KR101154224B1 - Integrated multi-measurement apparatus for gas diffusion layer of fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 셀 또는 스택의 핵심구성품인 기체확산층(GDL, gas diffusion layer)의 물성 및 성능을 평가하는 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지의 기체확산층 물성 및 성능 측정 시 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등의 물성변화를 동시에 측정하고, 기체가 시편과 직각(through-plane) 및 평행(in-plane) 방향으로 통과되는 투과도 모두를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 열전반도체 모듈(thermoelectric module, 50)을 이용한 열전유닛(thermoelectric unit)을 적용하여 인입되는 기체의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention relates to an apparatus for evaluating the properties and performance of a gas diffusion layer (GDL), which is a key component of a fuel cell or stack, and specifically, the length according to pressure when measuring the properties and performance of a gas diffusion layer of a fuel cell. Thermoelectric module, as well as measuring the change in physical properties such as resistance, differential pressure, etc., and measuring the permeability through which gas passes through the specimen in the through-plane and in-plane directions. It is an object of the present invention to provide a device that can control the temperature and humidity of the gas to be introduced by applying a thermoelectric unit using the (50).

연료전지의 단위 셀 또는 스택 내에서 기체확산층은 반응기체와 생성물인 물의 이동 통로이며 열전도, 전기전도가 일어나는 매체로 실제 운전 시 기체확산층은 체결 압을 받기 때문에 체결 상태에서 일어나는 물성변화를 측정 및 평가하는 것은 매우 중요하다 할 수 있다. 또한 연료전지에서 체결 압의 정도가 연료전지 성능에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 최적 체결 조건을 아는 것은 매우 중요하다. 이러한 최적 체결 조건은 압력에 따른 두께와 접촉저항, 기체투과도의 최적 구간 안에서 찾을 수 있으며. 인입되는 기체의 온도 및 습도 조절은 상기 특성을 측정 및 평가하는데 있어서 필수적인 요소이다. 이는 연료전지 운전 시 효율 최적화를 위해 가열된 기체를 공급하게 되고, 아울러 고분자 막의 수화(hydration)를 위해 가습공기를 공급하므로 온도 및 상대습도에 따른 기체확산층 내에서의 기체유동 특성을 이해하는 것은 상당히 중요하기 때문이다.In the unit cell or stack of a fuel cell, the gas diffusion layer is a movement path between the reactant body and the product water, and is a medium in which thermal and electrical conduction occurs. It is very important to do that. In addition, it is very important to know the optimal fastening condition because the effect of fastening pressure on fuel cell performance is very large. These optimum fastening conditions can be found within the optimum range of thickness, contact resistance and gas permeability according to pressure. Temperature and humidity control of the incoming gas is an essential element in measuring and evaluating these properties. This provides a heated gas for optimizing the efficiency of fuel cell operation and humidifying air for hydration of the polymer membrane, so understanding the gas flow characteristics in the gas diffusion layer according to temperature and relative humidity is quite significant. Because it is important.

연료전지, 기체확산층, 기체투과도, 물성 평가 장치, 열전모듈, 열전유닛 Fuel cell, gas diffusion layer, gas permeability, physical property evaluation device, thermoelectric module, thermoelectric unit

Description

일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치{Integrated multi-measurement apparatus for gas diffusion layer of fuel cell}Integrated multi-measurement apparatus for gas diffusion layer of fuel cell

본 발명은 연료전지의 단위 셀 또는 스택의 핵심구성품인 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 인입되는 기체의 온도 및 습도 조절이 가능한 상태에서 측정하는 물성 평가 장치에 관한 것으로서, 기체확산층의 여러 가지 물성을 동시에 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a physical property evaluation device for measuring the length, resistance, differential pressure, etc. according to the pressure of the gas diffusion layer that is the core component of the unit cell or stack of the fuel cell in the state that the temperature and humidity of the incoming gas can be adjusted. The present invention relates to a device capable of simultaneously measuring various physical properties.

연료전지는 공급 원료인 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하여 전기에너지를 생산하는 고효율, 친환경의 차세대 발전시스템이라고 할 수 있으며, 산화환원 반응을 이용한다는 점에서 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계 내에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리 연료전지는 외부에서 연속적으로 반응물이 공급되어 반응생성물이 연속적으로 계 외로 제거된다.A fuel cell is a high efficiency, eco-friendly next-generation power generation system that produces electric energy by using electrochemical reaction of hydrogen and oxygen as feedstocks.It is basically the same as a normal chemical cell in that it uses a redox reaction. In contrast, unlike a chemical cell that performs a cell reaction in a closed system, a fuel cell is continuously supplied with reactants from the outside, and the reaction product is continuously removed from the system.

이러한 연료전지의 종류를 살펴보면 크게 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC), 고분자전해질형(PEFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC) 등이 있으며, 본 발명과 관련한 연료전지는 고분자전해질 연료전지이다.Looking at the type of such fuel cells are largely phosphate (PAFC), alkali (AFC), polymer electrolyte (PEFC), molten carbonate (MCFC), solid oxide type (SOFC), etc. The fuel cell according to the present invention Is a polymer electrolyte fuel cell.

고분자전해질 연료전지의 주요 구성품은 고분자전해질 막과 다공질의 양 극(anode)과 음극(cathode), 기체확산층(30) 그리고 셀 또는 스택을 구성하기 위한 분리판(32) 및 전류집전판(33)으로 이루어져 있다. 특히 양극과 음극의 두 전극을 고분자전해질 막에 열간 압착 방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막 전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라고 하는데 이러한 MEA(31)의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.The main components of the polymer electrolyte fuel cell include a polymer electrolyte membrane, a porous anode and a cathode, a gas diffusion layer 30, and a separator 32 and a current collector plate 33 for forming a cell or a stack. Consists of In particular, the two electrodes, the positive electrode and the negative electrode, are attached to the polymer electrolyte membrane by hot pressing. The polymer electrolyte membrane electrode assembly (MEA) is a core of the polymer electrolyte fuel cell. can do.

연료전지 스택(40)은 전기화학반응이 일어나는 단위 셀(unit cell)을 수십 또는 수백 개씩 적층하여 구성하게 되는데 단위 셀이나 스택은 구성품간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판(end plate)을 타이로드(tie rod)나 공기압으로 압착하게 되어 있다. 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구 냉각수 순환구, 전원 출력을 위한 연결단자가 설치되어 있다.The fuel cell stack 40 is formed by stacking dozens or hundreds of unit cells in which electrochemical reactions occur. The unit cells or stacks have tie rods (end plates) on both end plates in order to reduce contact resistance between components. It is compressed by tie rod or air pressure. Both end plates are provided with outlet and inlet coolant circulation ports of the reactor body and connecting terminals for power output.

도 3은 고분자전해질 연료전지 스택에 대한 구체적인 구조를 확인할 수 있는 분해사시도이다. 도 3에서 보는바와 같이 양측 단에는 전류집전체(current collector, 33)가 있고, 가운데에는 고분자전해질 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA, 31)가 있으며, 전류집전체와 고분자전해질 막 전극 접합체 사이에는 기체확산층(30)이 각각 위치하고 있는 모습을 확인할 수 있다. 또한 각각의 전류집전체는 분리판(32)과 기체 입구 및 출구관이 형성되어 있음을 알 수 있다.3 is an exploded perspective view showing a specific structure of the polymer electrolyte fuel cell stack. As shown in FIG. 3, there are current collectors 33 at both ends, and a polymer electrolyte membrane electrode assembly (MEA) 31 is located at the center, between the current collector and the polymer electrolyte membrane electrode assembly. In the gas diffusion layer 30 can be seen that each is located. In addition, it can be seen that each current collector has a separator 32 and gas inlet and outlet tubes formed therein.

도 4는 연료전지 시스템의 개념도를 나타낸 것이다. 연료전지 시스템은 연료전지 스택(40), 전력변환장치(inverter, 42), 연료처리장치(개질기, reformer, 41), 주변장치(BOP, balance of plant) 등으로 구성되며 연료전지의 핵심 구성품이 라고 할 수 있는 연료전지 스택(40)은 전극-전해질 막(MEA) 및 기체확산층(30), 분리판(32) 등을 포함하는 단위 셀의 적층구조로 이루어져 있다.4 shows a conceptual diagram of a fuel cell system. The fuel cell system consists of a fuel cell stack 40, a power converter 42, a fuel processor (reformer 41) and a balance of plant (BOP). The fuel cell stack 40 may be a stack structure of unit cells including an electrode-electrolyte membrane (MEA), a gas diffusion layer 30, a separator 32, and the like.

고분자전해질 연료전지는 높은 출력밀도 및 100℃ 이하의 낮은 작동온도와 전해질의 높은 부식 저항성 등의 장점을 비롯하여 설치장소의 제약이 적고, 설비 구조의 단순화가 가능하며 편리한 운전 안정성 및 높은 반복 작동 안전성, 상온에서의 작동 및 짧은 시동 시간 등의 장점을 지니고 있어 산업용뿐만 아니라, 주거용, 승용차용, 버스용, 상업용으로의 적용이 가능하고, 1Kw 미만의 소형 연료전지 및 서브 와트(sub watt)급의 IT용까지 넓은 범위의 제품에 적용할 수 있다.The polymer electrolyte fuel cell has the advantages of high power density, low operating temperature of less than 100 ℃ and high corrosion resistance of electrolyte, and has few restrictions on installation place, simplifies the structure of facility, convenient operation stability and high repeat operation safety, It has advantages such as operation at room temperature and short start-up time, so it can be applied not only for industrial use but also for residential, passenger car, bus, commercial use, small fuel cell less than 1Kw and sub watt IT It can be applied to a wide range of products.

상기에 언급한 단위 셀 또는 스택 내에서 기체확산층(30)은 반응기체와 생성물인 물의 이동 통로이며 열전도, 전기전도가 일어나는 매체로 실제 운전 시 기체확산층(30)은 체결 압을 받기 때문에 체결 상태에서 일어나는 물성변화를 측정 및 평가하는 것은 매우 중요하다 할 수 있다.In the above-mentioned unit cell or stack, the gas diffusion layer 30 is a moving passage between the reactant body and the product water and is a medium in which thermal and electrical conduction occurs. It is very important to measure and evaluate the property changes that occur.

기체확산층(30)의 재질은 carbon paper, carbon felt, carbon cloth 등으로 이루어져 있으며, 연료전지의 전체 스택(40)에서 기체확산층(30)이 차지하는 가격 비중이 25%에 이를 정도로 중요한 핵심 구성품 중의 하나이다.The material of the gas diffusion layer 30 is made of carbon paper, carbon felt, carbon cloth, etc., and is one of the key components such that the price of the gas diffusion layer 30 in the entire stack 40 of the fuel cell reaches 25%. .

이러한 기체확산층(30)은 전극으로 공급되는 연료가 원활히 공급되고, 생성된 물 및 전기가 외부로 배출되는 통로 역할을 하게 되며 전기전도도, 수분 및 기체의 이동성이 좋아야하며 부식 저항성과 열전도도 등이 매우 우수하여야 한다.The gas diffusion layer 30 has a smooth supply of fuel supplied to the electrode, serves as a passage through which the generated water and electricity are discharged to the outside, and has good electrical conductivity, mobility of moisture and gas, and corrosion resistance and thermal conductivity. It must be very good.

연료전지 스택 설계 및 제작에 있어서 이러한 기체확산층(30)의 기초 물성 값(두께, 접촉 저항, 기체투과도, 압축도)은 매우 중요한 인자이며, 기초 물성 각각에 대한 측정이 가능한 장치는 현재도 존재한다. 하지만 실제 스택 체결 조건에서는 물성 값이 동시에 변하기 때문에 개별 물성 값보다 실제 체결 조건에서 가지는 물성 값을 동시에 파악하는 것이 연료전지 스택(40)의 최적 설계 및 제작에 필수적인 요소이다.In the design and fabrication of fuel cell stacks, the basic property values (thickness, contact resistance, gas permeability, and compressibility) of the gas diffusion layer 30 are very important factors, and there are present apparatuses capable of measuring each of the basic properties. . However, since the physical property values change at the same time in the actual stack fastening conditions, it is essential to optimally design and manufacture the fuel cell stack 40 to simultaneously determine the physical property values of the actual fastening conditions rather than the individual property values.

또한 종래의 기체확산층(30) 평가 장치에서의 기체투과도 측정은 시편과 직각 방향으로 통과하는 투과도(through-plane permeability)만이 가능하여, 시편과 평행 방향으로 가로질러 통과하는 투과도(in-plane permeability)는 측정하지 못하는 단점이 있다. 기체가 시편과 가로질러 통과하는 in-plane 투과도는 기체확산층(30)의 물성 값 자체로도 중요할 뿐만 아니라, 분리판(32) 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션을 할 때 기체확산층(30)으로의 우회 유동을 예측하는데 있어서 매우 중요한 인자로 사용된다.In addition, the gas permeability measurement in the conventional gas diffusion layer 30 evaluation device is only possible through-plane permeability passing in the direction perpendicular to the specimen, in-plane permeability passing across the specimen in a parallel direction There is a disadvantage that can not measure. The in-plane permeability through which the gas passes across the specimen is not only important for the property values of the gas diffusion layer 30 itself, but also the bypass flow to the gas diffusion layer 30 when the separator 32 is designed and computer simulated. It is used as a very important factor in predicting.

또한 연료전지 운전 시 고분자 막의 수화(hydration)를 위해 가습된 공기를 공급하므로 상대습도에 따른 기체확산층(30) 내에서의 기체 유동 특성을 이해하는 것은 중요하다. 하지만 종래의 기체확산층(30) 평가 장치의 경우 상대습도를 정확히 제어할 수 있는 것이 전무한 상태이다.In addition, it is important to understand the gas flow characteristics in the gas diffusion layer 30 according to relative humidity because humidified air is supplied for hydration of the polymer membrane during fuel cell operation. However, in the conventional gas diffusion layer 30 evaluation apparatus, there is no state in which the relative humidity can be accurately controlled.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 연료전지의 기체확산층(30) 물성 평가 시 체결 압력에 따른 물성 변화를 동시에 측정 가능하게 하고, 기체가 시편과 직각 방향으로 통과하는 through-plane 투과도뿐만 아니라 시편과 평행 방향으로 가로질러 통과하는 in-plane 투과도를 측정할 수 있는 장비를 제공하고자 한다. 아울러 기체확산층(30)의 압력에 따른 두께, 저항, 차압 등의 변화를 동시에 측정 가능하게 함으로서 압력에 따른 두께와 접촉 저항과 기체투과도의 최적 구간을 쉽게 파악할 수 있게 됨으로서 연료전지 성능에 미치는 영향이 매우 큰 최적의 체결 조건을 찾을 수 있다.In order to solve the above problems, in the present invention, when the physical properties of the gas diffusion layer 30 of the fuel cell are evaluated, the physical property change according to the fastening pressure can be simultaneously measured, and not only the through-plane permeability through which the gas passes in the direction perpendicular to the specimen, It is intended to provide an instrument that can measure in-plane permeability across a specimen in parallel directions. In addition, it is possible to measure changes in thickness, resistance, and differential pressure according to the pressure of the gas diffusion layer 30 at the same time, so that the optimum range of the thickness, contact resistance, and gas permeability according to pressure can be easily understood, thereby affecting fuel cell performance. Very large optimum tightening conditions can be found.

또한 본 발명의 장치에 있어서 기체확산층(30) 물성 평가 장치 시스템의 온도 조절이 가능하고, 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛을 이용하여 인입되는 기체에 포함된 수분량을 조절하여 상대습도에 따른 기체확산층(30)의 차압 거동을 측정할 수 있으며, 부가적으로 필요에 따라 인입되는 기체의 온도를 조절할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In the apparatus of the present invention, it is possible to control the temperature of the gas diffusion layer 30 property evaluation system, and to adjust the amount of water contained in the gas introduced by using the thermoelectric unit using the thermoelectric module 50, according to the relative humidity It is an object of the present invention to provide a device capable of measuring the differential pressure behavior of the diffusion layer 30 and additionally controlling the temperature of the gas introduced therein as necessary.

상기한 바와 같이 종래의 기체확산층(30) 물성 평가 장치가 가지는 단점을 제거하고자 하는 본 발명의 일체형 연료전지 기체확산층(30) 물성 평가 장치에 있어서, 기체확산층 시편(26)에 압력을 가하는 모터(10) 및 로드(70)와;In the integrated fuel cell gas diffusion layer 30 physical property evaluation device of the present invention to eliminate the disadvantages of the conventional gas diffusion layer 30 property evaluation device as described above, a motor for applying pressure to the gas diffusion layer specimen 26 10) and rod 70;

모터(10) 및 로드(70)의 가압에 따라 하강하여 기체확산층 시편(26)을 고정할 수 있는 도금된 상부 지그(20)의 윗면을 가압하도록 구성되고, 두께 변화를 측정할 수 있는 두께 게이지(thickness gauge, 80))가 고정 설치된 플레이트(90')와;A thickness gauge configured to pressurize the upper surface of the plated upper jig 20 capable of descending in response to the pressurization of the motor 10 and the rod 70 to fix the gas diffusion layer specimen 26 and measuring the change in thickness. (thickness gauge 80) fixedly installed plate 90 ';

모터(10)와 로드(70)의 가압에 따라 하강하는 플레이트(90')의 하부와 접촉되어 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(26)을 가압하고, 공급된 기체가 기체확산층(30) 및 내부 통로를 지난 후 배출되는 기체 출구(22)가 있으며, 도금된 표면 한 지점에는 밀리옴 미터(mili-ohm meter)와의 연결 단자부(24)가 형성된 상부 지그(20)와;In contact with the lower portion of the plate 90 ′ which descends according to the pressure of the motor 10 and the rod 70, the gas diffusion layer specimen 26 positioned in the lower direction is pressed, and the supplied gas is supplied to the gas diffusion layer 30 and the interior thereof. A gas outlet 22 which is discharged after passing through the passage, and an upper jig 20 having a connection terminal 24 to a mili-ohm meter at one point of the plated surface;

상부 지그(20) 하부에 설치되어 기체확산층 시편(26)에 가해지는 압력을 지지하고 한 면에 기체확산층 시편(26)에 기체를 공급하는 기체 입구(23)가 형성되어 공급된 기체가 내부 통로를 지난 후 기체확산층 시편(26)을 통과하도록 구성되며, 한 지점에는 밀리옴 미터와의 연결 단자부(24)가 형성된 도금된 하부 지그(21)와;A gas inlet 23 is installed below the upper jig 20 to support the pressure applied to the gas diffusion layer specimen 26 and to supply gas to the gas diffusion layer specimen 26 on one surface thereof so that the supplied gas passes through the inner passage. A plated lower jig 21 configured to pass through the gas diffusion layer specimen 26 after passing through, and at one point, a connection terminal 24 to a milliohm meter;

상기 기체확산층 시편(26)을 고정할 수 있는 도금된 상부 및 하부 지그(20, 21)에 각각 설치된 밀리옴 미터 연결 단자부(24)와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리옴 미터와;A milliohm meter connected to a milliohm meter connecting terminal part 24 provided on each of the plated upper and lower jigs 20 and 21 capable of fixing the gas diffusion layer specimen 26 and a wire to measure resistance;

내부에 로드 인디케이터(load indicator), 모터 스피드 컨트롤러(motor speed controller) 및 로드 컨트롤러(load controller)가 장치되어 있으며 모터(10) 및 로드(70)에 의해 가압된 기체확산층 시편(26)의 in-plane과 through- plane에서의 차압을 측정하는 차압측정계로 구성되어 있는 컨트롤 박스(control box, 60)와;There is a load indicator, a motor speed controller and a load controller in the inside of the gas diffusion layer specimen 26 pressurized by the motor 10 and the rod 70. a control box 60 comprising a differential pressure gauge for measuring differential pressure in a plane and through-plane;

컨트롤 박스(60)를 통해 전달되는 정보를 실시간으로 받아 자료를 취합하고 해석할 수 있는 프로그램이 설치된 컴퓨터(중앙처리장치, 61)와;A computer (central processing unit) 61 in which a program for collecting and interpreting data is received in real time by receiving information transmitted through the control box 60;

기체확산층 물성 평가 장치 하단에 설치되어 인입되는 기체의 온도 및 상대습도를 조절할 수 있는 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛을 특징으로 하는 연료전지 단위 셀 또는 스택의 핵심 구성품인 기체확산층(30)의 압력에 따른 두께, 저항, 차압 등을 동시에 측정할 수 있는 물성 평가 장치를 제공함으로서 달성된다.The gas diffusion layer 30, which is a key component of a fuel cell unit cell or stack, is characterized by a thermoelectric unit using a thermoelectric module 50, which is installed at the bottom of the gas diffusion layer property evaluation apparatus and can adjust temperature and relative humidity of incoming gas. It is achieved by providing a physical property evaluation apparatus capable of simultaneously measuring the thickness, resistance, differential pressure and the like according to the pressure.

본 발명에 있어서 연료전지 기체확산층(30)의 물성을 체결 압력에 따라서 두께, 접촉 저항 및 기체투과도 등을 동시에 측정할 수 있게 됨으로서 실제 체결 조건에서의 기체확산층(30) 물성 값 변화 거동을 평가할 수 있게 되어 연료전지 단위 셀 또는 스택(40) 설계 및 제작 등에 매우 유용한 평가 자료로 활용할 수 있다.In the present invention, it is possible to simultaneously measure the thickness, contact resistance and gas permeability of the fuel cell gas diffusion layer 30 according to the fastening pressure, thereby evaluating the behavior of the gas diffusion layer 30 property value change under actual fastening conditions. It can be used as an evaluation material that is very useful for designing and manufacturing a fuel cell unit cell or stack 40.

아울러 측정된 평가 자료를 실시간으로 받아서 분리 및 해석을 함으로서 신뢰성 있는 데이터 구축 및 사용자 편의성을 극대화 할 수 있다.In addition, by receiving and evaluating measured data in real time, it is possible to maximize reliable data construction and user convenience.

또한 연료전지 기체확산층(30) 물성 평가 장치 시스템의 온도를 조절하고 상대습도에 따라 기체확산층(30)에 걸리는 차압을 측정할 수 있게 됨으로서 실제 연료전지 스택(40) 체결 조건과 유사하게 환경을 조성할 수 있게 되어 유용하고 정확한 기체확산층(30)의 물성 값을 바탕으로 최적의 연료전지 체결 조건을 잡을 수 있으며 기체확산층(30) 내의 이상 유동(two phase)을 이해할 수 있다.In addition, it is possible to adjust the temperature of the fuel cell gas diffusion layer property evaluation system and measure the differential pressure applied to the gas diffusion layer 30 according to the relative humidity, thereby creating an environment similar to the conditions for fastening the fuel cell stack 40. It is possible to obtain the optimal fuel cell fastening conditions based on the useful and accurate properties of the gas diffusion layer 30 and to understand the two phases in the gas diffusion layer 30.

또한 기체확산층(30)으로의 우회 유동이 연료전지 성능에 미치는 영향을 알 수 있게 되어 이를 바탕으로 균일한 기체 분포를 위한 분리판(32) 설계 및 제작 시 유용한 자료로 활용될 수 있기에 산업 상 그 효용성이 매우 기대되는 발명으로 사료된다.In addition, it is possible to know the effect of the bypass flow to the gas diffusion layer 30 on the fuel cell performance, which can be used as a useful material in designing and manufacturing the separator 32 for uniform gas distribution. It is considered that the invention is expected to be very useful.

또한 정밀 온도 및 습도 제어가 가능한 열전유닛을 장치 하단에 설치하여 인입되는 기체의 온도 및 습도를 정밀하게 제어할 수 있게 됨으로서, 매우 신뢰성 있는 기체확산층(30) 물성 값을 획득할 수 있다.In addition, by installing a thermoelectric unit capable of precise temperature and humidity control at the bottom of the device, it is possible to precisely control the temperature and humidity of the incoming gas, it is possible to obtain a very reliable gas diffusion layer 30 physical property value.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에서 이루고자 하는 일체형 연료전지 기체확산층(30) 물성 평가 장치의 개략적인 장치 구성도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명은 연료전지 기체확산층(30) 물성 평가 장치에 있어서, 기체확산층 시편(26)에 압력을 가하는 모터(10) 및 로드(70)와;The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a schematic configuration diagram of an integrated fuel cell gas diffusion layer property evaluation apparatus to be achieved in the present invention. As shown in FIG. 1, the present invention provides a fuel cell gas diffusion layer 30 physical property evaluation device comprising: a motor 10 and a rod 70 for applying pressure to a gas diffusion layer specimen 26;

모터(10) 및 로드(70)의 가압에 따라 하강하여 기체확산층 시편(26)을 고정하기 위한 상부 지그(20)의 윗면을 가압하도록 구성하고, 윗면에는 두께 변화를 측정할 수 있는 두께 게이지(80)가 고정 설치된 플레이트(90')와;It is configured to pressurize the upper surface of the upper jig 20 for fixing the gas diffusion layer specimen 26 by descending according to the pressure of the motor 10 and the rod 70, and on the upper surface a thickness gauge capable of measuring a thickness change ( A plate 90 'fixedly provided with 80;

플레이트(90')에 고정되어 있으며 압력에 따른 기체확산층 시편(26)의 두께 변화를 측정하는 두께 게이지(80)와;A thickness gauge 80 fixed to the plate 90 'and measuring a thickness change of the gas diffusion layer specimen 26 according to pressure;

모터(10) 및 로드(70)의 가압에 따라 하강하는 플레이트(90')의 하부와 접촉되어 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(26)을 가압하고, 어느 한 면 이상에 기체확산층 시편(26)을 통과한 기체가 내부 통로를 지난 후 배출되는 기체출구(22)가 형성되며, 도금된 표면의 일 지점에는 밀리옴 미터와의 연결단자부(24)가 형성된 상부 지그(20)와;The gas diffusion layer specimen 26 is pressed in contact with the lower portion of the plate 90 'that is lowered by the pressure of the motor 10 and the rod 70, and the gas diffusion layer specimen 26 is positioned on at least one surface. A gas outlet 22 which is discharged after the gas passing through the inner passage is discharged, and an upper jig 20 having a connection terminal 24 with a milliohm meter formed at one point of the plated surface;

상부 지그(20) 하부에 설치되어 기체확산층 시편(26)에 가해지는 압력을 지지하고 한 면에 기체확산층 시편(26)에 기체를 공급하는 기체입구(23)가 형성되어 공급된 기체가 내부 통로를 지난 후 기체확산층 시편(26)을 통과하도록 구성되며, 일 지점에는 밀리옴 미터와의 연결단자부(24)가 형성된 하부 지그(21)와;A gas inlet 23 is formed below the upper jig 20 to support the pressure applied to the gas diffusion layer specimen 26 and to supply gas to the gas diffusion layer specimen 26 on one surface thereof so that the supplied gas passes through the internal passage. It is configured to pass through the gas diffusion layer specimen 26 after passing through, the lower jig 21 formed with a connection terminal portion 24 to the milliohm meter;

상부 지그(20)와 하부 지그(21)에 각각 설치된 밀리옴 미터 연결단자부(24)와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리옴 미터와;A milliohm meter connected to the milliohm meter connection terminal part 24 installed on the upper jig 20 and the lower jig 21 to measure a resistance;

내부에 로드 인디케이터, 모터 스피드 컨트롤러, 로드 컨트롤러가 장착되어 있으며 모터(10) 및 로드(70)에 의해 가압된 기체확산층 시편(26)의 in-plane과 through-plane에서의 차압을 측정하는 차압측정계로 구성된 컨트롤 박스(60)와;A differential pressure gauge measures a differential pressure in in-plane and through-plane of the gas diffusion layer specimen 26 pressurized by the motor 10 and the rod 70 and equipped with a rod indicator, a motor speed controller, and a load controller therein. A control box 60 composed of;

체결 압력에 따른 두께, 저항, 차압 등의 측정된 자료를 가공하고 분석하는 중앙처리장치(61)와;A central processing unit 61 for processing and analyzing measured data such as thickness, resistance, and differential pressure according to the fastening pressure;

개질기(41) 또는 평가를 위한 별도의 기체(수소, 공기 등)를 온도 및 습도를 조절한 상태에서 기체확산층 시편(26)용 하부 지그(21)의 기체입구(23)로 보내게 될 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛과;The thermoelectric module to be sent to the gas inlet 23 of the lower jig 21 for the gas diffusion layer specimen 26 under the condition of adjusting the temperature and humidity of the reformer 41 or a separate gas (hydrogen, air, etc.) for evaluation. A thermoelectric unit using 50;

상기 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛은 열교환부(52)와 외부에서 인입된 기체의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 플레이트(51)로 구성되어 있다.The thermoelectric unit using the thermoelectric module 50 is composed of a heat exchanger 52 and a plate 51 that can control the temperature and humidity of the gas introduced from the outside.

도 2는 본 발명에 따라 기체가 기체확산층 시편(26)의 직각 방향으로 통과하 는 투과도 및 시편의 평행 방향으로 가로질러 통과하는 투과도 측정 시의 개념도를 도시하고 있다.FIG. 2 shows a conceptual diagram of measuring the permeability of gas passing in the perpendicular direction of the gas diffusion layer specimen 26 and the permeation of the gas passing in the parallel direction of the specimen in accordance with the present invention.

상기 상부 지그(20)에 형성된 기체출구(22)는 양측에 형성되어 기체출구(22) 밸브의 선택적 개폐에 따라 기체가 기체확산층 시편(26)의 직각 방향으로 통과할 때와 평행 방향으로 가로질러 통과할 때 걸린 차압을 측정토록 구성된다. 여기서 기체출구(22) 밸브의 선택적 개폐는 수동 및 자동으로 개폐가 가능하도록 구성한다.Gas outlets 22 formed on the upper jig 20 are formed on both sides so that the gas passes in a direction perpendicular to the gas diffusion layer specimen 26 in accordance with the selective opening and closing of the gas outlet 22 valves. It is configured to measure the differential pressure applied when passing. The selective opening and closing of the gas outlet 22 valve is configured to be opened and closed manually and automatically.

상기 상부 및 하부 지그(20, 21)는 저항 측정을 위해 금도금되어 구성된다. 즉, 상부 지그(20)의 기체출구(22b) 밸브를 닫으면 기체는 하부 지그(21)의 기체입구(23)를 통해 공급된 후 시편을 가로지른 후 기체출구(22a)를 통해 배출되는데, 이 경우는 in-plane에 의한 차압을 측정하게 되고,The upper and lower jigs 20 and 21 are gold plated for resistance measurement. That is, when the gas outlet 22b valve of the upper jig 20 is closed, gas is supplied through the gas inlet 23 of the lower jig 21 and then crosses the specimen, and then discharged through the gas outlet 22a. In this case, the differential pressure is measured by the in-plane

상부 지그(20)의 기체출구(22a)의 밸브를 닫으면 기체는 하부 지그(21)의 기체입구(23)를 통해 공급된 후 기체확산층 시편(26)을 통과한 후 기체출구(22b)를 통해 배출되는데, 이 경우는 through-plane에 의한 차압을 측정하게 된다.When the valve of the gas outlet 22a of the upper jig 20 is closed, gas is supplied through the gas inlet 23 of the lower jig 21 and then passes through the gas diffusion layer specimen 26 and then through the gas outlet 22b. In this case, the differential pressure by the through-plane is measured.

보다 구체적으로 설명하자면 기체입구(23)는 열전유닛의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 플레이트(51)에 장착된 기체출구(55a)와 연결되어 있으며 연결 튜브 중간에 T자 관을 달아 한 쪽은 기체입구(23)로 들어가고 다른 한 쪽은 컨트롤 박스(60) 안에 있는 차압계의 inlet과 연결되도록 구성되어 있다. 이 때, 열전유닛의 플레이트(51)에 장착된 기체입구(55b)는 mFC(Mass Flow Controller)에 연결되어 있으며 경우에 따라서 이러한 mFC는 기체확산층 시편(26)을 고정할 수 있는 하부 지 그(21)에 장착된 기체입구(23)에 연결하여 사용할 수 있다.More specifically, the gas inlet 23 is connected to the gas outlet 55a mounted on the plate 51 that can control the temperature and humidity of the thermoelectric unit. Enter the inlet (23) and the other side is configured to connect to the inlet of the differential pressure gauge in the control box (60). At this time, the gas inlet 55b mounted on the plate 51 of the thermoelectric unit is connected to a mass flow controller (mFC), and in some cases, the mFC may include a lower jig for fixing the gas diffusion layer specimen 26. 21 may be connected to the gas inlet 23 mounted.

또한 상기 상부 지그(20) 및 하부 지그(21)를 일정한 온도조건 하에서 상대습도에 따른 길이, 저항, 차압 등을 동시에 측정하기 위해 온도조절수조(90) 내부에 설치하고, 기체확산층 시편(26) 둘레에 오링(25)을 설치하여 밀봉한 상태에서 물 속에서 측정할 수 있다. 이와 같이 온도조절수조(90) 내부에 설치하여 평가가 가능하게 한 이유는 시스템을 일정한 온도로 조절, 유지하여 상대습도를 조절하기 위해서이며 부가적으로 온도를 조절하기 위하여 상부 및 하부 지그(20, 21)를 전기적인 히터 등으로 가열할 수 있게 구성된다.In addition, the upper jig 20 and the lower jig 21 are installed in the temperature control tank 90 to simultaneously measure the length, resistance, and differential pressure according to relative humidity under a constant temperature condition, and the gas diffusion layer specimen 26 O-ring 25 is installed in the circumference and can be measured in water in a sealed state. The reason why the evaluation is possible by installing inside the temperature control tank 90 is to adjust and maintain the system at a constant temperature to control relative humidity, and additionally, to adjust the temperature, the upper and lower jig 20, 21) can be heated by an electric heater or the like.

그러나, 온도조절수조(90)를 설치하여 평가하는 것은 번거롭고 장치가 복잡해지며, 제어하기가 까다롭고 평가하는데 소요되는 시간이 오래 걸리는 단점이 존재한다. 따라서 장비 하부에 설치된 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛의 보조수단 및 열전유닛의 불량 또는 고장 시에 대체 수단으로서 고려하는 것이 바람직할 것이다.However, there is a disadvantage that installing and evaluating the temperature control tank 90 is cumbersome and complicated, difficult to control, and takes a long time to evaluate. Therefore, it would be desirable to consider as an alternative means for the auxiliary means of the thermoelectric unit using the thermoelectric module 50 installed in the lower part of the equipment and the failure or failure of the thermoelectric unit.

상기 열전유닛은 전기에너지를 받아 열에너지로 변환하여 사용할 수 있는 열전모듈(50)과 외부에서 인입되는 기체의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 플레이트(51)와 열전모듈(50)의 발열부와 접촉하여 외부로 열 교환할 수 있는 열교환부(52)와 열전모듈(50)과 플레이트(51) 사이에 장착되어 열교환부(52)에서 플레이트(51)로 열이 복사되어 들어오는 양을 줄이기 위한 space block(54)과 열교환부(52)와 플레이트(51) 사이의 빈 공간을 메워 열교환부(52)로부터 플레이트(51)로 열이 복사되는 것을 방지하기 위한 단열재(53)로 구성되어 진다.The thermoelectric unit is in contact with the heat generating portion of the thermoelectric module 50 and the thermoelectric module 50 to control the temperature and humidity of the gas drawn from the outside and the thermoelectric module 50 that can be used to convert the electrical energy into thermal energy received It is installed between the heat exchange unit 52 and the thermoelectric module 50 and the plate 51 which can exchange heat to the outside, and a space block for reducing the amount of heat radiated from the heat exchange unit 52 to the plate 51 ( 54 and a heat insulating material 53 for filling the empty space between the heat exchange part 52 and the plate 51 to prevent heat from radiating from the heat exchange part 52 to the plate 51.

여기서 열교환부(52)는 통상적으로 방열판(52a)과 방열팬(52b)으로 구성되어지며, 경우에 따라서 수냉블락, 액체질소, 히트파이프 등으로 대체할 수 있다.Here, the heat exchanger 52 is typically composed of a heat sink 52a and a heat radiating fan 52b, and may be replaced with a water cooling block, liquid nitrogen, a heat pipe, and the like in some cases.

또한, 외부에서 인입되는 기체의 온도 및 습도를 조절하는 플레이트(51)는 방열판 등으로 대체할 수 있으며, 내부 유로는 설계 변경 사양이다. 아울러, 사용되는 열전모듈(50)의 경우에, 필요 용량에 따라 선택되어질 수 있으며, 사용 개수에 제약이 없다.In addition, the plate 51 for adjusting the temperature and humidity of the gas introduced from the outside can be replaced by a heat sink, etc., the inner flow path is a design change specification. In addition, in the case of the thermoelectric module 50 to be used, it can be selected according to the required capacity, there is no limitation on the number of uses.

상기 열전유닛은 정밀한 온도 및 습도 제어 컨트롤러에 의해 제어되어지며, 본 발명의 중앙처리장치(61)와 연결되어 제어가 용이하도록 구성할 수 있다.The thermoelectric unit is controlled by a precise temperature and humidity control controller, and can be configured to be easily connected to the central processing unit 61 of the present invention.

본 발명에 있어서 하부 지그(21) 위에는 기체확산층 시편(26)의 위치가 표시되어 있으며, 추가적으로 보다 엄밀한 정렬을 위한 치구로 아크릴 또는 아세탈 반원판을 삽입하여 정확한 위치에 놓을 수 있도록 구성하였다.In the present invention, the position of the gas diffusion layer specimen 26 is indicated on the lower jig 21, and additionally, an acrylic or acetal semicircle is inserted into the jig for a more precise alignment and configured to be placed at the correct position.

상기 본 발명의 두께 게이지(80)는 요구되어지는 해상도에 따라 선택되어질 수 있으며, 압력에 따른 두께 변화를 측정한다. 즉 두께 게이지(80)가 부착된 플레이트(90')가 하강하면 두께 게이지의 유동부(81)와 맞닿는 부분(82)과 닿게 되며 플레이트(90')가 움직인 만큼 두께 게이지(80)에 나타나게 된다.The thickness gauge 80 of the present invention can be selected according to the resolution required, and measures the thickness change with pressure. That is, when the plate 90 'with the thickness gauge 80 descends, the plate 90' comes into contact with the portion 82 that is in contact with the flow portion 81 of the thickness gauge, and the plate 90 'moves to the thickness gauge 80 as much as the plate 90' moves. do.

상기 본 발명의 모터(10) 및 로드(70)는 압력을 조절할 수 있으며, 스텝핑 모터를 사용하여 압력을 조절하며 상부 지그 및 하부 지그(20, 21)에 놓여지는 기체확산층 시편(26)은 크기에 따라 평가가 가능하도록 설계되어진다.The motor 10 and the rod 70 of the present invention can adjust the pressure, the gas diffusion layer specimen 26 placed on the upper jig and the lower jig 20, 21 to adjust the pressure by using a stepping motor is the size It is designed to be evaluated according to.

도 1 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치에 개략적인 장치 구성도1 is a schematic diagram of a device of a fuel cell gas diffusion property evaluation device

도 2 기체확산층 시편에 대한 through-plane 및 in-plane에 대한 투과도 측정에 대한 개념도2 is a conceptual diagram for measuring the permeability for through-plane and in-plane for the gas diffusion layer specimen

도 3 고분자전해질 연료전지 분해사시도3 is an exploded perspective view of a polymer electrolyte fuel cell

도 4 연료전지 시스템의 개념도4 is a conceptual diagram of a fuel cell system

도 5 열전모듈을 사용한 열전유닛의 개념도5 is a conceptual diagram of a thermoelectric unit using a thermoelectric module

Claims (4)

기체확산층 시편(26)에 압력을 가하는 모터(10) 및 로드(70)와;A motor 10 and a rod 70 for applying pressure to the gas diffusion layer specimen 26; 상기 기체확산층 시편(26)의 두께 변화를 압력에 따라 측정하도록 플레이트(90')에 설치되는 두께 게이지(80)와;A thickness gauge (80) installed on the plate (90 ') to measure the change in thickness of the gas diffusion layer specimen (26) according to the pressure; 상기 로드(70)의 하단에 설치되어 하부 방향에 위치한 상기 기체확산층 시편(26)을 가압하고, 어느 한 면 이상에 기체출구(22)가 형성되는 상부 지그(20)와;An upper jig 20 installed at a lower end of the rod 70 to pressurize the gas diffusion layer specimen 26 positioned in a lower direction, and a gas outlet 22 formed on at least one surface thereof; 상기 상부 지그(20) 하부에 설치되어 상기 기체확산층 시편(26)에 가해지는 압력을 지지하고 어느 한 면에 기체입구(23)가 형성되는 하부 지그(21)와;A lower jig 21 installed below the upper jig 20 to support the pressure applied to the gas diffusion layer specimen 26 and a gas inlet 23 formed on one surface thereof; 상기 상, 하부 지그(20, 21)에 각각 설치된 밀리옴 미터 연결단자부(24)와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리옴 미터; 및A milliohm meter connected to a milliohm meter connection terminal unit 24 installed on each of the upper and lower jigs 20 and 21 to measure a resistance; And 상기 하부 지그(21)의 하측에 구비되어 개질기(41) 또는 평가를 위해 외부에서 인입된 기체의 온도 및 습도를 열교환을 통해 조절하는 열전유닛;을 포함하여 연료전지 기체확산층(30)의 압력에 따른 길이, 접촉 저항, 차압을 측정하며,A thermoelectric unit provided below the lower jig 21 to adjust the temperature and humidity of the reformer 41 or the gas introduced from the outside for heat exchange through heat exchange; and to the pressure of the fuel cell gas diffusion layer 30. Along the length, contact resistance, differential pressure, 상기 열전유닛은, The thermoelectric unit, 전기에너지를 열에너지로 변환하는 열전모듈(50)과, 상기 열전모듈(50)의 상부에 구비되어 외부에서 인입되는 기체의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 플레이트(51)와, 상기 열전모듈(50)의 발열부와 접촉하여 외부로 열 교환할 수 있는 열교환부(52)와, 상기 열전모듈(50)과 상기 플레이트(51) 사이에 장착되어 상기 열교환부(52)에서 상기 플레이트(51)로 열이 복사되어 들어오는 양을 줄이기 위한 스페이스 블록(space block: 54)과, 상기 스페이스 블록(54)을 감싸면서 상기 열교환부(52)와 상기 플레이트(51) 사이의 빈 공간을 메워 상기 열교환부(52)로부터 상기 플레이트(51)로 열이 복사되는 것을 방지하기 위한 단열재(53)로 구성되는 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치.A thermoelectric module 50 for converting electrical energy into thermal energy, a plate 51 provided on an upper portion of the thermoelectric module 50 to control temperature and humidity of gas introduced from the outside, and the thermoelectric module 50. A heat exchanger 52 capable of contacting the heat generating unit to heat exchange to the outside, and mounted between the thermoelectric module 50 and the plate 51 to heat from the heat exchanger 52 to the plate 51. The space block 54 to reduce the amount of the copy is received, and the empty space between the heat exchange unit 52 and the plate 51 while filling the space block 54 to fill the space block 54, the heat exchange unit 52. Fuel cell gas diffusion layer physical property evaluation device comprising a heat insulating material (53) for preventing heat from being radiated to the plate (51). 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 상부 지그(20) 양측에 기체출구(22)를 형성하고 기체출구(22) 밸브의 개폐에 따라 기체확산층 시편(26)의 수직면이나 수평면에 걸린 차압을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치.Gas outlet 22 is formed on both sides of the upper jig 20, and the fuel cell gas is configured to measure a differential pressure applied to a vertical plane or a horizontal plane of the gas diffusion layer specimen 26 according to opening and closing of the valve of the gas outlet 22. Diffusion layer property evaluation apparatus. 삭제delete 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 열전유닛의 열교환부(52)는 히트 싱크(heat sink), 히트 파이프(heat pipe), 방열팬(cooling fan), 수냉 블럭, 워터 자켓, 액체질소, 냉매 중 어느 하나로 대체 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치.The heat exchange unit 52 of the thermoelectric unit may be replaced by any one of a heat sink, a heat pipe, a cooling fan, a water cooling block, a water jacket, liquid nitrogen, and a refrigerant. Fuel cell gas diffusion layer physical property evaluation device.
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KR101448767B1 (en) * 2012-12-27 2014-10-13 현대자동차 주식회사 Heat management system during diagnosing fuel cell stack

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