KR101339256B1 - 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법이 개시된다. 개시된 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법은 (a) 다수 개의 단위 전지들과, 온도 측정을 위한 더미 셀들이 적층된 연료 전지 스택을 제공하고, (b) 연료 전지 스택의 전체 영역을 다수 개의 영역으로 분할하여 각 분할 영역의 더미 셀에 온도 센서를 장착하며, (c) 연료 전지 스택을 일정 시간 동안 운전 후 정지한 상태로 연료 전지 스택을 저온 분위기에서 냉각시키고, (d) 온도 센서를 통해 각 분할 영역의 온도를 측정하며, (e) 각 분할 영역의 온도값과 연료 전지 스택 내부의 물이 상변화되는 시간으로서 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 예측할 수 있다.

Description

연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치 및 그 방법 {DEVICE AND METHOD FOR DETECTING WATER DISTRIBUTION IN FUEL CELL STACK}
본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택 내부의 물 분포를 측정할 수 있는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학 반응을 통해 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료 전지 시스템은 단위 전지들이 적층된 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급 장치와, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급 장치와, 연료 전지 스택의 반응열을 제거하며 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 구비하고 있다.
여기서, 연료 전지 스택은 다수의 단위 전지들(당 업계에서는 "단위 셀" 이라고도 함)이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체이다. 단위 전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터가 배치된 것이다. 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 이의 양측에 연료극과 공기극이 배치된 것이다.
그리고, 세퍼레이터에는 막-전극 어셈블리의 연료극으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급유로, 막-전극 어셈블리의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유로, 및 냉각수를 유통시키기 위한 냉각수 유로를 각각 형성하고 있다.
한편, 연료 전지 스택을 구성하는 단위 전지는 주로 연료 전지 차량에 채용되는 고분자 전해질 연료 전지를 예로 들 수 있다.
이러한 고분자 전해질 연료 전지는 일반적으로 상온에서부터 80℃ 사이에서 높은 성능을 나타내는 반면, 낮은 온도에서는 전극의 반응 활성화가 감소하고, 전해질막의 이온 전도도가 감소함에 따라 성능이 저하될 수 있다.
특히, 겨울철과 같이 외부 온도가 0℃ 이하로 떨어지는 경우에는, 연료 전지 스택의 온도가 물의 빙점 이하로 떨어지면서 전해질막 내부의 물이 얼게 되고, 이로 인해 전극의 반응 활성화뿐만 아니라 이온 전도도가 떨어짐으로써 연료 전지의 성능이 저하될 수 있다.
또한, 막-전극 어셈블리의 전기 화학적인 반응을 위해서는 연료와 공기가 일정 수준 이상으로 가습되어야 하는데, 이 때 막-전극 어셈블리로 공급된 수분과 그 막-전극 어셈블리에서 생성된 물이 연료 전지 스택의 내부에 잔존하며 연료극과 공기극의 플러딩(flooding) 문제를 야기시킬 수 있다.
그러므로, 연료 전지 스택의 내부에 분포되는 물의 양이 적으면 드라이-아웃(dry-out)의 문제를 일으키며, 물의 양이 많으면 플러딩 문제를 일으킬 수 있으므로, 그 물의 양과 분포를 측정하여 이들 문제에 대응하는 것은 매우 중요하다.
한편, 연료 전지 스택 내부의 물 분포를 측정하는 방법으로는 중성자를 통해 물 분포를 가시화 하여 영상 신호를 분석하는 방법이 널리 알려져 있다.
그러나, 상기와 같이 중성자를 이용하는 방법은 매우 제한적인 조건에서 많은 비용을 필요로 하므로 접근성에 한계가 있다.
또한, 이와 같은 측정 방법은 투과 광선에 의한 이미지를 분석하는 방법을 이용하기 때문에 단위 전지의 물 분포 측정에 대해서는 유용하나 다수 매의 단위 전지들이 적층된 연료 전지 스택의 물 분포 측정은 아직 가능하지 않은 상태에 있다.
따라서, 종래 기술은 실제 수 백장이 적층된 연료 전지 스택 내부의 물 분포를 측정하는 기술에 대해서 새로운 접근 방식으로 시도되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들은 연료 전지 스택의 더미 셀들을 이용하여 각 분할 영역들의 온도 분포를 측정할 수 있고, 연료 전지 스택을 냉각시키며 각 분할 영역의 온도 거동을 측정함으로써 단위 전지들의 세퍼레이터에 존재하는 물의 분포를 예측할 수 있도록 한 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치는, 단위 전지들이 적층된 전기 발생 집합체의 내부 온도를 측정하기 위한 더미 셀들을 포함하고 있는 연료 전지 스택을 이용하여 그 스택 내부의 물 분포를 측정하는 것으로서, ⅰ)상기 전기 발생 집합체의 전체 영역에서 다수 개로 분할된 각 분할 영역의 온도를 측정하기 위해 상기 더미 셀에 구비되는 온도 센서와, ⅱ)상기 전기 발생 집합체를 냉각시키는 조건에서, 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 각 분할 영역의 온도값과, 상기 전기 발생 집합체 내부의 물이 상변화되는 시간으로서 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 예측하는 검출유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치에 있어서, 상기 검출유닛은 상기 각 분할 영역에서 동결된 물이 해동되는 상변화 시간을 측정하여 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 연산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치에 있어서, 상기 검출유닛은 상기 각 분할 영역의 상변화 시간에 따른 열전달량으로서 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 정량화 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치에 있어서, 상기 검출유닛은 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도 값을 기준으로 상기 전기 발생 집합체 내부의 물이 상변화되는 구간의 등온 변화시간을 측정하는 제1 측정부와, 상기 제1 측정부를 통해 측정된 상기 각 분할 영역의 등온 변화시간을 비교하여 각 분할 영역별 물 분포도를 추출하는 비교 추출부와, 상기 각 분할 영역의 동결된 물이 해동되는 상변화 시간을 측정하는 제2 측정부와, 상기 제2 측정부에 의해 측정된 상변화 시간으로서 상기 각 분할 영역별 분포도에 따른 물의 양을 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치에 있어서, 상기 검출유닛은 상기 연산부에 의해 연산된 상기 각 분할 영역별 물의 양을 디스플레이 하는 표시부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치에 있어서, 상기 비교 추출부는 상기 각 분할 영역들 중 등온 변화시간이 가장 짧은 분할 영역을 제외한 나머지 영역의 등온 변화시간을 비교할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치에 있어서, 상기 온도 센서는 상기 전기 발생 집합체의 상,중,하측 영역에서 냉각수의 입출구 방향으로 다수 분할된 영역의 더미 셀에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치에 있어서, 상기 온도 센서는 열전대(thermocouple)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치는, 상기 전기 발생 집합체를 냉각시키기 위한 냉각 챔버를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법은, (a) 다수 개의 단위 전지들과, 온도 측정을 위한 더미 셀들이 적층된 연료 전지 스택을 제공하고, (b) 상기 연료 전지 스택의 전체 영역을 다수 개의 영역으로 분할하여 각 분할 영역의 더미 셀에 온도 센서를 장착하며, (c) 상기 연료 전지 스택을 일정 시간 동안 운전 후 정지한 상태로 상기 연료 전지 스택을 저온 분위기에서 냉각시키고, (d) 상기 온도 센서를 통해 상기 각 분할 영역의 온도를 측정하며, (e) 상기 각 분할 영역의 온도값과 상기 연료 전지 스택 내부의 물이 상변화되는 시간으로서 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 예측할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (b) 과정에서는 상기 연료 전지 스택의 상,중,하측 영역을 냉각수의 입출구 방향으로 다수 분할하고, 상기 각 분할 영역에 해당하는 더미 셀에 상기 온도 센서를 장착할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (c) 과정에서는 냉각 챔버에서 저온 분위기의 온도를 변화시키며 상기 연료 전지 스택을 냉각할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (c) 과정에서는 상기 연료 전지 스택의 운전 정지 후, 상기 연료 전지 스택의 내부에 존재하는 냉각수를 배출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (a) 과정에서는 냉각수에 부동액이 포함된 연료 전지 스택을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (e) 과정에서는 상기 물의 상변화 시간을 조절하기 위해 상기 연료 전지 스택의 내부 압력을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (e) 과정에서는 (e-1) 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도 값을 기준으로, 상기 연료 전지 스택 내부의 물이 상변화되는 구간의 등온 변화시간을 측정하고, (e-2) 상기 각 분할 영역의 등온 변화시간을 비교하여 상기 각 분할 영역별 물 분포도를 추출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (e) 과정에서는 (e-3) 소정의 온도 분위기에서 상기 각 분할 영역의 동결된 물이 해동되는 상변화 시간을 측정하고, (e-4) 상기 동결된 물이 해동되는 상변화 시간으로서 상기 각 분할 영역별 분포도에 따른 물의 양을 연산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (e-2) 과정에서는 상기 각 분할 영역들 중 등온 변화시간이 가장 짧은 분할 영역을 제외한 나머지 분할 영역의 등온 변화시간을 비교할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (e-3) 과정에서는 상기 연료 전지 스택의 외부 온도를 일정한 값으로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법에 있어서, 상기 (e-4) 과정에서는 상기 각 분할 영역의 상변화 시간에 따른 열 전달량을 연산하여 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 정량화 할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 연료 전지 스택에 더미 셀을 설치하고 그 더 미셀에 온도 센서를 설치하여 연료 전지 스택의 각 분할 영역별 내부 온도를 측정할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 스택을 냉각시키는 조건에서, 온도 센서에 의해 측정된 각 분할 영역의 온도 측정값에 기인하여 연료 전지 스택 내부의 물이 상변화 되는 시간으로서 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 예측할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 스택의 분할 영역에서 동결된 물이 해동되는 상변화 시간으로서 연료 전지 스택의 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 정량화 할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 단위 전지의 물 분포 측정에 유용한 종래 기술과 달리 수백 매의 단위 전지들이 적층된 연료 전지 스택 내부의 물 분포를 측정할 수 있으므로, 연료 전지 스택의 내부에 존재하는 물의 분포량에 따른 연료 전지 스택의 드라이-아웃 및 플러딩 문제에 적극적으로 대응할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 내부의 물 분포 측정 장치에 적용되는 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 내부의 물 분포 측정 장치에 적용되는 연료 전지 스택의 온도 측정 영역을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 내부의 물 분포 측정 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법을 설명하기 위한 연료 전지 스택의 온도 및 등온 변화시간을 나타내 보인 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법을 설명하기 위한 연료 전지 스택의 각 분할 영역별 물의 양을 예측한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 내부의 물 분포 측정 장치에 적용되는 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 수소 가스와 같은 연료와, 공기와 같은 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산하는 연료 전지 스택(10)에 적용될 수 있다.
상기 연료 전지 스택(10)은 다수의 단위 전지들(20)이 연속적으로 적층된 전기 발생 집합체로서 구비된다.
여기서, 상기 각 단위 전지(20)(당 업계에서는 통상적으로 "단위 셀" 이라고도 한다.)는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(30)와, 막-전극 어셈블리(30)를 사이에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터(40)(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 이라고도 한다.)를 포함하고 있다.
상기 막-전극 어셈블리(30)는 선택적 이온 투과성을 갖는 전해질막(도면에 도시되지 않음)과, 전해질막을 사이에 두고 이의 일측에 배치되는 캐소드 전극(도면에 도시되지 않음)과, 전해질막의 다른 일측에 배치되는 애노드 전극(도면에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
상기 애노드 전극은 연료에 함유된 수소의 산화 반응을 일으켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키는 기능을 한다. 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 기능을 한다. 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 별도로 제공되는 산화제 중의 산소를 환원 반응시켜 수분과 열을 생성하는 기능을 한다.
상기 세퍼레이터(40)는 막-전극 어셈블리(30)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가짐과 동시에, 단위 전지(20)의 전기화학 반응에 필요한 연료와 산화제를 막-전극 어셈블리(30)의 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 각각 공급하는 기능을 수행한다.
한편, 상기 막-전극 어셈블리(30)의 양측면에는 연료를 애노드 전극으로 확산시키고, 산화제를 캐소드 전극으로 확산시키며, 세퍼레이터(40)와의 전기 접촉을 용이하게 해주는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)(35)이 배치될 수 있다.
즉, 상기 가스 확산층(35)은 각 세퍼레이터(40)와 막-전극 어셈블리(30) 사이에 배치되며, 반응 가스(연료와 산화제)의 확산과 전자 이동 통로의 기능을 담당하게 된다.
다른 한편으로, 상기 세퍼레이터(40)는 단위 전지들(20)이 적층 구조에서 서로 인접한 단위 전지(20)의 세퍼레이터(40)와 접합되는데, 한 쪽 세퍼레이터(40)의 외측면에는 연료 유로(41)가 형성되고, 다른 한 쪽 세퍼레이터(40)의 외측면에는 산화제 유로(43)가 형성된다.
그리고, 서로 접합된 세퍼레이터들(40) 사이에는 냉각수와 같은 냉각 매체가 흐르는 냉각 유로(45)가 형성된다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서, 상기 연료 전지 스택(10)은 내부 온도를 측정하기 위한 더미 셀들(dummy cell)(50)을 포함할 수 있다.
즉, 상기 더미 셀들(50)은 연료 전지 스택(10)의 전체 영역에서 다수 개로 분할된 각 분할 영역의 온도를 측정하기 위한 것으로서, 다수 개의 단위 전지들(20) 중에서 전기 화학 반응을 수행하는 막-전극 어셈블리(30)를 삭제하여 구성될 수 있다.
이러한 더미 셀(50)은 단위 전지(20)에서 막-전극 어셈블리(30)를 제거하고 남은 가스 확산층(35)과 세퍼레이터(40) 만으로 구성된다.
여기서, 상기 세퍼레이터(40)의 연료 유로(41) 및 산화제 유로(43)는, 냉각 유로(45)에 냉각수가 흐르지 않는 상태로서, 연료와 산화제의 유체가 흐르지 않고 공기만 차 있는 상태를 유지한다.
그리고, 상기 더미 셀(50)에서 냉각 유로(45)에는 냉각수가 흐르지 않도록 실리콘 등으로 막혀 있는 상태에 있다.
상기와 같은 더미 셀(50)을 포함하는 연료 전지 스택(10)은 본 출원인에 의해 이미 출원된 한국특허출원 제10-2011-0055998호의「연료 전지 스택」에 개시된 바 있다.
상기에서, 전술한 바와 같은 연료 전지 스택(10)의 전체 영역에서 다수 개로 분할된 각 분할 영역이라 함은 도 2에서와 같이, 도면을 기준으로 연료 전지 스택(10)의 상,중,하측 영역에서 냉각수의 입출구 방향으로 다수 분할된 분할 영역(11)으로 정의할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 내부의 물 분포 측정 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 내부의 물 분포 측정 장치(100)는 전술한 바와 같은 더미 셀들(50)을 포함하고 있는 연료 전지 스택(10)을 이용하여 그 스택(10) 내부의 물 분포를 측정하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 내부의 물 분포 측정 장치(100)는 연료 전지 스택(10)의 더미 셀들(50)을 이용하여 위에서 언급한 바 있는 분할 영역들(11)의 온도 분포를 측정할 수 있고, 연료 전지 스택(10)을 냉각시키며 각 분할 영역(11)의 온도 거동을 측정함으로써 단위 전지들(20)의 세퍼레이터(40)에 존재하는 물의 분포를 예측할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 내부의 물 분포 측정 장치(100)는 기본적으로, 온도 센서(110), 냉각 챔버(310), 및 검출유닛(510)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에서, 상기 온도 센서(110)는 연료 전지 스택(10)의 전체 영역에서 각 분할 영역(11)의 온도를 측정하기 위한 것이다.
상기 온도 센서(110)는 분할 영역(11)의 더미 셀(50)에 설치되는 바, 예를 들면 열전대(thermocouple)(111)를 포함할 수 있다.
상기 열전대(111)는 두 가지 금속선의 양끝을 접하였을 때 두 접점의 온도가 동일하면 전류가 흐르지 않지만 온도의 차이가 생기면 회로에 전류가 흐르면서 각 분할 영역(11)의 온도를 측정할 수 있다.
이러한 열전대(111)는 당 업계에서 온도의 측정 또는 방사 에너지를 측정하는데 사용되는 공지 기술의 써모커플로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 냉각 챔버(310)는 연료 전지 스택(10)을 냉각시키기 위한 것으로서, 저온 분위기에서 연료 전지 스택(10)을 냉각시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
상기 냉각 챔버(310)는 연료 전지 스택(10) 내부의 물 본포 측정이 필요한 조건으로 그 연료 전지 스택(10)을 운전하다가 정지한 연료 전지 스택(10)을 영하의 온도 분위기에서 냉각시킬 수 있다.
여기서, 상기 냉각 챔버(310)는 저온 분위기의 온도를 변화시키며 연료 전지 스택(10)을 냉각시킬 수 있다.
상기한 냉각 챔버(310)는 연료 전지 스택(10)을 수용하는 공간을 지니며 저온 분위기를 조성할 수 있는 공지 기술의 냉각 환경 챔버로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 검출유닛(510)은 냉각 챔버(310)를 이용하여 연료 전지 스택(10)을 냉각시키는 조건에서, 온도 센서(110)에 의해 측정된 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역(11)에 대한 온도 측정값과, 연료 전지 스택(10) 내부의 물이 상변화 되는 시간으로서 각 분할 영역(11)에 분포된 물의 양을 예측할 수 있는 구성으로 이루어진다.
즉, 상기 검출유닛(510)은 연료 전지 스택(10)을 냉각시키며 각 분할 영역(11)의 온도 거동을 측정함으로써 단위 전지들(20)의 세퍼레이터(40)에 존재하는 물의 분포를 예측할 수 있다.
이러한 검출유닛(510)은 제1 측정부(610), 비교 추출부(710), 제2 측정부(810), 연산부(910), 및 표시부(950)를 포함하고 있다.
상기에서 제1 측정부(610)는 온도 센서(110)에 의해 측정되는 온도 값을 기준으로, 연료 전지 스택(10) 내부의 물이 상변화 되는 구간의 등온 변화시간을 측정한다.
즉, 상기 온도 센서(110)는 정상적으로 운전되는 연료 전지 스택(10)의 내부 온도를 측정할 수 있으며, 운전이 정지된 상태의 연료 전지 스택(10)을 냉각 챔버(310)에서 영하의 온도 분위기로 냉각시키는 과정에 연료 전지 스택(10)의 내부 온도 변화를 측정할 수 있다.
상기 제1 측정부(610)는 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역(11) 내부에서 물이 동결되는 과정에, 그 분할 영역(11)에서 물이 상변화되는 구간의 등온 변화시간을 측정할 수 있다.
부연 설명하면, 냉각 챔버(310)에서 영하의 온도 분위기(외부 온도)에 놓인 연료 전지 스택(10) 내부의 온도는 시간에 따라 하강하며 0℃ 부근에서 임의의 시간 동안 하강을 멈추고 일정 온도를 유지하는데, 이러한 온도는 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역(11)에서 온도 센서(110)를 통해 측정될 수 있다.
이와 같이 연료 전지 스택(10) 내부의 온도가 0℃ 부근에서 임의의 시간 동안 하강을 멈추고 일정 온도를 유지하는 것은 액체 상태의 물이 상변화(동결)를 일으키면서 내부 에너지를 방출하기 때문이며, 제1 측정부(610)는 상기한 등온 변화구간에서의 등온 변화시간을 측정할 수 있다.
즉, 상기 등온 변화구간에서는 연료 전지 스택(10) 내부에 분포된 물이 얼음으로 상변화 되는 시점에서 전부 얼음으로 변화할 때까지 상변화에 필요한 에너지 차이로 인해 일정 시간 동안 등온 반응이 일어나는 것이다.
여기서, 상기 제1 측정부(610)에 의해 측정된 연료 전지 스택(10)의 분할 영역(11)에서 등온 변화시간이 길다는 것은 해당 분할 영역(11)에 상변화를 일으키는 물이 많다는 것을 의미한다.
상기 비교 추출부(710)는 제1 측정부(610)를 통해 측정된 각 분할 영역(11)의 등온 변화시간을 비교하여 연료 전지 스택(10)의 분할 영역별 물 분포도를 추출하기 위한 것이다.
이러한 비교 추출부(710)는 각 분할 영역(11)의 등온 변화시간을 비교하고, 그 분할 영역(11)에 분포된 물의 양을 예측하는데, 각 분할 영역들(11) 중 등온 변화시간이 가장 짧은 분할 영역(11)을 제외한 나머지 분할 영역(11)의 등온 변화시간을 비교할 수 있다.
상기 제2 측정부(810)는 연료 전지 스택(10)을 일정한 온도로 유지시키며 각 분할 영역(11)에서의 동결된 물이 해동되는 상변화 시간을 측정하기 위한 것이다.
상기 연산부(910)는 제2 측정부(810)에 의해 측정된 상변화(해동) 시간으로서 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역별 분포도에 따른 물의 양을 연산하기 위한 것이다.
즉, 상기 연산부(910)는 각 분할 영역(11)의 상변화 시간에 따른 열전달량으로서 각 분할 영역(11)에 분포된 물의 양을 정량화 할 수 있다.
그리고, 상기 표시부(950)는 연산부(910)에 의해 연산된 각 분할 영역별 물의 양을 디스플레이 하기 위한 것이다.
이하, 상기와 같이 구성되는 물 분포 측정 장치(100)를 이용하여 연료 전지 스택(10) 내부의 물 분포를 측정하는 방법을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 4를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 다수 개의 단위 전지들(20)과 더미 셀들(50)이 적층된 전기 발생 집합체로서의 연료 전지 스택(10)을 제공한다(S10 단계).
여기서, 상기 더미 셀들(50)은 연료 전지 스택(10)의 전체 영역에서 다수 개로 분할된 각 분할 영역의 온도를 측정하기 위한 것으로서, 다수 개의 단위 전지들(20) 중에서 전기 화학 반응을 수행하는 막-전극 어셈블리(30)를 삭제하여 구성될 수 있다.
즉, 상기 더미 셀(50)은 단위 전지(20)에서 막-전극 어셈블리(30)를 제거하고 남은 가스 확산층(35)과 세퍼레이터(40) 만으로 구성된다.
이 경우, 상기 더미 셀들(50)에 있어 세퍼레이터(40)의 연료 유로(41) 및 산화제 유로(43)는, 냉각 유로(45)에 냉각수가 흐르지 않는 상태로서, 연료와 산화제의 유체가 흐르지 않고 공기만 차 있는 상태를 유지한다.
그리고, 상기 더미 셀(50)에서 냉각 유로(45)에는 냉각수가 흐르지 않도록 실리콘 등으로 막혀 있는 상태에 있다.
이어서, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 스택(10)의 전체 영역을 다수 개의 영역으로 분할하여 각 분할 영역(11)의 더미 셀(50)에 온도 센서(110)를 장착한다(S20 단계).
예를 들면, 상기 온도 센서(110)는 두 가지 금속선의 양끝을 접하였을 때 두 접점의 온도가 동일하면 전류가 흐르지 않지만 온도의 차이가 생기면 회로에 전류가 흐르면서 각 분할 영역(11)의 온도를 측정할 수 있는 열전대(111)로 구비될 수 있다.
상기 S20 단계에서는 연료 전지 스택(10)의 상,중,하측 영역을 냉각수의 입출구 방향으로 다수 분할하고, 각 분할 영역(11)에 해당하는 더미 셀(50)에 온도 센서(110)를 장착할 수 있다.
다음으로, 상기 연료 전지 스택(10)을 일정 시간 동안 운전하는데, 이 경우는 더미 셀들(50)의 온도 센서(110)를 통해 운전 중인 연료 전지 스택(10) 내부의 세퍼레이터 온도 분포를 측정할 수 있다.
그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 스택(10)을 일정 시간 동안 운전한 후에 정지한 상태로 냉각 챔버(310)에서 연료 전지 스택(10)을 저온 분위기에서 냉각시킨다(S30 단계).
이 과정에서는 상기 냉각 챔버(310)에서 저온 분위기의 온도를 변화시키며 연료 전지 스택(10)을 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 과정에서는 연료 전지 스택(10)의 내부에 존재하는 냉각수를 배출한 후에 연료 전지 스택(10)을 냉각시킬 수 있다. 이는 냉각수의 동결을 배제하고, 연료 전지 스택(10)의 내부에 존재하는 물만을 동결시키기 위함이다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 냉각수의 동결을 배제하고, 연료 전지 스택(10)의 내부에 존재하는 물만을 동결시키기 위해 상기한 바와 같은 S10 및 S20 단계에서 냉각수에 부동액을 첨가할 수도 있다.
상기와 같이 냉각 챔버(310)에서 연료 전지 스택(10)을 냉각시키는 과정에, 본 발명의 실시예에서는 온도 센서(110)를 통해 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역(11)의 온도를 측정한다(S40 단계).
도 5의 그래프를 참조하여, 상기 온도 센서(110)에 의해 측정된 각 분할 영역(11)의 온도 분포를 살펴보면, 본 발명의 실시예에서는 시간이 지남에 따라 각 분할 영역(11)의 내부 온도가 하강하며, 0℃ 부근에서 임의의 시간 동안 하강을 멈추고 일정한 온도를 유지함을 알 수 있다.
이와 같이 각 분할 영역(11)의 내부 온도가 0℃ 부근에서 임의의 시간 동안 하강을 멈추고 일정 온도를 유지하는 것은 액체 상태의 물이 상변화(동결)를 일으키면서 내부 에너지를 방출하기 때문이다.
따라서, 도 5의 그래프에서와 같이 본 발명의 실시예에서는 각 분할 영역(11)의 내부에 분포된 물이 저온 분위기에서 얼음으로 상변화할 때까지 각 분할 영역(11)의 내부 온도가 0℃ 부근에서 일정한 온도를 유지하는 등온 변화구간이 존재함을 알 수 있다.
즉, 상기 등온 변화구간에서는 각 분할 영역(11)의 내부에 분포된 물이 얼음으로 상변화 되는 시점에서 전부 얼음으로 변화할 때까지 상변화에 필요한 에너지 차이로 인해 일정 시간 동안 등온 반응이 일어나게 되는 것이다.
상기에서와 같은 과정에, 본 발명의 실시예에서는 온도 센서(110)에 의해 측정된 온도 값에 기인하여, 검출유닛(510)을 통해 연료 전지 스택(10) 내부의 물이 상변화 되는 시간으로서 각 분할 영역(11)에 분포된 물의 양을 예측할 수 있다(S50 단계).
이 경우, 상기 S50 단계에서는 각 분할 영역(11)의 물이 상변화되는 시간을 조절하기 위해 연료 전지 스택(10) 내부의 압력을 조절할 수 있는데, 이는 단위 전지들(20)로 공급되는 연료와 산화제의 공급 압력을 조절함으로써 가능하다.
상기와 같은 S50 단계를 더욱 구체적으로 설명하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 온도 센서(110)에 의해 측정되는 온도 값을 기준으로, 연료 전지 스택(10) 내부의 각 분할 영역(11)에 분포된 물이 상변화되는 구간의 등온 변화시간을 제1 측정부(610)를 통해 측정한다(S51 단계).
즉, 상기 제1 측정부(610)는 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역(11) 내부에서 물이 동결되는 과정에, 그 분할 영역(11)에서 물이 상변화되는 구간의 등온 변화시간을 측정할 수 있다.
그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 비교 추출부(710)를 통해 각 분할 영역(11)의 등온 변화시간을 비교하여 각 분할 영역별 물 분포도를 추출한다(S52 단계).
여기서, 상기 등온 변화시간은 각 분할 영역(11)에서 물이 얼음으로 생성되는 시간을 의미하며, 이 시간은 각 분할 영역(11)에 분포한 물의 양과 비례하는 바, 그러므로 상기 과정에서는 각 분할 영역(11)의 등온 변화시간을 비교하여 각 분할 영역(11)에 분포하는 물의 양을 비교 예측할 수 있다.
한편, 상기 과정에서는 각 분할 영역들(11) 중 등온 변화시간이 가장 짧은 분할 영역(11)을 제외한 나머지 분할 영역(11)의 등온 변화시간을 비교할 수 있다.
이어서, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 스택(10)의 외부 온도를 일정한 값으로 유지하며 소정의 온도 분위기에서, 제2 측정부(810)를 통해 상기 각 분할 영역(11)의 동결된 물이 해동되는 상변화 시간을 측정한다(S53 단계).
다음으로, 상기 과정을 거친 후, 본 발명의 실시예에서는 제2 측정부(810)에 의해 측정된 상변화(해동) 시간으로서 연산부(910)를 통해 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역별 분포도에 따른 물의 양을 연산한다(S54 단계).
즉, 상기 연산부(910)는 각 분할 영역(11)의 상변화 시간에 따른 열전달량으로서 각 분할 영역(11)에 분포된 물의 양을 정량화 할 수 있다.
이렇게 상기 연산부(910)에 의해 각 분할 영역(11)에 분포된 물의 양을 정량화하고 나면, 본 발명의 실시예에서는 각 분할 영역별 물의 양을 표시부(950)를 통해 디시플레이 할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치(100) 및 그 방법에 의하면, 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역(11)의 내부 온도를 더미 셀(50)에 설치된 온도 센서(110)를 통해 측정할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 스택(10)을 냉각시키는 조건에서, 온도 센서(110)에 의해 측정된 각 분할 영역(11)의 온도 측정값에 기인하여 연료 전지 스택(10) 내부의 물이 상변화 되는 시간으로서 각 분할 영역(11)에 분포된 물의 양을 예측할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 스택(10)의 분할 영역(11)에서 동결된 물이 해동되는 상변화 시간으로서 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역(11)에 분포된 물의 양을 정량화 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 방식으로 연료 전지 스택(10)의 각 분할 영역(11)에 분포된 물을 측정한 결과, 도 6의 그래프에서와 같이 연료 전지 스택(10)의 냉각수 입출구 방향을 기준으로, 입구 부근 및 하단 영역에서 물이 가장 많이 분포되어 있고, 냉각수의 출구 상단 영역에서 물이 가장 적게 분포되어 있음을 알 수 있었다.
이는 종래 기술에서 중성자를 통해 연료 전지 스택(10) 내부의 물 분포를 측정한 결과와 동일한 결과를 나타내고 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 단위 전지의 물 분포 측정에 유용한 종래 기술과 달리, 수백 매의 단위 전지들(20)이 적층된 연료 전지 스택(10) 내부의 물 분포를 측정할 수 있으므로, 연료 전지 스택(10)의 내부에 존재하는 물의 분포량에 따른 연료 전지 스택(10)의 드라이-아웃 및 플러딩 문제에 적극적으로 대응할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10... 연료 전지 스택 11... 분할 영역
20... 단위 전지 30... 막-전극 어셈블리(MEA)
35... 가스 확산층(GDL) 40... 세퍼레이터
41... 연료 유로 43... 산화제 유로
45... 냉각 유로 50... 더미 셀
110... 온도 센서 111... 열전대(thermocouple)
310... 냉각 챔버 510... 검출유닛
610... 제1 측정부 710... 비교 추출부
810... 제2 측정부 910... 연산부
950... 표시부

Claims (20)

  1. 단위 전지들이 적층된 전기 발생 집합체의 내부 온도를 측정하기 위한 더미 셀들을 포함하고 있는 연료 전지 스택을 이용하여 그 스택 내부의 물 분포를 측정하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치로서,
    상기 전기 발생 집합체의 전체 영역에서 다수 개로 분할된 각 분할 영역의 온도를 측정하기 위해 상기 더미 셀에 구비되는 온도 센서; 및
    상기 전기 발생 집합체를 냉각시키는 조건에서, 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 각 분할 영역의 온도 값과, 상기 전기 발생 집합체 내부의 물이 상변화 되는 시간으로서 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 예측하는 검출유닛
    을 포함하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 검출유닛은,
    상기 각 분할 영역에서 동결된 물이 해동되는 상변화 시간을 측정하여 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 연산하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 검출유닛은,
    상기 각 분할 영역의 상변화 시간에 따른 열전달량으로서 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 정량화 하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 검출유닛은,
    상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도 값을 기준으로, 상기 전기 발생 집합체 내부의 물이 상변화 되는 구간의 등온 변화시간을 측정하는 제1 측정부;
    상기 제1 측정부를 통해 측정된 상기 각 분할 영역의 등온 변화시간을 비교하여 각 분할 영역별 물 분포도를 추출하는 비교 추출부;
    상기 각 분할 영역의 동결된 물이 해동되는 상변화 시간을 측정하는 제2 측정부; 및
    상기 제2 측정부에 의해 측정된 상변화 시간으로서 상기 각 분할 영역별 분포도에 따른 물의 양을 연산하는 연산부
    를 포함하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 검출유닛은,
    상기 연산부에 의해 연산된 상기 각 분할 영역별 물의 양을 디스플레이 하는 표시부를 포함하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 비교 추출부는,
    상기 각 분할 영역들 중 등온 변화시간이 가장 짧은 분할 영역을 제외한 나머지 영역의 등온 변화시간을 비교하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 온도 센서는,
    상기 전기 발생 집합체의 상,중,하측 영역에서 냉각수의 입출구 방향으로 다수 분할된 영역의 더미 셀에 구비되는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 열전대(thermocouple)를 포함하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 발생 집합체를 냉각시키기 위한 냉각 챔버를 더 포함하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치.
  10. (a) 다수 개의 단위 전지들과, 온도 측정을 위한 더미 셀들이 적층된 연료 전지 스택을 제공하고;
    (b) 상기 연료 전지 스택의 전체 영역을 다수 개의 영역으로 분할하여 각 분할 영역의 더미 셀에 온도 센서를 장착하며;
    (c) 상기 연료 전지 스택을 일정 시간 동안 운전 후에 정지한 상태로 상기 연료 전지 스택을 저온 분위기에서 냉각시키고;
    (d) 상기 온도 센서를 통해 상기 각 분할 영역의 온도를 측정하며;
    (e) 상기 각 분할 영역의 온도 값과 상기 연료 전지 스택 내부의 물이 상변화 되는 시간으로서 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 예측하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 (b) 과정에서는,
    상기 연료 전지 스택의 상,중,하측 영역을 냉각수의 입출구 방향으로 다수 분할하고,
    상기 각 분할 영역에 해당하는 더미 셀에 상기 온도 센서를 장착하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 (c) 과정에서는,
    냉각 챔버에서 저온 분위기의 온도를 변화시키며 상기 연료 전지 스택을 냉각하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 (c) 과정에서는,
    상기 연료 전지 스택의 운전 정지 후, 상기 연료 전지 스택의 내부에 존재하는 냉각수를 배출하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 (a) 과정에서는,
    냉각수에 부동액이 포함된 연료 전지 스택을 제공하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 (e) 과정에서는,
    상기 물의 상변화 시간을 조절하기 위해 상기 연료 전지 스택의 내부 압력을 조절하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 (e) 과정에서는,
    (e-1) 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도 값을 기준으로, 상기 연료 전지 스택 내부의 물이 상변화되는 구간의 등온 변화시간을 측정하고,
    (e-2) 상기 각 분할 영역의 등온 변화시간을 비교하여 상기 각 분할 영역별 물 분포도를 추출하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 (e) 과정에서는,
    (e-3) 소정의 온도 분위기에서 상기 각 분할 영역의 동결된 물이 해동되는 상변화 시간을 측정하고,
    (e-4) 상기 동결된 물이 해동되는 상변화 시간으로서 상기 각 분할 영역별 분포도에 따른 물의 양을 연산하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 (e-2) 과정에서는,
    상기 각 분할 영역들 중 등온 변화시간이 가장 짧은 분할 영역을 제외한 나머지 분할 영역의 등온 변화시간을 비교하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 (e-3) 과정에서는,
    상기 연료 전지 스택의 외부 온도를 일정한 값으로 유지하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 (e-4) 과정에서는,
    상기 각 분할 영역의 상변화 시간에 따른 열 전달량을 연산하여 상기 각 분할 영역에 분포된 물의 양을 정량화 하는 연료 전지 스택의 물 분포 측정 방법.
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