KR100931212B1

KR100931212B1 - 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치

Info

Publication number: KR100931212B1
Application number: KR1020070069994A
Authority: KR
Inventors: 문희춘; 김태후; 전윤석; 정귀성; 금영범; 김덕환; 양유창
Original assignee: 주식회사 케피코; 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-12-10
Also published as: KR20090006553A

Abstract

본 발명은 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치에 관한 것으로, 측면에 단자(11)가 돌출성형된 분리판(10)과; 직육면체 형상으로 형성되고, 그 상면에 분리판(10) 적층 방향으로 커넥터장착홈(21)이 형성되며, 동일 방향으로 상기 단자(11) 간격과 동일한 간격으로 상면과 하면을 관통하는 단자고정홀(22)이 형성된 단자고정부재(20)와; 상기 단자고정부재(20)의 상기 커넥터장착홈(21)에 삽입/안착되는 직육면체 형상의 하우징(31)과, 한 쌍의 금속재 탄성편으로 이루어져 상기 하우징(31)에 설치되어 상기 단자(11)에 접촉되는 터미널(32)을 구비한 커넥터(30) 및; 상기 터미널(32)이 삽입되는 터미널삽입홀(41)이 형성되어 상기 커넥터(30) 상부에 장착되는 전자제어유니트(40);를 포함하여 구성된다.

따라서, 분리판의 변형 및 손상을 방지할 수 있고, 분리판 간의 절연상태와 분리판과 커넥터의 접촉상태를 확실하고 안정적으로 유지할 수 있게 되어 정확한 전압을 측정할 수 있게 되며, 분리판 적층시의 불균형을 해소에 도움이 되고, 장치의 구성이 간단하여 제작 및 조립이 용이한 효과가 있다.

연료전지, 스택, 셀 전압, 측정

Description

차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치{voltage measuring device of fuel cell stack for vehicle}

본 발명은 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치에 관한 것으로, 연료전지 스택의 금속제 분리판과 제어회로를 전기적으로 연결하여 각 셀의 전압을 측정할 수 있도록 된 장치에 관한 것이다.

연료전지는 고효율의 청정에너지원으로서 점차 그 사용영역이 확대되어 가고 있으며, 여러 종류의 연료전지 중에서 특히 고분자 전해질(막)형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell}는 타 연료전지에 비하여 비교적 낮은 온도에서 작동하고 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있어, 자동차용 이동 전원으로서 활발하게 개발되고 있다.

상기 고분자 전해질형 연료전지의 스택은 연료극과 공기극 및 이들 사이의 고분자 전해질막으로 이루어진 막-전극 조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와 바이폴라플레이트(Bipolar plate)라 불리우는 금속 재질의 분리판으로 구성된 단위 셀(cell)이 필요한 수로 적층되어 이루어진다.(1개 셀에서 발생되는 전위는 약 1.3V로서 차량 구동에 필요한 전력이 생산될 수 있도록 다수의 셀을 직 렬로 적층하고 있다.)

상기와 같이 구성된 스택은 대개 적층된 분리판의 양측부에 각각 압축판(compression plate = end plate)을 배치하고, 이를 관통하는 타이바아(tie bar)를 설치하여, 그 조립상태를 유지하고 있다.

한편, 차량에서 스택의 성능 및 고장여부를 파악하기 위해 상기 각 셀의 분리판을 커넥터 및 도선으로 전자제어유니트(연료전지 시스템의 운용을 담당하는 제어유니트로서 셀 전압 측정장치를 포함한다.)에 연결하여 각 셀의 전압을 측정할 수 있도록 되어 있다.

그런데 종래에는 상기 커넥터와 분리판의 접촉상태에 따라 분리판이 굴절(변형)되거나 손상될 우려가 있고, 또한 차량에 탑재되어 이용되는 것인 만큼 차량 주행에 따른 진동 및 충격에 크게 영향을 받으므로 분리판 간의 절연상태가 확실히 확보되지 않거나 커넥터와 분리판의 접촉상태가 견고하지 못할 경우 측정되는 전압값이 요동하는 등 올바르게 전달되지 않게 됨으로써 정확한 전압값을 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 상기 분리판 적층의 불균형을 해소하는 한 방편으로서 상기 커넥터를 이용하는 경우에는 커넥터 및 분리판의 구조가 복잡해짐으로써 제작 및 조립이 어려워지는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 진동에 의한 영향을 배제하기 위하여 상기 분리판에 접촉하는 커넥터의 터미널로써 전도성 고무를 사용하였는 바, 이 경우 분리판 단자와의 접촉면적이 작을 뿐만 아니라 금속재질의 터미널에 비하여 전달저항이 크므로 보다 정확히 전압을 측정할 수 없는 한 요인이 되었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 커넥터 장착시 분리판의 변형 및 손상이 방지되고, 분리판 사이의 절연이 확실히 이루어지고 커넥터와 분리판 사이의 접촉상태가 견고해짐으로써 보다 정확한 전압을 측정할 수 있게 되며, 구조가 단순해져 제작 및 조립이 용이해질 수 있도록 된 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

측면에 단자가 돌출성형된 분리판과;

직육면체 형상으로 형성되고, 그 상면에 분리판 적층 방향으로 커넥터장착홈이 형성되며, 동일 방향으로 상기 단자 간격과 동일한 간격으로 상면과 하면을 관통하는 단자고정홀이 형성된 단자고정부재와;

상기 단자고정부재의 상기 커넥터장착홈에 삽입/안착되는 직육면체 형상의 하우징과, 한 쌍의 금속재 탄성편으로 이루어져 상기 하우징에 설치되어 상기 단자에 접촉되는 터미널을 구비한 커넥터 및;

상기 터미널이 삽입되는 터미널삽입홀이 형성되어 상기 커넥터 상부에 장착되는 전자제어유니트;

를 포함하여 구성된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 스택 셀 전압 측정장치를 장착할 때 분리판의 변형 및 손상을 방지할 수 있고, 장착상태에서 분리판 간의 절연상태와 분리판과 커넥터의 접촉상태를 확실하고 안정적으로 유지할 수 있게 되어 차체의 진동에도 불구하고 정확한 전압을 측정할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 단순한 구조의 단자고정부재와 커넥터를 이용하면서도 분리판 적층시의 불균형을 해소할 수 있게 되었고, 장치의 구성이 간단하여 제작 및 조립이 용이한 장점이 있다.

또한, 터미널이 금속재질로 이루어지고 단자와의 접촉면적이 증가되어 전달저항이 감소됨으로써 전압 측정의 정확성이 향상되는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치의 분해 사시도로서, 본 발명은 측면에 직사각형의 단자(11)가 돌출 형성된 분리판(10)과, 상기 분리판(10)의 단자(11)에 장착되는 절연재질의 단자고정부재(20)와, 상기 단자고정부재(20)에 장착됨과 동시에 상기 단자(11)에 전기적으로 연결되는 커넥터(30) 및, 상기 커넥터(30)에 연결되는 전자제어유니트(40)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 분리판(10)의 단자(11)는 2열로 형성될 수 있다.

도 2의 (a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 상기 단자고정부재(20)는 전체적으로 직육면체 형상을 가지며, 상면에는 분리판(10)이 적층되는 방향(도면상 가로방향)으로 직육면체 형상의 홈인 커넥터장착홈(21)이 형성된다.

또한, 상기 단자고정부재(20)에는 분리판(10)이 적층되는 방향으로 일정 간격━상기 분리판(10)이 균일하게 적층 되었을 때의 단자(11) 간격과 동일하다━마다 상면과 하면을 관통하는 단자고정홀(22)이 형성된다.

이때 상기 단자고정홀(22)의 세로길이(L1)은 상기 커넥터장착홈(21)의 세로길이(L2)보다 길게 형성된다. 즉, 상기 단자고정홀(22)은 상기 커넥터장착홈(21)의 상부변과 하부변에 걸쳐서 형성된다.

또한, 상기 단자고정부재(20)의 하면에는 상기 단자고정홀(22)의 입구마다 입구 양측 하면으로부터 단자고정홀(22) 중심을 향해 좁아지는 방향으로 경사면(23a)이 형성되어 단자유도부(23)를 이룬다.

한편, 도 3의 (a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 상기 커넥터(30)는 직육면체 형상의 하우징(31)에 한 쌍의 금속재 탄성편으로 이루어진 터미널(32)이 다수 설치되어 이루어진 것으로, 상기 하우징(31)의 가로 및 세로 길이는 상기 커넥터장착홈(21)의 가로 및 세로 길이와 동일하다.

또한, 각 터미널(32)은 상기 단자고정부재(20)의 단자고정홀(22)과 동수로 형성되며, 상하 교대로 반복되는 상태로 배치된다.

상기 터미널(32)의 각 탄성편은 직선형 몸체 하부에 상호 마주보는 방향으로 굴곡되어 돌출 성형된 접촉단부(32a)가 형성되고, 각 접촉단부(32a)의 하단부가 수평방향으로 연장되다가 상방으로 절곡 연장되어 고정단부(32b)가 형성된다.

상기 하우징(31)의 하면에는 분리판(10) 적층 방향으로 일정 간격━상기 단자고정부재(20)의 단자고정홀(22) 간격과 동일하다━마다 단자삽입홀(33)이 형성된 다.

상기 단자삽입홀(33)에는 양쪽 측면으로 상기 터미널(32)이 삽입 설치될 수 있도록 탄성편의 폭(세로길이)과 동일한 폭을 가지는 터미널설치홀(34)이 형성되는데, 그 터미널설치홀(34)들은 전술한 바와 같이 상기 터미널(32)이 상하 교대로 반복되는 상태로 배치될 수 있도록 이웃하는 단자삽입홀(33)에 있어서 서로 반대 위치(상부 또는 하부)에 형성된다.

또한, 상기 터미널설치홀(34)의 상부 양측 단부에는 탄성편의 두께(t)와 동일한 폭으로 하우징(31)의 상면으로 관통되는 관통홀(34a) 형성되고, 하부 양측 단부에는 상기 터미널(32)의 고정단부(32b)와 동일하게 니은(ㄴ)자 형상으로 절곡된 압입홀(34b)이 형성된다.

따라서, 상기 터미널(32)의 각 탄성편이 접촉단부(32a)가 마주보는 상태로 상기 터미널설치홀(34)의 하방에서 상방으로 삽입 설치된다. 이때 각 탄성편의 상부는 상기 관통홀(34a)을 통해 하우징(31)의 상면으로 돌출되고, 각 고정단부(32b)는 상기 압입홀(34b)에 압입되어 터미널(32) 설치상태를 견고히 유지하게 된다.

이제, 상기 분리판(10)의 단자(11)에 상기 단자고정부재(20)와 커넥터(30)를 조립하는 과정과 그에 따른 본 발명의 작용효과를 살펴보기로 한다.

분리판(10)을 적층하여 단자(11)들이 일렬로 배열되면, 그 상부에 각 단자(11)들과 단자고정홀(22)이 일치되도록 단자고정부재(20)를 위치시킨 후 단자고정부재(20)를 분리판(10)쪽으로 가압하여 도 4와 같이 단자(11)가 단자고정홀(22)에 삽입되도록 함으로써 단자고정부재(20)를 장착한다.

이때, 상기 단자유도부(23)의 각 경사면(23a)의 작용에 의해 단자(11)가 단자고정홀(22)에 정확하고 용이하게 삽입될 수 있다.

또한, 상기 단자고정홀(22)은 상기 커넥터장착홈(21)의 상/하변에 걸쳐 형성되어 있으므로 이에 삽입된 상기 단자(11)는 그 양측 단부가 모두 견고히 고정되어 외력에 대한 대응 강성이 향상됨으로써 이후 커넥터(30)를 장착할 때 단자(11)의 변형 및 손상이 발생하지 않게 되고, 또한 각 단자(11)들이 상호 이격된 상태를 견고하게 유지하게 됨으로써 각 분리판(10) 간의 절연이 확실히 이루어지게 된다.

또한, 상기와 같이 분리판(10)의 각 단자(11)들이 단자고정부재(20)에 일정 간격으로 형성된 단자고정홀(22)에 정확히 삽입 고정됨으로써 분리판(10)간의 간격 및 상하 위치가 균일하게 형성될 수 있게 되어 분리판(10) 적층의 균형성이 향상된다.

한편, 상기 분리판(10)의 단자(11)를 2열로 형성함으로써 상기와 같은 모든 장점을 그대로 유지함과 더불어 도 5에 도시된 바와 같이 단자(11)의 상/하열에 단자고정부재(20)를 일정 간격을 두고 교대로 반복하여 장착할 수 있게 된다.

즉, 단자고정부재(20)를 상호 밀착하여 일렬로 배치하는 것을 회피할 수 있게 됨에 따라 단자고정부재(20)의 조립 편의성을 향상시킬 수 있게 되고, 또한 단자(11)의 위치 정렬이 2열에 걸쳐 이루어짐으로써 분리판(10) 적층의 균형성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 단자(11)의 상/하열에 단자고정부재(20)가 일정 간격을 두고 교대로 반복하여 장착됨에 따라 단자고정부재(20)가 장착되지 않은 부분의 노출된 단 자(11)들에는 몸체의 일부를 절단하여 노출된 단자(11)와 동수의 단자고정홀(22)을 갖도록 제작된 또 다른 단자고정부재(이 단자고정부재에는 커넥터(30)를 장착하지 않음)를 장착함으로써 노출된 단자(11)간의 단락을 방지할 수 있다.

또한, 도시된 바와 같이 상/하열에 장착되는 단자고정부재(20)의 양단을 서로 겹치도록 장착하여도 무방하다. 단, 그 경우 하나의 분리판(10)의 상/하열 단자(11) 모두에 각각 터미널(32)이 접속될 수 있으므로 그 중 하나의 터미널(32)을 통해 전달되는 신호만을 전압측정에 이용하면 된다. 이는 상기 전자제어유니트(40) 운용 프로그램상에서 구현할 수도 있고, 또는 조립시 2개의 터미널(32)중 하나의 회로연결을 단선시켜 기구적 및 회로적으로 구현할 수도 있다.

상기와 같이 단자고정부재(20)의 장착이 완료된 후에는 상기 단자고정부재(20)의 상부에 커넥터(30)를 장착한다.

즉, 상기 단자고정부재(20)의 상면에 형성된 커넥터장착홈(21)에 커넥터(30)를 삽입/안착시키는 것으로서, 커넥터(30)의 하우징(31)의 크기가 상기 커넥터장착홈(21)의 크기와 동일하므로 상기 커넥터(30)를 커넥터장착홈(21)에 압입해 넣음으로써 커넥터(30)의 장착상태가 견고하게 유지된다.

이때, 단자고정부재(20) 장착시 단자고정부재(20)의 커넥터장착홈(21)상으로 돌출되어 있는 분리판(10)의 각 단자(11)들이 커넥터(30) 하우징(31)의 단자삽입홀(33)로 삽입된다.

단자(11)의 삽입에 의하여 상기 터미널(32)의 양쪽 접촉단부(32a)가 상호 벌어지는 방향으로 탄성 변형되며, 단자(11) 완전 삽입 후 그 복원력에 의하여 단 자(11)의 양측면에 밀착된 상태를 유지하게 된다.

또한, 단자(11) 삽입시 상기 터미널(32)의 양쪽 접촉단부(32a)가 굴곡성형되어 있는 것에 의하여 단자(11)의 삽입이 부드럽게 유도되므로 단자(11)의 변형 및 손상이 더욱 방지된다.

또한, 커넥터(30) 하우징(31) 자체가 단자고정부재(20)에 견고히 장착되어 있으므로 차체 진동의 영향이 감소되고, 더욱이 상기 터미널(32)의 접촉단부(32a)가 탄성 복원력에 의해 단자(11)의 양측면에 접촉되어 있기 때문에 차체의 진동이 전달되더라도 항상 단자(11)로부터 이격되지 않는 양호한(견고한) 접촉상태를 유지할 수 있게 되므로 언제나 정확한 전압값을 전달할 수 있게 된다.

또한, 상기 터미널(32)은 종래 전도성 고무를 사용할 때에 비하여　단자(11)와의 접촉면적이 넓고, 금속재질로 이루어져 있어서 전달 저항이 감소되므로 보다 정확한 전압값을 측정할 수 있게 된다.

또한, 상기한 바와 같이 분리판(10)의 단자(11)에 단자고정부재(20)와 커넥터(30)를 장착하는 것은 단순히 장착되는 부재 상호간의 위치만 일치시킨 후 눌러주면 완료되는 작업으로서 실시하기가 매우 용이하여 작업성이 향상된다.

이후 커넥터(30)의 상부에 전자제어유니트(40)를 장착함으로써 장치의 조립을 완료하게 되는데, 상기 전자제어유니트(40)에는 상기 커넥터(30)의 터미널(32)이 삽입되는 터미널삽입홀(41)이 형성되고, 그 터미널삽입홀(41)의 내부에는 상기 커넥터(30)의 터미널(32)과 접속되는 전자제어유니트(40)의 터미널이 구비되어 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치의 분해 사시도,

도 2의 (a)는 단자고정부재의 상부 사시도,

(b)는 단자고정부재의 하부 사시도,

(c)는 (b)의 A-A선 절개 사시도,

도 3의 (a)는 커넥터의 부분 단면도,

(b)는 터미널 삽입 전 상태의 커넥터 하부 사시도,

(c)는 터미널 삽입 후 상태의 커넥터 하부 사시도,

도 4는 분리판에 단자고정부재가 장착된 상태의 부분 확대도,

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치의 조립 상태도(전자제어유니트 장착 전 상태)이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 분리판 11 : 단자

20 : 단자고정부재 21 : 커넥터장착홈

22 : 단자고정홀 23 : 단자유도부

23a : 경사면 30 : 커넥터

31 : 하우징 32 : 터미널

32a : 접촉단부 32b : 고정단부

33 : 단자삽입홀 34 : 터미널설치홀

34a : 관통홀 34b : 압입홀

40 : 전자제어유니트 41 : 터미널삽입홀

Claims

측면에 단자(11)가 돌출성형된 연료전지 스택의 분리판(10)과;

직육면체 형상으로 형성되고, 그 상면에 분리판(10) 적층 방향으로 커넥터장착홈(21)이 형성되며, 상기 분리판(10)이 균일하게 적층 되었을 때의 단자(11) 간격과 동일한 간격으로 상면과 하면을 관통하는 단자고정홀(22)이 형성된 단자고정부재(20)와;

상기 단자고정부재(20)의 상기 커넥터장착홈(21)에 삽입/안착되는 직육면체 형상의 하우징(31)과, 한 쌍의 금속재 탄성편으로 이루어져 상기 하우징(31)에 설치되어 상기 단자(11)에 접촉되는 터미널(32)을 구비한 커넥터(30) 및;

상기 커넥터(30)의 터미널(32)이 삽입되는 터미널삽입홀(41)이 형성됨과 더불어 상기 커넥터(30) 상부에 장착되어 각 셀의 전압을 측정하는 전자제어유니트(40);

를 포함하여 구성되는 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 단자고정부재(20)의 단자고정홀(22)은 세로길이(L1)가 상기 커넥터장착홈(21)의 세로길이(L2)보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 단자고정부재(20)의 단자고정홀(22)의 하면측 입구에는, 하면으로부터 단자고정홀(22)의 중심을 향해 좁아지는 양측 경사면(23a)으로 이루어진, 단자유도부(23)가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 분리판(10)에 단자(11)가 상/하 2열로 형성되고, 상기 단자고정부재(20)가 상/하 열에 교대로 일정 간격마다 장착되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 커넥터(30)의 하우징(31) 하면에 분리판(10) 적층 방향을 따라 단자고정부재(20)의 단자고정홀(22)과 동일한 간격으로 단자삽입홀(33)이 형성되고, 상기 단자삽입홀(33)에 상기 터미널(32)이 삽입 설치되는 터미널설치홀(34)이 형성되되, 상기 터미널설치홀(34)은 이웃하는 단자삽입홀(33)에 있어서 상호 반대 위치에 형성되어 상기 터미널(32)이 상하 교대로 반복 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
청구항 5에 있어서, 상기 터미널설치홀(34)의 상부 양측 단부에 관통홀(34a) 형성되어 상기 터미널(32)이 하우징(31)으로 상면으로 돌출되고, 상기 터미널설치홀(34)의 하부 양측 단부에 니은(ㄴ)자형으로 절곡된 압입홀(34b)이 형성되어 상기 터미널(32)의 하단에 동일 형상으로 절곡 형성된 고정단부(32b)가 압입 고정되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
청구항 6에 있어서, 상기 터미널(32)의 각 탄성편 하부에 상호 마주보는 방향으로 굴곡 돌출 성형된 접촉단부(32a)가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.