KR101543041B1

KR101543041B1 - Ｆｐｃｂ를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치

Info

Publication number: KR101543041B1
Application number: KR1020090118958A
Authority: KR
Inventors: 금영범; 정귀성; 노영우; 서정도; 유정한; 김덕환; 고행진
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2015-08-13
Also published as: KR20110062284A

Abstract

본 발명은 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 배선이 가능한 FPCB를 이용하여 연료전지 스택의 셀전압을 모니터링하는 단자를 용이하게 구성할 수 있도록 한 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 분리판에 구비된 셀전압 측정용 단자측 커넥터들에 연결되는 인터페이스용 PCB와; 연료전지 스택을 감싸는 인클로져의 외측면에 장착되는 외부 연결용 커넥터와; 상기 인터페이스용 PCB와, 외부연결 커넥터간에 연결되는 신호 인터페이스용 FPCB; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치를 제공한다.

연료전지 스택, 셀전압, 모니터링, 장치, FPCB, 커넥터

Description

ＦＰＣＢ를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치{Device for monitoring cell voltage of fuel cell stack using FPCB}

연료전지 스택의 하나의 셀 단위 구성을 보면, 고분자 전해질막과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 이루어진 전해질막-전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)와, 공기극 및 연료극의 바깥 부분에는 적층되는 가스확산층 및 가스켓과, 가스확산층의 바깥쪽에 위치되어 공기 및 수소를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판과, 이들 구성들을 결합시키기 위해 가장 바깥쪽에 위치되는 엔드 플레이트 등을 포함하여 구성된다.

이렇게 구비된 연료전지 스택은 전체 스택을 감싸서 외부로부터 보호하고, 스택에 대한 단열성 및 내화학성 등을 제공하기 위하여, 소정 체적의 인클로져(=하우징)로 밀봉 처리되어 차량에 탑재된다.

상기 연료전지 스택은 다수의 셀이 적층된 구조로서, 각 셀에서 전기 생성이 원할하게 이루어지고 있는지를 확인하기 위하여 첨부한 도 8에 도시된 바와 같은 셀전압 모니터링 단자가 스택 내외에 설치되어 있다.

상기 연료전지 스택 모니터링 단자(SVM)는 인클로져 내에서 스택 측면에 장착되어 분리판과 접촉하는 분리판 접촉핀(미도시됨)과, 분리판 접촉핀과 케이블에 의하여 연결되는 인터페이스 보드(1)와, 인터페이스 보드(1)를 고정 및 보호하기 위한 하우징(2)과, 인터페이스 보드(1)로부터 인클로져 외부로 연장되는 인터페이스 케이블(3)과, 인클로져 외부에 설치되는 제어기 연결용 커넥터(4)를 포함하여 구성되고, 특히 인터페이스 케이블(3)이 인클로져를 통과하는 지점에서의 인클로져 내면에는 외부 먼지 및 수분이 인클로져내로 유입되는 것을 차단하는 그로멧(5)이 장착된다.

그러나, 종래의 스택 모니터링 단자는 다음과 같은 문제점이 있다.

상기 인클로져내에서 외부로 연장되는 인터페이스 케이블의 설치 공간이 많이 들고, 또한 인터페이스 케이블을 외부로 빼내는 배선 경로가 매우 복잡해지는 문제점이 있다.

즉, 스택 셀전압을 측정하기 위한 인터페이스 케이블은 100여개의 신호선으로 구성되기 때문에 그 차지하는 공간이 매우 크고, 또한 배선 경로에 대한 설계 자유도가 떨어져 인클로져 내부에 케이블이 뒤엉킨 상태로 복잡하게 설치되어 단선 등의 위험이 존재하게 된다.

또한, 인터페이스 케이블을 인클로져 외부로 빼기 위해서 그로멧을 사용하고 있는 바, 그로멧의 노후에 따라 스택 내부로 먼지나 수분이 유입되는 것을 완전히 차단할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 기존에 설치공간을 많이 차지하던 인터페이스 케이블 방식을 배제하고, 3차원 배선이 용이한 FPCB를 이용하여 셀전압을 모니터링하는 단자를 구성함으로써, 셀전압 모니터링을 위한 배선 방향을 자유롭게 설계할 수 있고, 인클로져내의 설치공간을 절약할 수 있는 등의 효과를 얻을 수 있는 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 분리판에 구비된 셀전압 측정용 단자측 커넥터들에 연결되는 인터페이스용 PCB와; 연료전지 스택을 감싸는 인클로져의 외측면에 장착되는 외부 연결용 커넥터와; 상기 인터페이스용 PCB와, 외부연결 커넥터간에 연결되는 신호 인터페이스용 FPCB; 를 포함하여 구성 된 것을 특징으로 하는 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치를 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 인터페이스용 PCB는 분리판에 구비된 셀전압 측정용 단자측 커넥터들에 각각 연결되는 다수의 인터페이스 커넥터가 길이방향을 따라 소정 간격으로 형성되고, 일측부에는 복수개의 신호 전달용 암커넥터가 형성된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 인터페이스용 PCB의 신호 전달용 암커넥터는 2열 종대로 형성되고, 각 열의 신호 전달용 암커넥터간의 거리는 신호 인터페이스용 FPCB의 배선 경로를 확보하는 수준으로 정해진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 인터페이스용 PCB는 양면 PCB 인 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 외부 연결용 커넥터는 복수개의 신호 수신용 암커넥터가 형성된 PCB 구조로 제작된 것임을 특징으로 한다.

특히, 상기 외부 연결용 커넥터와 인클로져간의 밀착부위에는 기밀 유지를 위한 가스켓이 삽입된 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 신호 인터페이스용 FPCB의 양단에는 인터페이스용 PCB의 신호 전달용 암커넥터와, 외부연결 커넥터의 신호 수신용 암커넥터간에 연결되는 숫커넥터가 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 신호 인터페이스용 FPCB는 2층 구조이고, 그 내부에 존재하는 다수의 핀들이 교차 배열된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인터페이스용 PCB의 각 신호 전달용 암커넥터에는 서로 다른 형 상의 홀이 형성되고, 상기 신호 인터페이스용 FPCB의 숫커넥터에는 상기 홀이 삽입되는 서로 다른 크기의 돌출부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 셀전압 모니터링을 위하여 스택의 분리판의 단자측에 인터페이스용 PCB를 연결하고, 스택을 감싸는 인클로져 외측에 외부 연결용 커넥터를 장착하며, 인터페이스용 PCB와 외부연결 커넥터를 신호 인터페이스용 FPCB로 연결해줌으로써, 인클로져내의 셀전압 모니터링을 위한 구성부품들이 컴팩트한 구조로 배열되어, 내전압 및 내트래킹성을 향상시킬 수 있고, 셀전압 측정의 정확도를 높일 수 있다.

특히, 반복굴곡이 가능하고, 높은 내구성 및 고밀도 배선이 가능하여, 배선 자유도가 우수한 신호 인터페이스용 FPCB를 이용함으로써, 기존에 케이블이 뒤엉킨 상태로 복잡하게 설치되어 단선 등의 위험이 존재하던 점을 방지할 수 있다.

또한, 기존의 인클로져 기밀 유지를 위한 그로멧을 배제하고, 기밀 성능이 우수한 가스켓을 사용하여 스택 내부로 먼지나 수분이 유입되는 것을 완전히 차단할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치의 구성을 설명하는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 셀전압 모니터링 장치가 분리판과 접속되는 구조를 나타내는 개략도이며, 도 3은 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치의 인터페이스 PCB와 외부 연결용 커넥터가 신호 인터페이스 FPCB에 의하여 연결되는 구조를 설명하는 개략도이다.

본 발명은 단독으로 3차원 배선이 가능하고, 기기의 소형화 및 경량화가 가능하며, 또한 반복굴곡을 주면서 높은 내구성 및 고밀도 배선이 가능하며, 배선의 오류가 없고 조립이 양호하여 신뢰성이 높은 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)를 이용하여, 연료전지 스택의 셀전압을 모니터링하는 장치를 구성한 점에 주안점이 있다.

본 발명에 따른 셀전압 모니터링 장치의 구성을 보면, 인터페이스용 PCB(10)와, 외부 연결용 커넥터(20)와, 인터페이스용 PCB(10)와 외부연결 커넥터(20)간에 연결되는 신호 인터페이스용 FPCB(30)로 크게 나누어진다.

상기 인터페이스 PCB(10)는 연료전지 스택의 분리판(40)에 구비된 셀전압 측정용 단자측 커넥터(42)들에 연결되는 것으로서, 이 셀전압 측정용 단자측 커넥터(42)들에 각각 연결되는 다수의 인터페이스 커넥터(12)가 길이방향을 따라 소정 간격으로 형성되고, 그 일측부에는 복수개의 신호 전달용 암커넥터(14)가 형성된 구조로 구비된다.

보다 상세하게는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 인터페이스용 PCB(10)의 일측부에 형성되는 복수개의 신호 전달용 암커넥터(14)는 그 길이방향을 따라 2열 종대로 형성되고, 각 열의 신호 전달용 암커넥터(14)간의 거리는 하기의 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 배선 경로를 확보하는 수준 즉, 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 폭보다 다소 큰 수준이 되도록 한다.

이때, 상기 인터페이스용 PCB(10)는 일면 PCB 또는 양면 PCB를 사용하되, 바람직하게는 더 많은 신호 전달용 암커넥터가 양면에 형성되도록 양면 PCB를 사용하는 것이 좋다.

상기 외부 연결용 커넥터(20)는 연료전지 스택을 감싸는 인클로져의 외측면에 장착되는 PCB 구조로서, 안쪽 영역에 복수개의 신호 수신용 암커넥터(22)가 형성되고, 바깥쪽 영역에 외부기기(셀전압 모니터링을 위한 측정기기) 연결용 암커넥터(24)가 형성된다.

특히, 상기 외부 연결용 커넥터의 신호 수신용 암커넥터(22)가 인클로져의 내부로 노출되도록 인클로져에 설치홀이 형성되는 바, 인클로져의 내부 기밀 유지를 위하여 상기 외부 연결용 커넥터(20)와 인클로져의 설치홀 주변간의 밀착부위에 가스켓(50)이 삽입 부착된다.

상기 신호 인터페이스용 FPCB(30)는 반복굴곡이 가능하고, 높은 내구성 및 고밀도의 3차원 배선이 가능한 플렉시블한 재질로서, 상기 인터페이스용 PCB(10)와 외부연결 커넥터(20)간에 연결된다.

보다 상세하게는, 상기 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 양단에는 인터페이스 용 PCB(10)의 신호 전달용 암커넥터(14)에 삽입 연결되는 동시에 외부 연결용 커넥터(20)의 신호 수신용 암커넥터(22)에 삽입 연결되는 숫커넥터(32)가 각각 형성된다.

이에, 상기 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 숫커넥터(32)를 인터페이스용 PCB(10)의 신호 전달용 암커넥터(14)에 삽입하고, 동시에 외부 연결용 커넥터(20)의 신호 수신용 암커넥터(22)에 삽입하여, 인터페이스용 PCB(10)와 외부 연결용 커넥터(20)간의 전기적 연결이 이루어진다.

이때, 상기 신호 인터페이스용 FPCB(30)는 2층 구조이고, 그 내부에 존재하는 다수의 핀(34)들이 교차 배열 또는 U자 배열이 되도록 한다.

예를 들어, 0.1mm 피치의 핀을 갖는 FPCB의 경우, 핀간의 내전압은 500V 정도이나 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 양단간 내전압은 핀수 증가의 배수 이상으로 증가하므로, 핀의 재배치 없이는 양단간에 최대 전압이 걸리는 구조를 적용하기 어려운 점에 있다.

이에 도 5에 도시된 바와 같이, 신호 인터페이스용 FPCB(30)를 핀이 U자형 배열을 갖는 구조 또는 2층 FPCB를 적용하여 FPCB내에 핀이 교차되는 배열을 갖는 구조로 제작하여, 스택 전압이 신호 인터페이스용 FPCB에서 순차적으로 증가되도록 함으로써, 내전압 및 내트래킹성을 향상시킬 수 있다.

한편, 두 개 이상의 FPCB를 사용하여 인터페이스 PCB와 외부 연결용 커넥터를 연결할 때, 동일한 핀수를 가지는 FPCB를 사용하는 경우, 오삽입이 되면 전압 측정오류, 고전압 차이에 의한 셀전압 측정용 제어기 손상 및 화재가 발생할 수 있 다.

이에, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이 상기 인터페이스용 PCB(10)의 각 신호 전달용 암커넥터(14) 주변에 서로 다른 형상의 홀(16)을 형성하고, 상기 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 숫커넥터(32) 주변에 상기 홀(16)에 삽입되는 서로 다른 크기의 돌출부(36)를 형성하여, 서로 매칭이 되도록 함으로써, 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 오삽입을 방지할 수 있고, 물론 두 개 이상의 인터페이스용 FPCB(10)의 핀수를 달리하여 오삽입을 방지하는 방법도 채택 가능하다.

또한, 상기 홀(16)에 돌출부(36)가 삽입 결합되는 구조로 인하여, 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 인장력을 줄일 수 있고, 인터페이스용 PCB(10)와 신호 인터페이스용 FPCB(30)간의 분리 내지 빠짐 현상을 방지할 수 있다.

한편, 도 7에서 보는 바와 같이 상기 신호 인터페이스 FPCB가 플렉시블한 재질이므로, 소정 형상의 브라켓(52)을 이용하여 신호 인터페이스 FPCB(30)를 분리판(40)의 벽면쪽에 고정시키는 것이 바람직하다.

이와 같이, 연료전지 스탱의 셀전압 모니터링을 위한 구성들을 스택의 분리판의 단자측에 연결되는 인터페이스용 PCB와, 스택을 감싸는 인클로져 외측에 장착되는 외부 연결용 커넥터와, 인터페이스용 PCB와 외부연결 커넥터간을 연결하는 신호 인터페이스용 FPCB로 구성함으로써, 기존의 인터페이스 케이블에 비하여 단순하면서도 컴팩트한 인터페이스 연결 구조를 이루게 되어, 내전압 및 내트래킹성을 향상시킬 수 있고, 셀전압 측정의 정확도를 높일 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치의 구성을 설명하는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치가 분리판과 접속되는 구조를 나타내는 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치의 인터페이스 PCB와 외부 연결용 커넥터가 신호 인터페이스 FPCB에 의하여 연결되는 구조를 설명하는 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치의 인터페이스 PCB에 커넥터가 형성되는 구조를 설명하는 개략도,

도 5는 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치의 신호 인터페이스 FPCB의 핀 배열 구조를 설명하는 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치의 인터페이스 PCB와 신호 인터페이스 FPCB간의 이탈 방지 구조를 나타낸 개략도,

도 7은 본 발명에 따른 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치의 신호 인터페이스 FPCB를 분리판에 고정시키는 방법을 설명하는 개략도,

도 8은 종래의 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치를 나타내는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 인터페이스용 PCB 12 : 인터페이스 커넥터

14 : 신호 전달용 암커넥터 16 : 홀

20 : 외부 연결용 커넥터 22 : 신호 수신용 암커넥터

24 : 외부기기 연결용 암커넥터 30 : 신호 인터페이스용 FPCB

32 : 숫커넥터 34 : 핀

36 : 돌출부 40 : 분리판

42 : 셀전압 측정용 단자측 커넥터 50 : 가스켓

52 : 브라켓

Claims

연료전지 스택의 분리판(40)에 구비된 셀전압 측정용 단자측 커넥터(42)들에 연결되는 것으로서, 분리판(40)에 구비된 셀전압 측정용 단자측 커넥터(42)들에 각각 연결되는 다수의 인터페이스 커넥터(12)가 길이방향을 따라 소정 간격으로 형성되고, 일측부에는 복수개의 신호 전달용 암커넥터(14)가 2열 종대로 형성되되 각 열의 신호 전달용 암커넥터(14)간의 거리는 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 배선 경로를 확보하는 수준으로 정해지도록 구비된 인터페이스용 PCB(10)와;

연료전지 스택을 감싸는 인클로져의 외측면에 장착되는 외부 연결용 커넥터(20)와;

핀이 U자형 배열을 갖는 구조 또는 2층 FPCB를 적용하여 FPCB내에 핀이 교차되는 배열을 갖는 구조로 제작되어, 상기 인터페이스용 PCB(10)와, 외부연결용 커넥터(20)간에 연결되는 신호 인터페이스용 FPCB(30);

를 포함하여 구성되고,

상기 인터페이스용 PCB(10)의 각 신호 전달용 암커넥터(14)에는 서로 다른 형상의 홀(16)이 형성되고, 상기 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 숫커넥터(32)에는 상기 홀(16)에 삽입되는 서로 다른 크기의 돌출부(36)가 형성된 것을 특징으로 하는 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치.
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청구항 1에 있어서,

상기 인터페이스용 PCB(10)는 양면 PCB 인 것을 특징으로 하는 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 외부 연결용 커넥터(20)는 복수개의 신호 수신용 암커넥터(22)가 형성된 PCB 구조로 제작된 것임을 특징으로 하는 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 외부 연결용 커넥터(20)와 인클로져간의 밀착부위에는 기밀 유지를 위한 가스켓(50)이 삽입된 것을 특징으로 하는 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 신호 인터페이스용 FPCB(30)의 양단에는 인터페이스용 PCB(10)의 신호 전달용 암커넥터(14)와, 외부 연결용 커넥터(20)의 신호 수신용 암커넥터(22)간에 연결되는 숫커넥터(32)가 형성된 것을 특징으로 하는 FPCB를 이용한 연료전지 스택의 셀전압 모니터링 장치.
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