KR101001473B1 - 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대는 온도 측정을 위한 TC 정션부(10), 상기 TC 정션부와 접합하여 연결되는 TC 와이어(20), 상기 TC 와이어(20)의 전기 절연을 가능하게 하기 위해 TC 와이어(20)의 외주면 둘레에 설치되는 제1 세라믹 절연체(30), 상기 세라믹 절연체(30) 외주면 둘레에 설치되는 슬리브(40), 상기 TC 와이어(20) 및 세라믹 절연체(30)가 연장된 부분의 외주면 둘레에 설치되는 외장 열전대 절연체(50) 및 상기 외장 열전대 절연체(50)의 외주면 둘레에 설치되는 외장 열전대 튜브(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

열전대, 연료전지, 스택, 절연체

Description

연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대{Thermocouple for Measuring Internal Temperature of Stack in Fuel Cells}

본 발명은 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대에 관한 것으로, 구체적으로 연료전지 스택의 온도 측정을 위해 열전대를 사용하는 경우 연료전지 스택의 각 구성품 또는 분리판 간의 통전을 방지하기 위한 전기절연성 및 내열성을 갖는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대에 관한 것이다.

연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치이다. 일반적으로 연료전지는 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 또는 맴브레인으로 구성된다. 이러한 연료전지는 애노드로 연료가스(통상 수소)가 주입되어 산화되고, 캐소드로 공기가 공급되어 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 혹은 멤브레인을 통하여 이온이 이동되어 외부 회로를 경유하는 방식으로 작동된다.

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 단위 전지마다 열전대(Thermocouple)를 이용하여 각 부위별 온도를 측정하여 온도구배를 확인하는 것이 일반적이다.

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 수십 내지 수백개의 열전대가 사용되는 경우도 발생하게 된다.

종래에는 이러한 열관리를 위해 금속으로 구성된 열전대를 연료전지의 분리판 내부에 삽입하여 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 금속으로 구성된 열전대는 전기절연성이 좋지 않아 열전대간 또는 슬리브간의 물리적 접촉에 의해 분리판간의 전기적 통전이 발생하여 연료전지 스택의 수명을 단축시키거나 정지시키는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 기존에는 열전대의 외장(Sheath)부에 세라믹 애자를 끼워 물리적 접촉이 발생하더라도 전기가 흐르지 않도록 하는 방법을 이용하거나, 스택 내부에 들어가는 금속 외장(Metal Sheath)과 스택 외부의 금속 외장을 세라믹 애자와 고온 본딩을 통하여 분리시켰으나, 이러한 방법은 작업자가 별도로 세라믹 애자를 설치하는 작업을 추가적으로 수행해야 하기 때문에 번거롭고, 특히 열충격에 약한 애자를 사용함으로 인해 연료전지 구동중 파손되어 충분한 전기절연성을 확보하기 어려우며, 스택 내부와 외부간의 2가지 종류의 금속 외장을 사용하는 경우 커넥터부의 전기절연성 및 접합 파괴가 일어나는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 전기절연성 및 내열성을 갖는 절연관 및 보호관으로 인해 열전대간 또는 스택과 전기계장과의 물리적 접촉에 따른 분리판 간의 통전 및 전기계장과의 통전을 방지할 수 있고, 다수개의 열전대가 사용되더라도 스택의 운전에 영향을 주지 않으면서 실시간으로 온도를 측정할 수 있으며, 연료전지 스택의 수명을 단축시키지 않고 효과적인 열관리를 가능하게 하여 주입되는 연료의 조성 및 온도 조건을 효율적으로 제어할 수 있는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대를 개발하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 전기절연성 및 내열성을 갖는 절연관 및 보호관으로 인해 열전대간 또는 스택과 전기계장과의 물리적 접촉에 따른 분리판 간의 통전 및 전기계장과의 통전을 방지할 수 있는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다수개의 열전대가 사용되더라도 스택의 운전에 영향을 주지 않으면서 실시간으로 온도를 측정할 수 있는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 연료전지 스택의 수명을 단축시키지 않고 효과적인 열관리를 가능하게 하여 주입되는 연료의 조성 및 온도 조건을 효율적으로 제어할 수 있는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대는 온도 측정을 위한 TC 정션부(10), 상기 TC 정션부와 접합하여 연결되는 TC 와이어(20), 상기 TC 와이어(20)의 전기 절연을 가능하게 하기 위해 TC 와이어(20)의 외주면 둘레에 설치되 는 제1 세라믹 절연체(30), 상기 세라믹 절연체(30) 외주면 둘레에 설치되는 슬리브(40), 상기 TC 와이어(20) 및 세라믹 절연체(30)가 연장된 부분의 외주면 둘레에 설치되는 외장 열전대 절연체(50) 및 상기 외장 열전대 절연체(50)의 외주면 둘레에 설치되는 외장 열전대 튜브(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서,

상기 슬리브(40)은 인코넬, 스테인리스 스틸 및 니켈합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대는 제2 세라믹 절연체(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 세라믹 절연체(90)는 그 전후에 커넥터부(80)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 커넥터부(80)는 세라믹 본드 계열 물질로 충진되는 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹 본드 계열 물질은 MgO, Al₂O₃, ZrO₂ 또는 SiO₂로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상 선택되는 혼합 세라믹 파우더인 것을 특징으로 한다.

상기 제2 세라믹 절연체(90) 및 커넥터부(80)는 용접으로 결합되는 것을 특징으로 한다.

상기 연료전지 스택 내부온도 측정용 열전대는 외장 열전대(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연료전지 스택 내부온도 측정용 열전대는 연장선(110)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연장선(110)은 테플론, 알루미늄 포일, 메탈 쉴드, 테플론이 순차적으로 코팅된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전기절연성 및 내열성을 갖는 절연관 및 보호관으로 인해 열전대간 또는 스택과 전기계장과의 물리적 접촉에 따른 분리판 간의 통전 및 전기계장과의 통전을 방지할 수 있고, 다수개의 열전대가 사용되더라도 스택의 운전에 영향을 주지 않으면서 실시간으로 온도를 측정할 수 있으며, 연료전지 스택의 수명을 단축시키지 않고 효과적인 열관리를 가능하게 하여 주입되는 연료의 조성 및 온도 조건을 효율적으로 제어할 수 있는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대를 제공하는 발명의 효과를 가진다.

본 발명에 따른 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대는 TC 정션부(10), TC 와이어(20), 제1 세라믹 절연체(30), 슬리브(40), 외장 열전대 절연체(50) 및 외장 열전대 튜브(60)를 포함하고, 제2 세라믹 절연체(90)를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 세라믹 절연체(Ceramic Isolator)(90)의 전,후단은 탭(Tap) 가공을 하여 커넥터부(80)로 결합되며 상기 커넥터부 내부는 세라믹 본드 계열 물질로 충 진되는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 본드 계열 물질은, MgO, Al₂O₃, ZrO₂ 또는 SiO₂가 함유된 MgO, Al₂O₃, ZrO₂의 혼합 세라믹 파우더 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 상기 슬리브의 재질은 인코넬, 스테인리스 스틸, 니켈합금 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한, 제2 세라믹 절연체(90) 및 커넥터부(80)는 용접으로 결합하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대는 외장 열전대(100) 및 연장선(110)을 더 포함할 수 있다. 상기 연장선(110)은 테플론, 알루미늄 포일, 금속 쉴드 및 테플론으로 이루어진 와이어로 구성되는 것이 바람직하고, 외피는 약 200 ℃에서 300 ℃ 사이의 온도에서 충분한 내열성을 갖도록 제작하여야 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택 온도 측정용 열전대의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 스택 온도 측정용 열전대는 TC 정션부(10), TC 와이어(20), 세라믹 절연체(30), 슬리브(40), 외장 열전대 절연체(50), 외장 열전대 튜브(60)로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 온도측정부인 TC 정션부(10)는 두 개의 TC 와이어(20)의 접합부이며, 이는 전기계장으로 연결되어 온도에 따른 기전력을 측정하게 된다. 이에 스택에서 생산된 전류가 TC 와이어(20)를 통하여 전기계장으로 흘러가 지 않기 위해서는 전기절연성을 확보하여야 한다. 이를 위해 제1 세라믹r 절연체에 두 개의 홈을 가공하여 각각의 TC 와이어(20)가 서로 분리되고, 외부적으로 슬리브(40)와도 전기절연을 확보함으로써 1차적으로 연료전지 스택에서 만들어진 전기가 외부로 흐르는 것을 차단하게 된다.

또한, 도 2는 도 1을 실제 적용하기 위한 본 발명에 따른 열전대의 상세 구성도이고, 도 3은 도 2의 열전대에서의 TC 정션부의 상세 구성도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 슬리브(40)는 외장 열전대 절연체(50) 및 제2 세라믹 절연체(90)와 연결하기 위하여 커넥터부(80)과 용접으로 결합되고, 상기 외장 열전대 절연체(50) 및 제2 세라믹 절연체(90)를 통하여 외곽의 슬리브(40)와 외장 열전대(100)와 전기절연성을 확보하게 된다.

도 4는 연료전지 스택 분해도 및 연료전지 스택 내부 온도 측정을 위한 열전대의 실시예를 나타낸 개략적인 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 사이의 전해질 매트릭스를 통하여 전기화학반응이 이루어지며, 이 때 각 공급가스의 유로가 되는 부분이 집전판이다. 이 집전판 사이 공간 내에 열전대를 설치하여 온도를 측정하기 위해서는 각 열전대와 스택과는 절연성을 반드시 확보하여야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 온도측정용 열전대는 여러 개를 다발로 묶어 사용하는 것도 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상 의 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.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택 온도 측정용 열전대의 구성도이다.

도 2는 도 1을 실제 적용하기 위한 본 발명에 따른 열전대의 상세 구성도이다.

도 3은 도 2의 열전대에서의 TC 정션부의 상세 구성도이다.

도 4는 연료전지 스택 분해도 및 연료전지 스택 내부 온도 측정을 위한 열전대의 실시예를 나타낸 개략적인 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : TC 정션부 20 : TC 와이어

30 : 제1 세라믹 절연체 40 : 슬리브

50 : 외장 열전대 절연체 60 : 외장 열전대 튜브

70 : 용접부 80 : 커넥터부

90 : 제2 세라믹 절연체 100 : 외장 열전대

110 : 연장선

Claims (10)

1. 온도 측정을 위한 TC 정션부(10);

   상기 TC 정션부와 접합하여 연결되는 TC 와이어(20);

   상기 TC 와이어(20)의 전기 절연을 가능하게 하기 위해 TC 와이어(20)의 외주면 둘레에 설치되는 제1 세라믹 절연체(30);

   상기 세라믹 절연체(30) 외주면 둘레에 설치되는 슬리브(40);

   상기 TC 와이어(20) 및 세라믹 절연체(30)가 연장된 부분의 외주면 둘레에 설치되는 외장 열전대 절연체(50); 및

   상기 외장 열전대 절연체(50)의 외주면 둘레에 설치되는 외장 열전대 튜브(60);

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대.
2. 제1항에 있어서,

   상기 슬리브(40)은 인코넬, 스테인리스 스틸 및 니켈합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대.
3. 제1항에 있어서,

   상기 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대는 제2 세라믹 절연체(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내부 온도 측정용 열전대.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2 세라믹 절연체(90)는 그 전후에 커넥터부(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내부온도 측정용 열전대.
5. 제4항에 있어서,

   상기 커넥터부(80)는 세라믹 본드 계열 물질로 충진되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내부온도 측정용 열전대.
6. 제5항에 있어서,

   상기 세라믹 본드 계열 물질은 MgO, Al₂O₃, ZrO₂ 또는 SiO₂로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상 선택되는 혼합 세라믹 파우더인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내부온도 측정용 열전대.
7. 제4항에 있어서,

   상기 제2 세라믹 절연체(90) 및 커넥터부(80)는 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내부온도 측정용 열전대.
8. 제1항에 있어서,

   상기 연료전지 스택 내부온도 측정용 열전대는 외장 열전대(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내부온도 측정용 열전대.
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