KR101434537B1 - 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 원통형 핀이 아닌 스프링형 핀을 이용하여 분리판에 구멍을 뚫지 않고서 단위 전지 전압을 측정할 수 있는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치는, 연료 전지 스택(Stack)의 단위 전지(Unit Cell) 전압을 측정하는 장치에 있어서,분리판에 스프링력이 존재하는 부분을 접촉시킨 적어도 하나 이상의 스프링형 핀; 상기 스프링형 핀에서 상기 분리판에 접촉된 부분의 반대쪽 부분과 전기적으로 연결된 인쇄 회로 기판; 및 상기 인쇄 회로 기판이 취부되고 상기 스택의 엔드플레이트(End Plate) 부분에 고정되는 브래킷을 포함할 수 있다.

Description

연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치{Apparatus for Measuring Unit Cell Voltage of Fuel Cell}
본 발명은 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치 및 방법에 관한 발명이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 스택의 단위 전지 전압을 안전하고 간편하게 측정하기 위한 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와 산화제 가스의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이다.
이러한 연료 전지는 시스템의 구성 요소와 연료의 종류에 따라 여러 타입으로 나뉘는데, 저온형 연료 전지는 크게 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 직접메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)로 구분할 수 있다.
고분자 전해질 연료전지는 순수한 수소 가스 또는 개질 장치에서 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스와 공기와 같은 산화제 가스를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.
여기서, 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수도 있다.
직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질 연료 전지와 달리, 수소를 포함한 가스를 사용하지 않고 액체연료 또는 가스 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와 별도 제공되는 산화제 가스의 전기화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.
스택(Stack)은 소형 발전기 등에 사용이 가능한 PEMFC, DMFC 등의 핵심 부품으로, 스택은 막-전극 어셈블리(MEA, Membrane Electrode Assembly)와 분리판으로 이루어진 단위 전지(Unit Cell)들이 연속적으로 배치되어 있다.
스택은 단위 전지들이 수십 개 내지 수백 개로 적층되며, 수W 내지 KW의 전력량을 생산하게 된다. 여기서, 분리판은 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측면에 배치되며, 수소를 포함한 가스 또는 액체연료 및 산화제 가스를 막-전극 어셈블리로 공급하는 통로의 역할과 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 동시에 수행할 수 있다. 따라서, 스택의 단위 전지들로 연료 및 산화제 가스를 공급하게 되면, 연료는 막-전극 어셈블리의 애노드 전극으로 공급되고, 산화제 가스는 분리판에 의해 캐소드 전극으로 공급된다. 이 과정에 스택은 애노드 전극에서 연료 중에 함유된 수소 성분의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산화제 가스의 전기 화학적인 환원 반응이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로서 전기 에너지를 생성하게 된다.
스택의 정상적인 동작을 위해서는 스택을 구성하는 각각의 단위 전지의 전압을 측정하여 허용범위를 만족하는지 실시간으로 모니터링이 필요하다. 단위 전지의 전압을 측정하는 종래 방법은 카본 재질의 단위 전지 분리판에 구멍을 뚫고 원통형 핀을 삽입하여 측정하였다.
그러나, 이러한 단위 전지의 전압을 측정하는 종래 방법은 진동이나 충격에 의한 분리판 구멍부위 파손, 핀 빠짐 현상 등의 문제가 발생하였고, 각 핀에 와이어를 납땜하는 것이 필요하여 배선이 복잡하고 작업시간이 많이 소요되는 문제점도 존재한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 원통형 핀이 아닌 스프링형 핀을 이용하여 분리판에 구멍을 뚫지 않고서 단위 전지 전압을 측정할 수 있는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 연료 전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치는, 연료 전지 스택(Stack)의 단위 전지(Unit Cell) 전압을 측정하는 장치에 있어서, 분리판에 스프링력이 존재하는 부분을 접촉시킨 적어도 하나 이상의 스프링형 핀; 상기 스프링형 핀에서 상기 분리판에 접촉된 부분의 반대쪽 부분과 전기적으로 연결된 인쇄 회로 기판; 및 상기 인쇄 회로 기판이 취부되고 상기 스택의 엔드플레이트(End Plate) 부분에 고정되는 브래킷을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 인쇄 회로 기판은 와이어 하네스(Wire Harness)와 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 와이어 하네스와 연결되고, 상기 단위 전지 전압을 측정하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 인쇄 회로 기판은 상기 스프링형 핀과 납땜(Soldering)으로 인하여 전기적으로 연결된 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 인쇄 회로 기판은, 상기 분리판의 두께와 막-전극 어셈블리(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 두께를 실측하여 상기 분리판 간의 간격과 일치되도록 상기 스프링형 핀을 고정할 수 있도록 스프링핀 구멍이 존재할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스프링핀 구멍은 타원형일 수 있다.
바람직하게는, 상기 스프링핀 구멍은 분리판 마다 존재하며, 상기 분리판 마다 존재하는 스프링핀 구멍은 상기 분리판 마다 지그재그로 된 위치에 존재할 수 있다.
본 발명은 기존 단위 전지 전압 측정과는 달리 분리판에 구멍을 뚫지 않기 때문에 분리판 구멍부위 파손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 핀 빠짐 현상이 발생하지 않는다.
또한, 본 발명은 각 핀에 와이어를 납땜하는 작업시간을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 인쇄 회로 기판과 브래킷을 이용하여 배선 정리 및 정비성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 단위 전지 전압 측정의 안정성을 향상시키고, 측정의 에러(Error)를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치가 적용된 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에서 예로 든 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치가 적용된 일 예를 측면에서 나타낸 도면이다
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치가 스택에 적용된 일 부분을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치에서 브래킷이 엔드플레이트에 연결되는 일 예를 설명하는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”있다거나 “접속되어”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어”있다거나 “직접 접속되어”있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함될 수 있다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)는, 스프링형 핀(110), 인쇄 회로 기판(120) 및 브래킷(130)을 포함한다.
스프링형 핀(110)은 스프링형 핀(110)의 일 부분이 스프링 형태로 되어 있어, 스프링력(탄성력)을 가지고 있다. 스프링형 핀(110)은 적어도 하나 이상이 존재하며, 하나의 단위 전지(Unit Cell) 또는 하나의 분리판(10) 마다 하나 이상의 스프링형 핀(110)이 접촉될 수 있다. 또는, 모든 단위 전지마다 하나 이상의 스프링형 핀(110)이 접촉되는 것이 아니라, 단위 전지 배열에서 특정 간격이나 단위 전지의 특정 개수마다 스프링형이 존재할 수도 있다. 도 1에서 '10'으로 표시된 부분은 각각의 사각형이 하나의 분리판(10)을 의미하며, 따라서 약 80 개 정도의 분리판(10)이 존재한다.
하나의 연료 전지 스택(이하 '스택')은 막-전극 어셈블리(MEA, Membrane Electrode Assembly)와 분리판(10)으로 이루어진 단위 전지(Unit Cell)들이 연속적으로 배치되어 있고, 그러한 단위 전지들은 수십 개 내지 수백 개가 적층될 수 있다. 따라서, 하나의 스택에 스프링형 핀(110)도 수십 개 내지 수백 개가 존재할 수 있다.
스프링형 핀(110)은 스프링력이 존재하는 부분을 분리판(10)에 접촉시킬 수 있다.
스프링형 핀(110)은 분리판(10)에 접촉되어 단위 전지의 전압을 측정할 수 있다. 스프링형 핀(110)은 전압을 측정할 수 있는 전압 측정 단자를 내장할 수 있다. 다만, 반드시 스프링형 핀(110)에 전압을 측정할 수 있는 전압 측정 단자를 내장할 필요는 없다. 각 스프링형 핀(110)마다 전압 측정 단자를 내장하는 경우 비용 소모가 증가할 수 있는 문제가 있다. 따라서 스프링형 핀(110)을 도체로 형성하여 도체인 분리판(10)에 접촉시켜 전류를 와이어 하네스(30)를 통하여 제어기(150)로 전송하고, 전송된 전류를 이용하여 제어기(150)가 각 단위 전지마다의 전압을 측정할 수도 있다.
스프링형 핀(110)이 분리판(10)에 접촉될 때 스프링형 핀(110)과 분리판(10)의 접촉력을 최적으로 유지하기 위하여 스프링이 다소 압축되도록 스프링형 핀(110)을 접촉 및 고정시킬 수 있다.
스프링형 핀(110)에서 스프링력이 존재하는 부분의 반대쪽 부분은 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board)(120)에 전기적으로 연결될 수 있다.
인쇄 기판 회로는 브래킷(130)(Bracket)에 의하여 스택의 엔드플레이트(20)(End Plate)에 고정될 수 있다.
구체적으로 인쇄 기판 회로가 브래킷(130)에 의하여 스택의 엔드플레이트(20)에 고정되기 위하여 도 1과 같이 인쇄 기판 회로와 브래킷(130)을 고정하는 나사고정용 틀이 존재할 수 있다.
인쇄 회로 기판(120)은 분리판(10)의 두께와 막-전극 어셈블리(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 두께를 실측하여 분리판(10)간의 간격에 맞추어 스프링형 핀(110)을 고정할 수 있게 구멍이 존재하도록 제작된 것일 수 있다.
또한, 인쇄 회로 기판(120)의 구멍 위치와 분리판(10)의 위치가 일치하지 않을 것을 대비하여 스프링형 핀(110)을 연결하는 인쇄 회로 기판(120)의 구멍에 소정의 유격을 줄 수도 있다.
스프링형 핀(110)에서 분리판(10)에 접촉되는 스프링력이 존재하는 부분의 반대편 부분은 인쇄 회로 기판(120)의 구멍에 삽입된 후 납땜 등으로 전기적으로 연결될 수 있다.
인쇄 회로 기판(120)은 스프링형 핀(110)을 분리판(10)의 위치와 일치시켜 브래킷(130)에 고정할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 브래킷(130)은 스택의 엔드플레이트(20)에 고정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)가 적용된 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)가 약 80개 정도의 분리판(10)이 존재하는 스택에 적용된 예의 평면도이다.
도 2에서 다수 개의 스프링형 핀(110)이 일정 간격으로 분리판(10)에 접촉되어 있고, 모든 스프링형 핀(110)은 인쇄 회로 기판(120)에 전기적으로 연결되어 있다.
인쇄 회로 기판(120)은 브래킷(130)에 의하여 분리판(10)의 엔드플레이트(20)에 고정되어 있다. 또한, 인쇄 회로 기판(120)은 제어기(150)와 연결된 여러 배선을 종합한 배선 다발인 와이어 하네스(30)(Wire Harness)와 연결될 수 있다. 또는 스프링형 핀(110)이 와이어 하네스(30)와 연결될 수도 있다.
구체적으로 인쇄 회로 기판(120)은 와이어 하네스(30)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 인쇄 회로 기판(120)을 이용하여 포트(Port)별로 회로 배선을 깔끔하게 정리할 수 있다. 기존의 단위 전기 전압 측정 장치는 각 핀에 와이어를 납땜하는 방식을 이용하여 배선이 복잡하고 작업시간이 많이 소요되는 문제점이 존재하였다.
따라서, 인쇄 회로 기판(120)에 스프링형 핀(110)을 전기적으로 연결하고, 제어기(150)와 연결된 와이어 하네스(30)를 포트 별로 인쇄 회로 기판(120)에 연결하면, 배선이 깔끔하고 각 핀마다 와이어를 납땜할 필요가 없어 작업 시간의 단축이 가능하다.
도 3은 도 2에서 예로 든 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)가 적용된 일 예를 측면에서 나타낸 도면이다
도 3의 점선 부분이 도 1에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)가 적용된 부분이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)가 스택에 적용된 일 부분을 확대한 도면이다.
구체적으로 도 4는 도 2의 일부분을 확대한 것으로, 보다 구체적으로 수십 내지 수백 개의 분리판(10) 중에서 10개의 분리판(10) 부분에 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)가 적용된 것을 확대한 도면이다.
도 4를 참조하면, 스택의 엔드플레이트(20)에 브래킷(130)이 고정되어 있고, 브래킷(130)의 고정을 위하여 브래킷 고정 구멍(132)이 존재할 수 있다.
또한, 인쇄 회로 기판(120)은 브래킷(130)에 의하여 스택의 엔드플레이트(20)에 고정될 수 있고, 이를 위하여 인쇄 회로 기판(120)에는 고정용 나사(140) 등이 사용될 수 있는 PCB 고정 구멍(124)이 존재할 수 있다.
인쇄 회로 기판(120)은 와이어 하네스(30)를 포트 별로 연결하기 위한 포트가 존재할 수 있다.
인쇄 회로 기판(120)은 분리판(10)에 접촉되는 스프링력을 가진 스프링형 핀(110)을 연결하기 위한 스프링핀 구멍(122)이 분리판(10) 마다 존재할 수 있다.
스프링핀 구멍(122)은 스프링형 핀(110)의 연결, 제조의 용이성 등을 고려하여 도 4와 같이 지그재그로 형성할 수 있다.
또한, 스프링핀 구멍(122)은 타원형으로 형성할 수 있다. 스택이 동작하면 수축 팽창이 발생되어 분리판(10) 간의 간격이 달라질 수 있는데, 이러한 현상으로 발생될 수 있는 단위 전지 전압 측정의 오차를 감소시키기 위하여 스프링핀 구멍(122)에 소정의 이격을 두기 위하여 타원형으로 형성할 수 있다. 마찬가지 이유로 PCB 고정 구멍(124), 브래킷 고정 구멍(132)도 소정의 이격을 두기 위하여 타원형으로 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)에서 브래킷(130)이 엔드플레이트(20)에 연결되는 일 예를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 브래킷(130)이 스택의 엔드플레이트(20)와 연결되는 사이에 스택과 브래킷(130)의 전기적인 절연을 위하여 절연체를 추가할 수 있다. 도 5는 브래킷(130)과 스택의 엔드플레이트(20) 사이에 절연체를 추가한 모습을 측면에서 살펴본 도면이다.
본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)는 기존 단위 전지 전압 측정과는 달리 분리판(10)에 구멍을 뚫지 않기 때문에 분리판(10) 구멍부위 파손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)는 핀 빠짐 현상이 발생하지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)는 각 핀에 와이어를 납땜하는 작업시간을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)는 인쇄 회로 기판(120)과 브래킷(130)을 이용하여 배선 정리 및 정비성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치(100)는 단위 전지 전압 측정의 안정성을 향상시키고, 측정의 에러(Error)를 감소시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 분리판
20 : 엔드플레이트
30 : 와이어 하네스
100 : 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치
110 : 스프링형 핀
120 : 인쇄 회로 기판
122 : 스프링핀 구멍
124 : PCB 고정 구멍
130 : 브래킷
132 : 브래킷 고정 구멍
140 : 고정용 나사
150 : 제어기

Claims (7)

  1. 연료 전지 스택(Stack)의 단위 전지(Unit Cell) 전압을 측정하는 장치에 있어서,
    일부분이 스프링력을 갖는 스프링 형태로 형성되어, 분리판에 상기 스프링력이 존재하는 부분을 압축되도록 하여 접촉 및 고정시킨 적어도 하나 이상의 스프링형 핀;
    상기 스프링형 핀에서 상기 분리판에 접촉된 부분의 반대쪽 부분과 전기적으로 연결된 인쇄 회로 기판; 및
    상기 인쇄 회로 기판이 취부되고 상기 스택의 엔드플레이트(End Plate) 부분에 고정되는 브래킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은 와이어 하네스(Wire Harness)와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 와이어 하네스와 연결되고, 상기 단위 전지 전압을 측정하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은 상기 스프링형 핀과 납땜(Soldering)으로 인하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은,
    상기 분리판의 두께와 막-전극 어셈블리(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 두께를 실측하여 상기 분리판 간의 간격과 일치되도록 상기 스프링형 핀을 고정할 수 있도록 스프링핀 구멍이 존재하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스프링핀 구멍은 타원형인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 스프링핀 구멍은 분리판 마다 존재하며,
    상기 분리판 마다 존재하는 스프링핀 구멍은 상기 분리판 마다 지그재그로 된 위치에 존재하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위 전지 전압 측정 장치.
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