브(20)의 끝단에 결합된 접촉 헤드(22)가 상기 연료 전지 스택의 흑연판에 충분히 접촉될 수 있다.
여기서, 상기 각 전압 측정 단자(18) 및 접촉헤드(22)는 전기 전도성이 좋은 금으로 전반적으로 도금하는 것이 바람직하고, 전기 전도성이 좋은 구리나 알루미늄으로 도금하도록 하는 것도 얼마든지 가능하다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 작용에 대해 도 8a 및 도 8b를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 8a에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택에 설치되어 있는 다수의 전지 셀에 대한 흑연판(10)에 대응하여, 각 전지 셀에 대한 셀전압을 측정하기 위한 PCB 기판(12) 상의 핀스프링(30)이 내장된 전압 측정 단자(18)가 구비된다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지 스택의 다수개의 흑연판(10)에 대해 상기 전압 측정 단자(18)의 접촉 헤드(22)를 접촉시키면, 상기 전압 측정 단자(18)의 접촉 헤드(22)가 흑연판(10)을 미는 힘만큼 내장된 핀스프링(30)이 압축되어 흑연판(10)과의 접촉력이 최적으로 유지될 수 있게 된다.
다음으로, 도 9는 PCB 기판(16)에 설계되는 본 발명에 따른 전압 측정 모듈의 내부 회로 구성에 대한 일례를 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 도면부호 17은 커넥터이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일예에 따른 전압 측정 모듈(40)은 핀스프링이 내장된 전압 측정 단자를 연료전지 스택의 다수의 셀 전지(C1∼Cn)의 양단에 접촉시킴에 의해, 각 셀 전지(C1∼Cn)에 대한 셀 전압을 측정할 수 있다.
상기 전압 측정 모듈(40)에는 상기 각 셀 전지(C1∼Cn) 양단의 (+) 전압과 (-) 전압을 각각 인가받아 그 차전압을 출력하는 다수의 차동 증폭기(A1∼An)와, 각 차동 증폭기(A1∼An)로부터의 차전압 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(42)가 구성된다.
상기 전압 측정 모듈(40)은 상기 각 차동 증폭기(A1∼An)로부터의 차전압 출력값을 디지털 변환한 신호를 통하여 연료전지 스택의 각 셀 전지(C1∼Cn)에 대한 셀전압을 측정할 수 있게 된다.
그 다음에, 도 10은 PCB 기판(16)에 설계되는 본 발명에 따른 전압 측정 모듈의 내부 회로 구성에 대한 다른 예를 나타낸 도면이다. 도 10에 도시된 도면부호 17은 커넥터이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른예에 따른 전압 측정 모듈(44)은 핀스프링이 내장된 전압 측정 단자를 연료전지 스택의 다수의 셀 전지(C1∼Cn)의 양단에 접촉시킴에 의해, 각 셀 전지(C1∼Cn)에 대한 셀 전압을 측정할 수 있다.
상기 전압 측정 단자와 접촉되는 각 셀 전지(C1∼Cn)로부터의 셀 전압은, 각 전압 측정 단자와 연결된 저항(RA1∼RAn)(RB1∼RBn)을 통하여 아날로그-디지털 컨버터(46)에서 디지털 값으로 변환 된 다음에, 저항(R1)과 제너 다이오드(ZD1)에 의해 생성되는 기준 전압치와 비교된다.
상기 전압 측정 모듈(44)은 각 셀 전지(C1∼Cn)로부터의 셀전압 값을 저항(R1)과 제너 다이오드(ZD1)에 의한 기준 전압과 비교함에 의해, 각 셀전압을 정상적으로 측정할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 연료 전지 스택을 구성하는 다수의 셀 전지에 대한 셀 전압을 측정하는 전압 측정 모듈의 전압 측정 단자가 핀스프링이 내장된 측정 단자 형태로 이루어질 수 있도록 함에 따라, 측정 단자에 내장된 스프링에 의해 연료 전지의 다수의 흑연판에 대해 고른 압력을 가할 수 있게 되면서 외부로부터의 진동에 강하고, 높은 접촉 신뢰성을 가질 수 있다는 효과를 갖게 된다.

Claims (5)

  1. 연료 전지 스택의 다수의 셀 전지에 대한 셀 전압을 측정하는 전압 측정 모듈에 있어서,
    핀스프링이 내장된 다수의 전압 측정 단자가 프레임에 의해 일정 간격으로 고정적으로 배열되고, 각 전압 측정 단자의 후부를 고정시키기 위한 고정 패널이 구비되며, 상기 다수의 전압 측정 단자와 연결되어 있는 PCB 기판이 구비된 것을 특징으로 하는 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 전압 측정 단자는 내부의 핀스프링에 의해 탄성지지 가능한 프로브(Probe)가 결합되고, 각 프로브의 끝단에 상기 연료 전지 스택의 흑연판과 직접 접촉되는 접촉 헤드가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전압 측정 단자는 상기 핀스프링이 돌출되지 않도록 잡아주기 위해 해당 전압 측정 단자의 프로브가 삽입되는 부위에 만곡부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 전압 측정 단자는 상기 연료 전지 스택에 일정 간격으로 배열되어 있는 다수의 셀 전지의 흑연판의 배열 간격과 동일한 간격으로 상기 프레임을 관통하여 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 전압 측정 단자는 도전성의 금이나 구리 또는 알루미늄 중에서 어느 하나에 의해 도금하여 형성된 것을 특징으로 하는 핀스프링형 전압 측정 단자가 적용된 연료전지의 전압 측정 모듈.
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