KR101090626B1 - 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택 에 관한 것으로, 복수개의 연료전지용 금속 분리판과, 상기 연료전지용 금속 분리판 사이마다 배치되는 막-전극접합체(MEA)를 포함하는 연료전지 스택의 전압을 검출하는 장치에 있어서, 상기 각 금속 분리판의 간격에 대응되는 위치에 배치되고, 상기 각 금속 분리판 한 장의 두께에 대응되는 슬릿 형태로 상기 금속 분리판의 일측 꼭지점부에 끼워지며, 상기 금속 분리판과 평행한 방향의 단면이 삼각형 형태로 이루어지는 단자 홀과, 상기 단자 홀을 보호하는 외부 커버로 이루어지는 소켓형 전극 단자부와, 상기 연료전지 스택의 일 면을 감싸는 형태로 상기 소켓형 전극 단자부와 일체형으로 연결되어, 모니터링을 위한 회로 소자를 포함하는 인쇄회로기판부 및 상기 소켓형 전극 단자부와 일체형으로 연결될 수 있는 상기 연료전지 스택의 타면을 감싸는 형태로 형성되어, 상기 연료전지 스택의 전압 상황을 모니터로 표시하는 디스플레이부를 포함하는 전압 검출 장치를 제공하는 발명에 관한 것이다.

Description

일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치 {INTERGRATED STACK VOLTAGE MONITORING APPARATUS OF FUEL CELL}

본 발명은 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 연료전지 스택에 대한 전압 검출 장치의 결합 및 모니터링을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

연료전지는 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 연료(수소) 및 공기(산소)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 장치이다.

이러한 연료전지는, 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력(electric power)을 생성하게 된다. 이때, 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과 고분자 전해질막으로 구성된 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 사용되며 막-전극 접합체 양단으로 전도성 물질의 분리판이 체결되어 셀(CELL) 구조를 이루게 된다.

상기와 같은 셀 구조가 적층되어 연료전지 스택을 구성하게 되는데, 현재 상술한 연료전지는 대체 에너지(alternative energy source)로서 다양한 용도로 연구 및 사용되고 있으며, 대표적으로는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)를 들 수 있다. 고분자 전해질막 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 소형화 및 밀폐화가 가능한 장점 등 다양한 장점을 가지고 있다.

때문에, 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신장비, 군사용 장비, 의료기기 등 여러 가지 분야에서 대체에너지로 사용되고 있다.

한편, 일반적으로 연료전지 자동차에 사용되는 스택을 제조하기 위해서는, 다수의 셀을 적층시켜야 하고, 운전시 스택 성능의 저하 예컨대 역전 현상 또는 단락이 발생하지 않도록 상기 적층된 다수의 셀 전압을 항상 측정하여야 한다.

즉, 이러한 연료 전지 스택의 평가는 연료 전지 스택에서 발생되는 전류와 전압 측정으로 이루어지는데 특히, 각 셀(CELL)의 전압 측정은 스택 운전 시, 각 셀의 성능 및 특성을 나타내 주는 중요한 자료가 된다.

따라서 연료 전지 스택이 최적의 상태로 안정적으로 운전되고 갑작스런 성능 감소에 따른 운전 정지를 위해선 각 셀의 전압을 정확하여 모니터링 해야 하며, 그에 따라 셀 전압 측정장치의 정확성이 요구된다.

종래에는, 상기 다수의 셀 전압을 검출하기 위해서, 스택 내의 분리판의 개수만큼 전선과 핀을 납땜하고, 상기 전선과 핀을 지지대에 고정하는 방법이 사용되었다.

그러나 상기와 같은 방식에 의하여 스택 셀의 전압을 검출하는 경우 스택의 흔들림으로 인해 핀이 빠지거나. 스택의 온도가 상승함에 따라 전선이 단락될 가능성이 있었다.

따라서, 상기 핀을 단자 형태로 제작하여 분리판에 고정시키는 방식이 사용되었다.

도 1은 종래 기술에 따른 스택 전압 검출 장치를 도시한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 주요 구성으로서 전기화학 반응을 일으키는 전극과, 전기화학 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막의 접합체인 막-전극 접합체(101, MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 이를 지지하는 분리판(103)으로 이루어져 있다.

이러한 구조의 연료 전지 중 특히, 연료전지 자동차에서는 더 높은 전력을 얻기 위해서 개별 단위 셀(CELL)을 필요한 전위만큼 적층하여 연료 전지 스택(100; Stack)으로 사용한다.

이러한 연료 전지 스택(100)은 다수개의 적층된 분리판(103)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드플레이트(113, 115)가 체결봉(117)에 의해 결합되어 구성되며, 분리판(103)과 막-전극 접합체(101; MEA) 사이에는 가스교환을 효율적으로 하기 위한 가스 확산층(GDL)이 배치될 수 있다.

상기와 같은 구조의 연료 전지 스택(100)에서 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 연료 전지가 효율이 좋게 된다.

이러한 연료 전지 스택의 셀 전압을 측정하기 위한 종전의 셀 전압 측정장치는, 상기 도 1에서와 같이, 연료 전지 스택(100)의 분리판(103) 측면에 돌출부를 형성하여 이 돌출부에 소켓 형식의 전극 단자(130)를 고정하고, 전극 단자(130)에 끼워지는 각각의 분리판(103)들을 커넥터(107)와 연결시켜주는 전선(109)들이 형성된다. 이때, 전극 단자(130)는 전체 분리판(103)을 동시에 끼울 수 있는 형태로 형성될 수도 있고, 소정 개수의 그룹으로 나누어 끼울 수 있는 분할된 형태로도 형성될 수 있다.

그러나 상기와 같은 소켓 형식의 전극 단자(130)는 금속 분리판 제작 시 별도의 돌출부 형성을 고려해야 하는 불편함이 있고, 돌출부의 형상으로 인하여 분리판의 모양이 복잡해지는 문제가 있다.

도 2는 종래 기술에 따른 소켓 형식의 전극 단자와 분리판의 결합관계를 도시한 개략도이다.

도 2를 참조하면, 5장의 금속 분리판(110)이 형성되고, 각각의 분리판 측면에 전극 단자(130)가 끼워질 수 있는 돌출부(120)가 형성된다. 이때, 전극 단자(130)의 내측면에는 돌출부(120)와 대응되는 슬릿(140)이 형성되고, 슬릿(140)이 형성된 면과 반대면에는 슬릿(140) 내에 끼워진 금속 분리판(110)과 전기적으로 연결되어 커넥터(도 1의 107)로 이어지는 전선(109)이 형성된다.

여기서, 돌출부(120)들은 슬릿(140)에 용이하게 끼워질 수 있도록 균일하게 형성되어야 하며, 정확한 정렬이 이루어져야 전극 단자(130)에 형성된 모든 슬릿(140)에 각각의 금속 분리판(110)이 끼워질 수 있다.

이러한 과정은 매우 복잡하고 어려운 작업이기 때문에 작업성이 매우 나쁘고 수 차례 반복 실험에 의한 탈부착 할 경우, 돌출부가 손상되는 현상이 발생될 수 있다. 또한, 돌출부 크기에 한계가 있으므로, 접촉면적이 부족해지는 경우 정확한 셀 전압을 측정하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

아울러, 도 1에 도시된 바와 같이 전극 단자(130)는 엔드 플레이트(113)를 관통하여 형성되는 전선(109)에 의해서 커넥터(107)에 연결된다. 이와 같은 경우 전선들을 일일이 정리해야 함은 물론이고, 각 분리판으로부터 나온 전선들을 구분하여 커넥터(107)에 매치시켜야 하는 불편함이 있다.

상기와 같은 문제들로 인해 연료 전지 스택의 각 셀에 대한 성능을 정확하게 측정할 수 없으며, 각 셀의 성능이 공급 가스의 부족이나 쇼트 등으로 인해 갑작스럽게 저하되었을 경우, 이를 모니터링 하고 해당 연료 전지 스택에 대한 신속한 조치가 취해지지 못하여 연료 전지 스택의 열화를 일으키게 하는 등의 문제들이 발생할 수 있다.

본 발명은 연료전지 스택의 모서리부에 배치되는 소켓형의 전극 단자를 이용함으로써, 별도의 돌출부 형성을 필요로 하지 않도록 하여, 분리판 제조 및 정렬 효율을 향상시킬 수 있고, 모서리부면 어디든 용이하게 탈부착이 가능하도록 하여 각 셀의 특성에 따라 정확한 특성을 측정할 수 있도록 하며, 접촉면적을 자유롭게 조절하고, 검출을 수행하기 위한 각종 소자를 포함하는 인쇄회로기판부 및 결과를 표시할 수 있는 디스플레이부를 일체형으로 형성함으로써, 각 셀의 성능을 용이하게 모니터링 하고 문제 발생시 연료전지 스택에 대한 신속한 조치가 취해지도록 하는 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치는 복수개의 연료전지용 금속 분리판과, 상기 연료전지용 금속 분리판 사이마다 배치되는 막-전극접합체(MEA)를 포함하는 연료전지 스택의 전압을 검출하는 장치에 있어서, 상기 각 금속 분리판의 간격에 대응되는 위치에 배치되고, 상기 각 금속 분리판 한 장의 두께에 대응되는 슬릿 형태로 상기 금속 분리판의 일측 꼭지점부에 끼워지며, 상기 금속 분리판과 평행한 방향의 단면이 삼각형 형태로 이루어지는 단자 홀과, 상기 단자 홀을 보호하는 외부 커버로 이루어지는 소켓형 전극 단자부와, 상기 연료전지 스택의 일 면을 감싸는 형태로 상기 소켓형 전극 단자부와 일체형으로 연결되어, 모니터링을 위한 회로 소자를 포함하는 인쇄회로기판부 및 상기 소켓형 전극 단자부와 일체형으로 연결될 수 있는 상기 연료전지 스택의 타면을 감싸는 형태로 형성되어, 상기 연료전지 스택의 전압 상황을 모니터로 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 소켓형 전극 단자부와 상기 인쇄회로기판부는 솔더링 또는 와이어링에 의해서 직접 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 소켓형 전극 단자부와 상기 디스플레이부는 솔더링 또는 와이어링에 의해서 직접 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 인쇄회로기판부는 외부 모니터링 시스템과 무선 방식으로 통신하는 회로 소자를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 디스플레이부는 LED 디스플레이 패널 또는 LCD 패널인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 소켓형 전극 단자부는 상기 스택의 일측 모서리부 전체를 감싸는 형태로 형성되며, 하나의 상기 소켓형 전극 단자부에 상기 금속 분리판 모두에 대하여 각각 전기적으로 접속될 수 있도록 하는 단자 홀이 포함되도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 소켓형 전극 단자부는 상기 스택의 일측 모서리부 전체를 감싸는 형태로 형성되며, 둘 이상의 상기 소켓형 전극 단자부에 상기 금속 분리판을 그룹 별로 분할한 분할부에 대하여 각각 전기적으로 접속될 수 있도록 하는 단자 홀들이 분산되어 형성되도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 소켓형 전극 단자부는 상기 스택의 일측 모서리부 중 일부분만 감싸는 형태로 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하고, 이웃하는 분할부에 결합되는 상기 소켓형 전극 단자부끼리는 상기 금속 분리판 네 꼭지점부 중 서로 다른 위치에서 결합되는 것을 특징으로 하고, 상기 단자 홀 중 상기 금속 분리판의 측벽과 접촉되는 부분에는 결합상태를 유지시키기 위해 형성되는 가이드돌출부가 더 포함되는 것을 특징으로 하고, 상기 가이드돌출부와 대응되는 위치의 상기 금속 분리판 측벽에는 상기 가이드돌출부가 끼워질 수 있도록 형성되는 체결 홈이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따른 연료전지 스택은 4개의 꼭지점부를 가지는 박판 형태의 금속 본체 중심부에 형성되며 제1면으로부터 제2면으로 돌출되어 형성되는 반응가스 채널 및 상기 제2면에 돌출된 상기 반응가스 채널 사이에 형성되는 냉각수 채널로 이루어지는 채널부와, 상기 채널부의 양측면에 형성되는 매니폴드부와, 상기 매니폴드부의 외곽을 포함하는 상기 금속 본체의 테두리 및 실링을 필요로 하는 부위에 형성되는 가스켓을 포함하되, 상기 금속 본체의 네 꼭지점부 중 어느 하나에 스택 전압 검출 장치의 전극 단자부가 결합되도록 상기 꼭지점부와 인접한 영역의 상기 가스켓이 라운드 처리되어, 꼭지점과 상기 가스켓 사이의 영역에 삼각형 형태의 전극 단자결합 영역이 마련 되도록 한 연료전지용 금속 분리판 및 상기 연료전지용 금속 분리판 사이마다 배치되는 막-전극접합체(MEA)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 연료전지 스택의 측벽에 절연 및 상기 금속 분리판 보호를 위한 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전극 단자결합 영역은 마크표시되거나, 도금에 의해 표시가 되는 것을 특징으로 하고, 상기 전극 단자결합 영역의 상기 금속 분리판 측벽에는 상기 전극 단자부와의 결합을 위한 체결 홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 체결 홈은 반원형 또는 다각형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 체결 홈은 상기 전극 단자결합 영역의 각 금속 분리판 측벽에 하나 이상씩 형성되거나, 톱니 형태가 되도록 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지의 스택 전압 검출 장치는 연료전지 스택의 모서리부에 배치되는 소켓형의 전극 단자를 이용함으로써, 분리판에 별도의 돌출부를 형성하지 않도록 하여, 분리판 제조 단가를 낮출 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

아울러, 본 발명에 따른 스택 전압 검출 장치를 포함하는 연료전지 스택은 분리판 정렬 시 단자 결합을 위해서 돌출부를 일일이 맞추어가며 정렬할 필요가 없고, 금속 분리판의 꼭지점부만 정렬되도록 하므로, 분리판의 정렬 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 스택의 모서리부를 몰딩하는 형태로 단자가 결합되고, 스택의 외부면을 보호하는 동시에 모니터링이 가능한 구조를 제공하므로, 연료전지 스택의 외관이 좋아지고, 스택의 견고성도 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

아울러, 스택의 모서리부면 어느 모서리이든 용이하게 탈부착이 가능하므로, 각 셀의 특성에 따라 정확한 특성을 측정할 수 있도록 하며, 단자의 접촉면적을 자유롭게 조절할 수 있어 각 셀의 성능을 용이하게 모니터링 하고 문제 발생시 전지 스택에 대한 신속한 조치가 취해지도록 하는 효과를 제공한다.

도 1은 종래 기술에 따른 스택 전압 검출 장치를 도시한 개략도.
도 2는 종래 기술에 따른 소켓 형식의 전극 단자와 분리판의 결합관계를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 소켓 형식의 전극 단자와 금속 분리판의 결합관계를 도시한 개략도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택 전압 검출 장치의 실시예들을 도시한 개략도들.
도 6은 본 발명에 따른 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 도시한 개략도.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 연료전지 스택을 구성하는 금속 분리판과 전극 단자의 결합관계를 도시한 평면도들.

이하에서는, 본 발명에 따른 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

즉, 이하 본 발명에 관한 상세한 설명에서는 고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)를 예로 하여 설명한다.

그러나, 이는 설명과 이해의 편의를 위한 것으로서 본 발명의 기술적 사상이 고분자형 연료전지에 반드시 한정된 것으로 이해되어서는 안 된다. 특히, 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 SPEFC(Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell), SPFC(Solid polymer fuel cell), PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell) 및 PEMFC(Proton-Exchange Membrane Fuel Cell)와 같은 용어로도 사용되고 있으므로, 본원발명은 금속분리판 및 전극집전체(Current Collector)를 포함하는 연료전지 분야에 전반적으로 적용되는 것으로 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 소켓 형식의 전극 단자와 금속 분리판의 결합관계를 도시한 개략도이다.

도 3을 참조하면, 금속 분리판(210)과 전극 단자(230)가 형성된 것을 볼 수 있다.

여기서, 먼저 금속 분리판(210)에 대해서 먼저 살펴보면, 금속 분리판(210)의 중심부에 돌출부가 형성되어 있지 않은 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 별도의 공정에 의해서 소재를 낭비하고 불필요한 문제를 유발하던 돌출부를 사용하지 않고, 금속 분리판(210) 본래의 형태를 그대로 유지할 수 있도록 함으로써, 금속 분리판의 제조 효율을 향상시키고, 전압 검출 장치 연결 시 소켓 형식의 전극 단자 결합을 용이하게 할 수 있다.

상기와 같이 금속 분리판(210)의 형태를 변형시키지 않고 전극 단자(230)를 결합시키기 위해서는 금속 분리판(210)의 꼭지점부에 결합시키는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 금속 분리판(210)의 네 꼭지점부 중 선택된는 일측에 전극 단자결합 영역(215)을 마련하되, 잉크 또는 페인트를 이용하여 마크표시하거나, 도금 공정을 수행하여 전극 단자결합 영역(215)의 식별이 용이해지도록 할 수 있다. 이때, 잉크 또는 페인트에는 전도성 소재가 포함되도록 하여, 전극 단자결합 영역(215) 전면에 코팅되도록 할 수 있으며, 일반적인 소재만을 사용하여 경계선 부분만 표시할 수 있다. 또한, 전도성이 좋은 금속 소재를 이용하여 도금 공정을 수행함으로써, 전극 단자(230) 결합 시 전압 검출이 더 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

여기서, 상술한 바와 같이 마크표시 또는 도금 표시는 다양한 형태로 표시될 수 있으며, 이러한 사항은 부가적인 것이므로, 반드시 금속 분리판(210)에 형성되어야 하는 것은 아니며, 그 형태나 방식에 의해서 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

다음으로, 전극 단자(230)에 대해서 살펴보면, 내부에 금속 분리판(210)의 꼭지점부가 끼워질 수 있는 슬릿 형태의 단자 홀(250)이 형성되며, 그 외부에는 단자 홀(250)을 보호할 수 있는 외부 커버가 형성된다. 이때, 외부 커버 형태는 삼각기둥 형태로 도시되었으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 아울러, 외부 커버의 소재는 일반적인 고분자 물질로 형성되도록 하는 것이 바람직하나, 절연성 및 견고성을 지닌 물질이라면 어느 것이든 제한 없이 사용 가능하다.

여기서, 단자 홀(250)은 연료전지 스택 내에 배치되는 금속 분리판(210)의 간격에 대응되는 간격으로 배치되고, 그 선폭은 금속 분리판(210) 보다 10 ~ 20% 정도 더 두껍게 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 금속 분리판(210)과 평행한 면에 대한 단자 홀(250)의 단면 형태는 금속 분리판(210)의 꼭지점부 모양에 대응되는 형태로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 꼭지점부의 모양과 정확하게 일치해야 결합의 견고성이 향상될 수 있기 때문이다.

아울러, 단자 홀(250) 내부에는 금속 분리판(210)과 전압 검출 장치를 전기적으로 연결시키기 위한 금속단자가 포함되고, 이 단자들은 전압 검출 및 모니터링을 위한 인쇄회로기판부(미도시)와 디스플레이부(미도시)에 직접 연결된다.

이때, 전압 검출 장치와 인쇄회로기판부 또는 디스플레이부가 연결되는 방식에 차이가 있을 수 있는데, 그 구체적 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택 전압 검출 장치의 실시예들을 도시한 개략도들이다.

도 4는 소켓형 전극 단자부가 스택의 전체 모서리를 감싸는 형태로 형성된 경우를 도시한 것이고, 도 5는 소켓형 전극 단자부가 분할된 형태로 스택의 모서리부에 결합된 형태를 도시한 것이다.

먼저 도 4를 살펴보면, 연료전지 스택(200A)의 주요 구성으로 연료전지용 금속 분리판(210A)들 사이의 영역에 막-전극접합체(220A)가 형성된다. 이때, 금속 분리판(210A)은 실제 종이와 같은 얇은 박형으로 형성되며 2장이 접합되어 사용되기도 하나, 본 도면에서는 편의상 하나의 두꺼운 층으로 표시하였다.

다음으로, 막-전극접합체(220A)와 금속 분리판(210A) 사이의 영역에는 가스확산층(미도시)이 더 형성될 수 있으나, 여기서는 도시되지 않았다.

이와 같은 구조의 연료전지 스택(200A) 내에 반응가스가 주입되어 전압이 발생하게 되는데, 이러한 연료전지 스택(200A)의 형태를 유지시키기 위하여 스택의 양쪽에 엔드 플레이트(230A, 235A)가 형성되고, 엔드 플레이트(230A, 235A)는 체결봉(240A)에 의해서 스택을 압착시킬 수 있는 구조로 형성된다.

상기와 같은 실시예의 전극 단자부(250A)는 금속 분리판(210A)이 적층되어 형성되는 스택(200A)의 일측 모서리부 전체를 감싸는 형태로 형성된다. 따라서, 스택(200A)의 형태가 간결하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 불필요한 공간의 낭비 없이 스택(200A)에 일체화된 형태로 결합될 수 있고, 종래 보다 더 견고하게 결합될 수 있으며, 하기 도 6과 같이 인쇄회로기판부와 디스플레이부의 결합도 용이하게 할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 다른 실시예로 스택 전압 검출 장치가 일측 모서리부에만 형성되는 것이 아니라 스택의 상부면에 나타나는 양 모서리부에 모두 형성되거나, 스택의 네 모서리부에 모두 형성될 수 있다. 이 경우, 그 만큼 스택의 견고성을 더 향상시킬 수 있게 된다.

이때, 스택을 2분할 하여 각각의 분할 영역 별로 양 쪽에 형성된 전극 단자부를 하나씩 연결하여 사용할 수 있다. 이와 같이 분할 검출을 수행할 경우, 검출 과정을 더 빨리 수행할 수 있으며, 문제가 발생한 부분을 더 빨리 찾아 낼 수 있는 효과를 제공한다.

한편, 모서리부 전체를 감싸는 형태의 전극 단자부는 스택의 외관을 보강하는 몰딩부로서 역할도 하면서, 검출 및 모니터링을 분할하여 수행할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.

다음으로 도 5를 살펴보면, 전극 단자부(250B, 255B)가 분할된 형태로 형성된 것을 볼 수 있다. 이는 금속 분리판(210B)을 소정의 그룹 별로 묶은 뒤 각 그룹에 맞게 전극 단자부(250B, 255B)를 형성하여 결합한 것이다. 아울러, 그 외의 도면 부호들은 하기 부호의 설명을 따른다.

도시된 형태는 이웃하는 그룹 별 전극 단자부(250B, 255B)가 서로 엇갈린 형태로 배열되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 서로 대칭이 되는 모서리부 사이에 형성될 수도 있으며, 네 모서리부를 모두 활용하여 형성될 수도 있다.

이와 같은 경우는 상기 도 4에서와 같이 일체형으로 형성되는 경우 보다는 연료전지 스택(200B) 구조 강화를 위한 몰딩부로서의 역할을 감소되지만, 금속 분리판(210B)을 더 세분화 함으로써, 더 정교한 전압 검출 및 모니터링이 가능해진다. 아울러, 더 다양한 형태의 인쇄회로기판부와 디스플레이부의 결합도 용이하게 할 수 있다.

또한, 문제 발생 영역을 보다 세분화하여 검출할 수 있게 되고, 연료전지 스택(200B)이 설치되는 환경에 따라서 자유롭게 전극 단자부(250B, 255B)의 위치를 변경할 수 있으므로, 더 다양한 활용 범위를 제공한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 스택 전압 검출 장치는 모서리부에 결합되는 소켓형 전극 단자부의 형태에 따라서 다양한 실시예로 형성될 수 있다.

여기서, 인쇄회로기판부와 디스플레이부는 연료전지 스택에 의해 형성되는 면에 각각 형성될 수 있으며, 이하 도 6에서 상세히 설명하는 것으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치에 사용되는 소켓형 전극 단자부 및 이를 수용할 수 있는 금속 분리판의 형태는 상술한 바와 같으며, 이하에서는 이들의 실질적인 결합 형태 및 그 실시예 들에 대해 살펴 보는 것으로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 일체형 연료전지의 스택 전압 검출 장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 도시한 개략도이다.

도 6을 살펴보면, 연료전지 스택(300)의 주요 구성으로 연료전지용 금속 분리판과, 이들 사이의 영역에 형성되는 막-전극접합체가 있다. 그 구체적인 형태는 상기 도 1에 도시된 바와 같으나, 여기서는 간략하게 하나의 블록 형태로만 도시하고, 금속 분리판(310)으로 표시하는 것으로 한다.

다음으로, 금속 분리판(310) 사이의 영역에는 가스확산층(미도시)이 더 형성될 수 있으나, 여기서는 도시되지 않았다. 또한, 연료전지 스택(300)의 형태를 유지시키기 위하여 스택의 양쪽에 엔드 플레이트(미도시)가 형성되고, 엔드 플레이트는 체결봉(미도시)에 의해서 스택을 압착시킬 수 있는 구조로 형성되는데, 이 구조 또한 상기 도 1에 도시된 형태를 따르므로 여기서는 생략하는 것으로 한다.

그 다음으로, 본 발명의 주요 특징적인 사항으로 본 발명에 따른 전극 단자부(350)는 금속 분리판(310)이 적층되어 형성되는 스택(300)의 일측 모서리부 전체를 감싸는 형태로 형성된다.

이와 같이, 전극 단자부(350)가 모서리부에 결합되는 경우, 먼저 스택(300)의 형태가 간결하게 나타나는 것을 알 수 있다. 불필요한 공간의 낭비 없이 스택(300)에 일체화된 형태로 결합될 수 있으며, 따라서 종래 보다 더 견고하게 결합될 수 있다.

또한, 스택(300)에 의해서 형성되는 면들 상부에 도시된 바와 같이 인쇄회로기판부(360) 및 디스플레이부(370)를 더 형성함으로써, 연료전지의 전압을 검출하는 장치를 연료전지 스택 일체형으로 형성할 수 있다.

여기서, 인쇄회로기판부(360)는 전압 검출 및 모니터링을 실시간(in-situ)으로 수행하기 위한 각종 회로 소자들을 포함하고 있다. 스택의 규모가 큰 경우에는 모든 소자들이 인쇄회로기판부(360)에 포함될 수 있으나, 그렇지 못한 경우에는 보조 인터페이스단자(380) 및 커넥터(390)에 의해서 외부 모니터링 장치와 연결될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 인쇄회로기판부(360)는 외부 모니터링 장치와 무선 방식으로 통신할 수 있는 회로 소자들을 더 포함할 수 있다.

이와 같은 인쇄회로기판부(360)는 스택의 모서리부에 형성되는 전극 단자부(350)와 제1 솔더 또는 제1 와이어(365)에 의해서 직접 연결될 수 있으며, 인쇄회로기판부(360)와 금속 분리판(310) 사이의 영역에선 절연 및 완충을 위한 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수 있다.

다음으로, 디스플레이부(370)는 연료전지 스택(300)의 일 면을 감싸는 형태로 형성되며, 본 발명에 따른 전극 단자부(350)와 일체형으로 형성된다. 디스플레이부(370)는 LED 디스플레이 패널 또는 LCD 패널로 형성되어, 인쇄회로기판부(360)에서 검출된 각종 데이터를 실시간으로 표시할 수 있으며, 각종 그래프 정보나, 오류코드 정보를 신속하게 나타낼 수 있다.

디스플레이부(370)또한 인쇄회로기판부(360)와 마찬가지로 전극 단자부(350)와 제2 솔더 또는 제2 와이어(375)에 의해서 직접 연결될 수 있으며, 금속 분리판(310)과 디스플레이부(370) 사이에 버퍼층이 더 형성될 수 있다.

아울러, 인쇄회로기판부(360)와 디스플레이부(370)가 형성되는 스택(300)의 면에는 제한이 없으며, 전극 단자부(350)와 일체형으로만 연결되는 형태이면 어느 형태든 가능하다.

따라서, 본 발명에 따른 전극 단자부(350)는 일측 모서리부에만 형성되는 것이 아니라 스택(300)의 상부면에 나타나는 양 모서리부 즉, 인쇄회로기판부(360)의 양측을 잡아 주는 형태로도 형성될 수 있다. 아울러, 동일한 형태로 디스플레이부(370)에도 적용될 수 있으며, 이러한 경우 그 만큼 스택(300)의 견고성을 더 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 경우, 스택(300)에 포함되는 금속 분리판(310)들을 분할 하여 각각의 분할 영역 별로 양 쪽에 형성된 전극 단자부(350)에 하나씩 연결하여 사용할 수 있다.

그에 따른 효과로 검출 과정을 더 빨리 수행할 수 있으며, 문제 발생시 문제가 발생한 부분을 더 빨리 찾아 낼 수 있는 효과를 제공한다. 이와 같이, 모서리부 전체를 감싸는 형태의 전극 단자부(350)는 스택(300)의 외관을 보강하는 몰딩부로서 역할도 하면서, 검출 및 모니터링을 분할하여 수행할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 스택(300)의 네 모서리부 모두에 동일한 형태의 전극 단자부(350)를 형성할 수도 있다.

아울러, 전극 단자부(350)를 분할하여 사용할 수도 있으며, 금속 분리판(310)을 더 세분화 함으로써, 더 정교한 전압 검출 및 모니터링할 수 있다. 또한, 문제 발생 영역을 보다 세분화하여 검출할 수 있게 되고, 스택(300)이 설치되는 환경에 따라서 자유롭게 전극 단자부(350)의 위치를 변경할 수 있으므로, 더 다양한 활용 범위를 제공하도록 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 스택 전압 검출 장치는 모서리부에 결합되는 소켓형 전극 단자부의 형태에 따라서 다양한 실시예로 형성될 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 소켓형 전극 단자부는 스택을 구성하는 금속 분리판의 형태에 따라서도 다양한 실시예로 사용될 수 있는데, 이러한 구성을 포함하는 본 발명의 연료전지 스택에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 연료전지 스택을 구성하는 금속 분리판과 전극 단자의 결합관계를 도시한 평면도들이다.

도 7은 본 발명에 따른 연료전지 스택을 구성하는 금속 분리판의 일부분만을 도시한 것으로, 먼저 4개의 꼭지점부를 가지는 사각형 박판 형태의 금속 본체(510)가 형성된다.

다음으로, 금속 본체(510)의 중심부에는 제1면으로부터 제2면으로 돌출되어 형성되는 반응가스 채널 및 제2면에 돌출된 반응가스 채널 사이에 형성되는 냉각수 채널로 이루어지는 채널부(520)가 형성된다. 여기서, 정면에 도시된 면을 제1면이라고 하면, 도시된 면에서 반응가스가 흐르게 되는 것이고, 도시된 면이 제2면이라고 하면, 도시된 면에서 냉각수가 흐르게 되는 것이다.

그 다음으로, 채널부(520)의 양 측면에 매니폴드부(530, 535, 540)가 형성된다. 여기서는, 일측 매니폴드부는 생략한 것이며, 매니폴드부는 공기가 순환하는 매니폴드(530), 냉각수가 순환하는 매니폴드(535) 및 수소가 순환하는 매니폴드(540)로 구분되며, 상기 기재된 순서에 제한 없이 자유롭게 배치될 수 있다.

그 다음으로, 매니폴드부(530, 535, 540)의 외곽 및 금속 본체(510)의 테두리를 감싸고, 그 외에 실링을 필요로 하는 부위에 가스켓(560)이 형성된다. 이때, 금속 본체(510)의 네 꼭지점부와 인접한 가스켓(560)은 라운드처리하여, 상술한 바와 같은 본 발명의 전극 단자부가 결합될 수 있는 공간을 확보하도록 한다.

이러한 경우, 라운드 처리된 가스켓(560)의 곡률 반경(R1)에 비례하게 접촉면적이 조절될 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같이 전극 단자부에 포함되는 단자 홀(550)의 결합 면적이 표시될 수 있다.

도 8의 경우, 가스켓(660)의 곡률 반경(R2)을 도 7의 경우보다 증가시킨 형태의 금속 본체(610)를 도시한 것이다. 이 경우 단자 홀(650)이 결합되는 면적이 확연하게 증가되는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따라 금속 분리판의 꼭지점 부, 즉 금속 분리판이 적층되어 형성되는 스택의 모서리부에 결합되는 소켓형 전극 단자부의 결합 면적은 가스켓(660)의 곡률 반경 조절에 따라서 자유롭게 조절이 가능하다.

이때, 가스켓(660)의 곡률 반경에 의해서 조절되는 전극 단자결합 영역에는 상기 도 2에서 설명한 바와 같이 마크표시 및 체결 홈과 같은 다양한 형태의 가공이 가능하다.

도 9의 경우는 전극 단자결합 영역에 체결 홈을 형성한 것을 도시한 것이다.

전극 단자결합 영역(715)의 금속 본체(710) 측벽에는 전극 단자부와의 견고한 결합을 위한 체결 홈(715a, 715b)이 더 형성된다.

여기서, 체결 홈(715a, 715b)은 반원형 또는 다각형과 같은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 또한, 체결 홈(715a, 715b)은 전극 단자결합 영역(715)의 각 금속 분리판 측벽에 하나 이상씩 형성될 수 있으며, 톱니 형태가 되도록 연속적으로 형성될 수도 있다.

이러한 경우, 전극 단자부 내부에 형성되는 단자 홀(750)에는 체결 홈(715a, 715b)과 대응되는 위치에 가이드돌출부(755a, 755b)가 더 형성되도록 하여, 금속 분리판과 전극 단자부의 결합 상태가 더 견고하게 유지될 수 있도록 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지의 스택 전압 검출 장치는 소켓 형식의 전극 단자부를 사용하되, 종래의 돌출형 결합부를 같는 연료전지 스택을 사용하는 것이 아니라 모서리부에 결합될 수 있는 형태의 전극 단자부 및 금속 분리판을 사용함으로써, 연료전지 스택 제조 과정을 간소화시키면서도 용이하게 결합이 가능한 전압 검출 장치를 형성할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 소켓형 전극 단자부는 스택의 모서리부를 감싸는 몰딩부로써 활용이 가능하며, 분할된 형태로도 자유롭게 활용이 가능하다.

또한, 상기 구조에 상술한 바와 같이 인쇄회로기판부 및 디스플레이부와 같이 전압 검출 및 모니터링을 수행하는 장치를 스택 일체형으로 결합시킴으로써, 각 셀의 정보를 신속하게 파악할 수 있도록 할 수 있다.

이러한 일체형 구조에서는 별도의 케이블들이 구비되지 않아도 되므로, 연료전지 스택 제조 공정이 용이해지며, 케이블들의 단락이나 단선에 의한 고장 및 불량률도 현저하게 감소시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

210, 210A, 210B, 310 : 금속 분리판
215 : 전극 단자결합 영역
230 : 전극 단자
250, 550, 650, 750 : 단자 홀
200A, 200B, 300 : 스택
220A, 220B : 막-전극접합체
230A, 235A, 230B, 235B : 엔트 플레이트
240A, 240B : 체결봉
250A, 250B, 255B, 350 : 전극 단자부
360 : 인쇄회로기판부 365, 375 : 제1 및 제2 와이어
370 : 디스플레이부 380 : 인터페이스단자
390 : 커넥터 510, 610, 710 : 금속 본체
520 : 채널부 530 : 공기가 순환하는 매니폴드
535 : 냉각수가 순환하는 매니폴드 540 : 수소가 순환하는 매니폴드
560, 660 : 가스켓 715 : 전극 단자결합 영역
715a, 715b : 체결 홈 755a, 755b : 가이드돌출부

Claims (17)

1. 복수개의 연료전지용 금속 분리판과, 상기 연료전지용 금속 분리판 사이마다 배치되는 막-전극접합체(MEA)를 포함하는 연료전지 스택의 전압을 검출하는 장치에 있어서,
   상기 각 금속 분리판의 간격에 대응되는 위치에 배치되고, 상기 각 금속 분리판 한 장의 두께에 대응되는 슬릿 형태로 상기 금속 분리판의 일측 꼭지점부에 끼워지며, 상기 금속 분리판과 평행한 방향의 단면이 삼각형 형태로 이루어지는 단자 홀과, 상기 단자 홀을 보호하는 외부 커버로 이루어지는 소켓형 전극 단자부;
   상기 연료전지 스택의 일 면을 감싸는 형태로 상기 소켓형 전극 단자부와 일체형으로 연결되어, 모니터링을 위한 회로 소자를 포함하는 인쇄회로기판부; 및
   상기 소켓형 전극 단자부와 일체형으로 연결될 수 있는 상기 연료전지 스택의 타면을 감싸는 형태로 형성되어, 상기 연료전지 스택의 전압 상황을 모니터로 표시하는 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 소켓형 전극 단자부와 상기 인쇄회로기판부는 솔더링 또는 와이어링에 의해서 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 소켓형 전극 단자부와 상기 디스플레이부는 솔더링 또는 와이어링에 의해서 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 인쇄회로기판부는 외부 모니터링 시스템과 무선 방식으로 통신하는 회로 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 디스플레이부는 LED 디스플레이 패널 또는 LCD 패널인 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 소켓형 전극 단자부는 상기 스택의 일측 모서리부 전체를 감싸는 형태로 형성되며, 하나의 상기 소켓형 전극 단자부에 상기 금속 분리판 모두에 대하여 각각 전기적으로 접속될 수 있도록 하는 단자 홀이 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 소켓형 전극 단자부는 상기 스택의 일측 모서리부 전체를 감싸는 형태로 형성되며, 둘 이상의 상기 소켓형 전극 단자부에 상기 금속 분리판을 그룹 별로 분할한 분할부에 대하여 각각 전기적으로 접속될 수 있도록 하는 단자 홀들이 분산되어 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 소켓형 전극 단자부는 상기 스택의 일측 모서리부 중 일부분만 감싸는 형태로 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   이웃하는 분할부에 결합되는 상기 소켓형 전극 단자부끼리는 상기 금속 분리판 네 꼭지점부 중 서로 다른 위치에서 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자 홀 중 상기 금속 분리판의 측벽과 접촉되는 부분에는 결합상태를 유지시키기 위해 형성되는 가이드돌출부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가이드돌출부와 대응되는 위치의 상기 금속 분리판 측벽에는 상기 가이드돌출부가 끼워질 수 있도록 형성되는 체결 홈이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 전압 검출 장치.
    
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