KR101608268B1 - 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치 - Google Patents

불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고분자전해질연료전지에서 발생하는 열적 거동을 구현하기 위한 박막히터가 내부에 구비되며 내열성 실험의 대상이 되는 연료전지부품부; 상기 연료전지부품부의 내부로 불활성 가스를 주입하기 위한 가스공급부; 상기 박막히터에 전원을 공급하여 상기 박막히터를 발열시키기 위한 전원공급부; 및 상기 박막히터에 공급되는 전원의 전류량을 조절하여 상기 박막히터의 발열량을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치{Thermostability test equipment of polymer electrolyte membrane fuel cell parts using inert gas}
본 발명은 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치에 관한 것으로, 고분자전해질연료전지 부품을 연료인 수소를 사용하지 않고 불활성가스를 이용하여 연료전지 운전을 수행함으로써, 경제적이고 안전하게 고분자전해질연료전지 부품의 내열성에 대한 신뢰성 실험을 할 수 있는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치에 관한 것이다.
연료전지란, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로, 이 화학반응은 촉매층 내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적인 발전이 가능하다.
또한, 연료전지는 전해질의 종류 및 작동 온도에 따라 알칼리형(AFC), 고분자 전해질형(PEMFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염(MCFC), 고체산화물(SOFC) 연료전지 등으로 구분할 수 있으며 고분자 전해질형 연료전지는 다시 수소를 연료로 하는 연료전지와 메탄올 액체를 연료로 하는 직접메탄올 연료전지(DMFC)로 구분할 수 있다.
이 중, 고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(anode)과 공기극(cathode)이 부착되어 있는 형태를 가지며, 연료극에서는 연료인 수소의 전기적 산화가, 그리고 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나 전기 에너지가 발생된다.
한편, 고분자전해질연료전지는 연료와 산화제가 전기화학적으로 반응하여 약 45%의 전기에너지와 함께 남은 에너지를 모두 열로 방출한다.
이때, 고분자전해질연료전지의 부품은 발생하는 열에 장시간 노출되어 기계적 특성이 변하게 되며 부품의 기계적 특성 변화는 연료의 누출로 인한 안전문제를 발생시키고 효율에 좋지 않은 영향을 준다.
한편, 고분자전해질연료전지가 스택(Stack)의 구조를 가지고 있다면 고분자전해질연료전지 중앙에 가깝게 위치한 부품에서 열에 의한 기계적 특성 변화는 더욱 큰 문제가 된다.
또한, 고분자전해질연료전지의 방열이 원활하지 않을 경우, 고 부하조건에서 성능이 떨어지거나, 80˚C(353K) 이상의 온도에서 작동을 할 경우 전극 접합 막(MEA)에 심각한 손상을 초래할 수 있다.
한편, 고분자전해질연료전지의 연료는 수소로, 가연성이 높고 화염전파속도가 빠르기 때문에 가스 누출의 문제는 안전 문제에 대한 중요 고려사항이다.
따라서, 연료전지의 부품의 내열성 또는 열화에 대한 신뢰성 실험은 중요하나, 종래의 열에 의한 기계적 특성 변화에 대한 실험은 고분자전해질연료전지를 정상조건에서 연료인 수소를 소모해가며 실험시간 단축 없이 실험이 진행되었다.
또한, 고분자전해질연료전지의 정상운전 조건에서는 악조건 상태를 구현할 수 없고, 고분자전해질연료전지의 연료인 수소는 연소범위와 화염전파속도 등의 위험성 때문에 엄격한 안전장치가 구비된 실험 장소에서 진행되어야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 실험장소의 제약, 고가의 연료 소비, 악조건상태의 구현 불가한 상황 및 실험 시간의 단축이 불가능한 종래 실험방법을 개선하기 위해 불활성 가스를 연료인 수소와 동일한 열용량과 열전도도를 갖도록 조건을 맞추고 다양한 조건하에서 연료전지 부품의 내열성 실험이 가능한 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치의 제공을 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 먼저, 고분자전해질연료전지에서 발생하는 열적 거동을 구현하기 위한 박막히터가 내부에 구비되며 내열성 실험의 대상이 되는 연료전지부품부, 상기 연료전지부품부의 내부로 불활성 가스를 주입하기 위한 가스공급부, 상기 박막히터에 전원을 공급하여 상기 박막히터를 발열시키기 위한 전원공급부 및 상기 박막히터에 공급되는 전원의 전류량을 조절하여 상기 박막히터의 발열량을 제어하기 위한 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 불활성 가스는 질소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는 상기 가스공급부에는 상기 연료전지부품부의 내부로 주입되는 불활성 가스의 양을 확인하기 위한 유량계가 구비될 수 있다.
바람직하게는 상기 유량계와 연료전지부품부 사이에는 상기 불활성 가스의 주입 여부를 On/Off 하기 위한 밸브가 구비될 수 있다.
바람직하게는 상기 밸브와 연료전지부품부 사이에는 주입되는 불활성 가스의 상태를 센싱하기 위한 센서부가 구비될 수 있으며, 상기 센서부는 각각의 온도센서, 습도센서 및 압력센서로 이루어지거나, 온도센서, 습도센서 및 압력센서가 일체화된 통합센서로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 상기 제어부는 전압제어 또는 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 통해 상기 박막히터에 공급되는 전류량을 조절할 수 있다.
바람직하게는 상기 박막히터는 박막형태의 전기 절연체 기판, 상기 전기 절연체 기판의 일면 또는 양면에 패턴화된 박막으로 구비되며 상기 전원공급부에 의해 공급된 전원에 의해 발열하는 저항도선 및 상기 저항도선과 접합되어 상기 전기 절연체 기판의 외부로 연장되며 상기 전원공급부와 연결되는 외부도선으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 상기 전기 절연체 기판은 폴리이미드로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 상기 연료전지부품부는 상기 박막히터의 양면에 밀착되는 제1가스켓판 및 상기 제1가스켓판의 양면에 밀착되는 분리판으로 이루어진 발열모듈, 하나 또는 복수 개가 밀착된 상기 발열모듈의 최 외측면에 각각 밀착되며 연장된 집전단자가 구비된 집전판, 상기 집전판의 외측면에 각각 밀착되어 구비되는 제2가스켓판, 상기 발열모듈과 발열모듈 및 상기 발열모듈과 집전판의 사이에 구비되는 그라포일판 및 상기 제2가스켓판의 외측면에 각각 구비되어 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판을 밀착시키는 한 쌍의 엔드플레이트를 포함할 수 있으며, 한 쌍의 상기 엔드플레이트는 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판이 상기 엔드플레이트의 사이에 서로 밀착되어 안치된 상태에서 결합될 수 있다.
바람직하게는 상기 제1가스켓판 및 제2가스켓판은 테프론 또는 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판이 안치된 상태에서 결합된 상기 엔드플레이트에는 주입된 불활성 가스의 이동을 위한 적어도 하나 이상의 가스이동 홀이 타공되되, 상기 가스이동 홀은 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판, 제2가스켓판 및 엔드플레이트를 동시에 관통하도록 타공될 수 있다.
바람직하게는 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판이 안치된 상태에서 결합된 상기 엔드플레이트에는 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판이 일방향으로 정렬되어 안치되도록 하기 위한 정렬봉 삽입홀이 타공될수 있으며, 상기 정렬봉 삽입홀은 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판, 제2가스켓판 및 엔드플레이트를 동시에 관통하도록 타공될 수 있다.
바람직하게는 상기 한 쌍의 엔드플레이트는 서로 대향되는 면에 소정길이를 갖는 볼트바 삽입을 위한 적어도 2개 이상의 체결홀이 형성되며, 상기 체결홀을 관통하여 돌출되는 상기 볼트바와 나사결합하는 너트에 의해 서로 결합될 수 있다.
바람직하게는 상기 볼트바 및 너트와 상기 엔드플레이트의 접촉면에는 누전방지를 위한 전기 절연체 와셔가 구비될 수 있으며, 상기 볼트바는 누전방지를 위한 전기 절연체 수축튜브로 감싸질 수 있다.
바람직하게는 상기 한 쌍의 엔드플레이트는 서로 대향되는 면의 측면에 소정의 깊이를 갖는 복수 개의 클램프 체결홈이 형성되며 상기 클램프 체결홈에 압입되는 클램프로 결합될 수 있으며, 상기 클램프는 소정의 길이를 갖고 양단이 상기 클램프 체결홈에 압입되도록 굴곡될 수 있다.
바람직하게는 상기 연료전지부품부의 일 측면 및 일 측면의 대응면 중 적어도 어느 한 면에는 상기 박막히터에 의해 가열된 상기 연료전지부품부를 냉각시키기 위한 냉각부가 구비될 수 있다.
바람직하게는 상기 냉각부는 냉각수 저장탱크, 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판과 밀착되며 내부에 냉각수 유로가 형성된 냉각패드 및 상기 냉각수를 상기 냉각패드에 형성된 냉각수 유로로 주입하기 위한 펌프로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 상기 펌프는 상기 제어부를 통해 상기 펌프의 구동여부 및 구동시간이 제어될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 본 발명에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치는 실제 연료전지의 연료로 사용되는 수소를 대신하여 불활성 가스를 사용하여 실제 연료를 사용하는 비용을 절감할 수 있고, 불활성 가스의 열용량을 사용되는 연료와 같게 등가 하여 연료전지와 같은 조건에서 실험을 실시할 수 있어 실험장소의 제한이 없어진다.
또한, 박막히터를 실제 연료전지의 출력과 효율을 고려해서 설계함으로써, 다양한 출력을 갖는 연료전지와 같은 환경에서 실험이 가능하다.
아울러, 상기 박막히터의 출력을 실제 연료전지의 출력보다 높게 발열할 수 있도록 하여 실제 온도보다 높은 조건에서 부품의 내열성 실험을 실시할 수 있고 실험 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치의 개념도다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지부품부의 사시도다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 박막히터의 사시도다.
도 4는 도 3에 도시된 박막히터와 제1가스켓판의 결합 사시도다.
도 5는 도 4에 도시된 박막히터, 제1가스켓판과 분리막의 결합 사시도다.
도 6은 도 5에 도시된 발열모듈과 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판의 결합관계를 도시한 사시도다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 엔드플레이트의 사시도다.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지부품부의 결합관계를 도시한 사시도다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치의 개념도다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지부품부의 사시도다.
도 11 및 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 엔드플레이트 및 클램프의 사시도다.
도 13은 도 10에 도시된 냉각패드를 도시한 사시도다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치의 개념도, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지부품부의 사시도, 도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 박막히터의 사시도, 도 4는 도 3에 도시된 박막히터와 제1가스켓판의 결합 사시도, 도 5는 도 4에 도시된 박막히터, 제1가스켓판과 분리막의 결합 사시도, 도 6은 도 5에 도시된 발열모듈과 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판의 결합관계를 도시한 사시도, 도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 엔드플레이트의 사시도이며, 도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지부품부의 결합관계를 도시한 사시도다.
상기 도 1 내지 8을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(100)는 고분자전해질연료전지에서 발생하는 열적 거동을 구현하기 위한 박막히터(110)가 내부에 구비되며 내열성 실험의 대상이 되는 연료전지부품부(120)를 포함한다.
이때, 상기 도 3을 참조하면 본 발명의 실시 예들에 따른 박막히터(110)는 박막형태의 전기 절연체 기판(111)을 포함한다.
이때, 상기 전기 절연체 기판(111)은 전기 절연성을 갖는 다양한 소재를 박막형태로 가공하여 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 실시 예들에 있어서는 폴리아미드(polyamide)로 이루어진 기판을 이용한다.
한편, 상기 박막히터(110)는 상기 전기 절연체 기판(111)의 일면 또는 양면에 패턴화된 박막으로 구비되며 후술할 전원공급부(130)에 의해 공급된 전원에 의해 발열하는 저항도선(112)을 포함한다.
이때, 상기 저항도선(112)은 상기 전원공급부(130)에 의해 전원이 공급되는 경우 발열되는 구성으로, 다양한 소재의 저항도선(112)을 박막형태로 가공하여 패턴화할 수 있으므로 이에 대한 특별한 한정은 두지 아니한다.
아울러, 상기 박막히터(110)는 상기 저항도선(112)과 접합되어 상기 전기 절연체 기판(111)의 외부로 연장되며 상기 전원공급부(130)와 연결되는 외부도선(113)을 포함하며, 상기 외부도선(113)은 전기 전도성을 갖는 다양한 소재의 도선을 이용할 수 있다.
또한, 상기 저항도선(112)과 외부도선(113)의 접합방식은 용접 또는 납땜을 포함하는 다양한 방식을 이용할 수 있다.
한편, 이하에서는 상기 도 2 내지 8을 참조하여 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지부품부(120)에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지부품부(120)는 상술한 박막히터(110)의 양면에 밀착되는 제1가스켓판(121a) 및 상기 제1가스켓판(121a)의 양면에 밀착되는 분리판(121b)으로 이루어진 발열모듈(121)을 포함한다.
이때, 상기 제1가스켓판(121a)은 전기 전도성 다공성층(GDL:Gas Diffusion Layer)(도시되지 않음)이 형성되어 있으며, 상기 전기 전도성 다공성층을 형성하는 이유는 실제 연료전지와 유사한 유동 환경을 구현하기 위함이다.
한편, 본 발명이 일실시 예에 따른 연료전지부품부(120)는 하나 또는 복수 개가 밀착된 상기 발열모듈(121)의 최 외측면에 각각 밀착되며 연장된 집전단자(122a)가 구비된 집전판(122) 및 상기 집전판(122)의 외측면에 각각 밀착되어 구비되는 제2가스켓판(123)을 포함한다.
이때, 상기 제1가스켓판(121a) 및 제2가스켓판(123)을 구비하는 이유는 실제 고분자전해질연료전지는 수소와 산소(공기)의 연료효율과 누출을 방지하기 위하여 가스켓(Gasket)을 분리판의 유로가 가공되지 않은 영역에 위치시키는데, 본 발명의 실시 예들에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(100)(200)에서도 상술한 역할의 동일 수행을 위하여 구비한다.
한편, 상기 제1가스켓판(121a) 및 제2가스켓판(123)은 상술한 목적을 달성하기 위하여 다양한 소재로 이루어질 수 있음은 물론이나, 본 발명의 실시 예들에 있어서는 미국 듀폰사제의 테프론(Teflon) 또는 실리콘(Silicon)을 이용한다.
한편, 상기 발열모듈(121)과 발열모듈(121) 및 상기 발열모듈(121)과 집전판(122)의 사이에는 그라포일(grafoil)판(124)이 구비된다.
이때, 상기 그라포일(grafoil)판(124)은 상기 발열모듈(121)과 발열모듈(121) 및 상기 발열모듈(121)과 집전판(122) 사이의 실링(sealing)을 위한 구성이다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지부품부(120)는 상기 제2가스켓판(123)의 외측면에 각각 구비되어 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)을 밀착시키는 한 쌍의 엔드플레이트(125)를 포함한다.
이때, 한 쌍의 상기 엔드플레이트(125)는 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)이 상기 엔드플레이트(125)의 사이에 서로 밀착되어 안치된 상태에서 상기 엔드플레이트(125)가 소정의 간격으로 이격되어 결합된다.
이때, 상기 소정의 간격은 상기 연료전지부품부(120)의 폭과 동일하다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 연료전지부품부(120)는 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)이 안치된 상태에서 결합된 상기 엔드플레이트(125)에는 주입된 불활성 가스의 이동을 위한 적어도 하나 이상의 가스이동 홀(125a)이 타공된다.
이때, 상기 가스이동 홀(125a)은 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124), 제2가스켓판(123) 및 엔드플레이트(125)를 동시에 관통하도록 타공된다.
아울러, 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)이 안치된 상태에서 결합된 상기 엔드플레이트(125)에는 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)이 일방향으로 정렬되어 안치되도록 하기 위한 정렬봉 삽입홀(125b)이 타공된다.
이때, 상기 정렬봉 삽입홀(125b)은 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124), 제2가스켓판(123) 및 엔드플레이트(125)를 동시에 관통하도록 타공된다.
한편, 상기 정렬봉 삽입홀(125b)은 필요에 따라 다양한 개수로 타공될 수 있으나, 본 발명의 실시 예들에 있어서는 총 2개가 타공되고, 상기 정렬봉 삽입홀(125b) 각각에 정렬봉(도시되지 않음)이 삽입됨으로써, 상술한 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)이 안치된 상태에서 결합된 상기 엔드플레이트(125)에는 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)을 간단하고 용이하게 일방향으로 정렬시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 한 쌍의 상기 엔드플레이트(125)는 상술한 바와 같이 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)이 상기 엔드플레이트(125)의 사이에 서로 밀착되어 안치된 상태에서 상기 엔드플레이트(125)가 소정의 간격으로 이격되어 결합되는데, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 한 쌍의 엔드플레이트(125)는 서로 대향되는 면에 소정길이를 갖는 볼트바(125c) 삽입을 위한 적어도 2개 이상의 체결홀(125d)이 형성되며, 상기 체결홀(125d)을 관통하여 돌출되는 상기 볼트바(125c)와 나사결합하는 너트(125e)에 의해 서로 결합된다.
이때, 상기 체결홀(125d)은 적어도 2개 이상, 바람직하게는 상기 도 8에 도시된 바와 같이 총 12개가 형성되며, 12개의 체결홀(125d)에 각각에 상기 볼트바(125c)가 관통하여 돌출되어 상기 너트(125e)와 나사결합된다.
한편, 상기 볼트바(125c) 및 너트(125e)와 상기 엔드플레이트(125)의 접촉면에는 누전방지를 위한 전기 절연체 와셔(125f)가 각각 구비된다.
이때, 상기 전기 절연체 와셔(125f)는 전기 절연성을 갖는 다양한 소재가 이용될 수 있음은 물론이며, 상기 볼트바(125c) 및 너트(125e) 자체를 전기 절연성을 갖는 소재로 구비할 수도 있다.
아울러, 상기 볼트바(125c)는 누전방지를 위해 전기 절연체 수축튜브(125g)로 감싸지는데, 이때 상기 수축튜브(125g)는 전기 절연성을 갖는 고무 또는 실리콘 등과 같은 유연한 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(100)는 상기 도 1에 도시된 바와 같이 상기 연료전지부품부(120)의 내부로 불활성 가스를 주입하기 위한 가스공급부(140)를 포함한다.
이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 불활성 가스는 질소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용한다.
한편, 상기 불활성 가스는 실제 고분자전해질연료전지에 공급하는 수소의 열역학적 물성과 동일하게 주입될 필요가 있다.
이러한 방법으로 수소의 Nusselt 수를 이용하며, Nusselt 수 공식은 하기와 같다.
[수학식 1]
Figure 112015128566873-pat00001
한편, 고분자전해질연료전지에 공급하는 수소의 유량과 열역학적 물성치, 유로의 형상을 고려한 대류 열전달계수 계산하는 공식은 하기와 같다.
[수학식 2]
Figure 112015128566873-pat00002
이때, 계산한 수소의 대류 열전달 값을 바탕으로 불활성 가스의 평균 유속을 계산하는 공식은 하기와 같다.
[수학식 3]
Figure 112015128566873-pat00003
,
Figure 112015128566873-pat00004
수소의 대류 열전달 계수를 기준으로 하여 상기 불활성 가스의 공급하는 평균 유속을 계산할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(100)는 상기 가스공급부(140)에 상기 연료전지부품부(120)의 내부로 주입되는 불활성 가스의 양을 확인하기 위한 유량계(141), 상기 유량계(141)와 연료전지부품부(120) 사이에 상기 불활성 가스의 주입 여부를 on/off 하기 위한 밸브(142) 및 상기 밸브(142)와 연료전지부품부(120) 사이에는 주입되는 불활성 가스의 상태를 센싱하기 위한 센서부(143)가 구비된다.
이때, 상기 가스공급부(140)에는 주입되는 상기 불활성 가스의 주입량을 제어하기 위한 레귤레이터(regulator)(144)가 더 구비될 수 있다.
한편, 상기 가스공급부(140)는 상기 1에 도시된 바와 같이 2개의 라인으로 구비될 수도 있으나, 하나의 가스공급부(140)를 순환식으로 구비하여 불활성 가스를 공급할 수도 있다.
아울러, 상기 센서부(143)는 각각의 온도센서, 습도센서 및 압력센서로 이루어지거나, 온도센서, 습도센서 및 압력센서가 일체화된 통합센서로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(100)는 상기 박막히터(110)에 전원을 공급하여 상기 박막히터(110)를 발열시키기 위한 전원공급부(130) 및 상기 박막히터(110)에 공급되는 전원의 전류량을 조절하여 상기 박막히터(110)의 발열량을 제어하기 위한 제어부(150)를 포함한다.
이때, 상기 제어부(150)는 상술한 목적을 달성하기 위해서 다양한 제어방식을 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 실시 예들에 있어서는 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 통해 상기 박막히터(110)에 공급되는 전류량을 조절하여 상기 박막히터(110)의 발열량을 제어한다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(200)의 개념도인 도 9, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지부품부의 사시도인 도 10, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 엔드플레이트 및 클램프의 사시도인 도 11 및 12와 도 10에 도시된 냉각패드를 도시한 사시도인 도 13을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치에 대해 상세히 설명한다.
상기 도 9 내지 13을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(200)는 상술한 일실시 예의 엔드플레이트(125)와는 다른 구조로 이루어진다.
이때, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 한 쌍의 엔드플레이트(210)는 서로 대향되는 면의 측면에 소정의 깊이를 갖는 복수 개의 클램프 체결홈(211)이 형성되며 상기 클램프 체결홈에(211) 압입되는 클램프(212)로 결합된다.
이때, 상기 클램프(212)는 소정의 길이를 갖고 양단이 상기 클램프 체결홈(212)에 압입되도록 굴곡되어 결과적으로 "ㄷ"자 형상으로 이루어진다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(200)는 상술한 일실시 예와는 달리 상기 연료전지부품부의 일 측면 및 일 측면의 대응면 중 적어도 어느 한 면에는 상기 박막히터(110)에 의해 가열된 상기 연료전지부품부를 냉각시키기 위한 냉각부(220)가 더 구비된다.
이때, 상기 냉각부(220)는 냉각수 저장탱크(221), 상기 발열모듈(121), 집전판(122), 그라포일판(124) 및 제2가스켓판(123)과 밀착되며 내부에 냉각수 유로(22)가 형성된 냉각패드(222) 및 상기 냉각수를 상기 냉각패드(222)에 형성된 냉각수 유로(224)로 주입하기 위한 펌프(223)로 이루어진다.
이때, 상기 펌프(223)는 상기 제어부(150)를 통해 상기 펌프(223)의 구동여부 및 구동시간이 제어되며, 다양한 방식의 펌프를 이용할 수 있으므로 이에 대한 특별한 한정은 두지 아니한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치(200)는 상술한 엔드플레이트의 구조와 일실시 예와는 달리 상술한 냉각부를 더 포함하고 있어, 부품용 내열성 실험장치(200)을 급속냉각 시킬 수 있는 특징을 갖는다.
실험대상 부품에 열을 가하고 냉각하므로 열 충격을 줄 수 있다.
또한, 냉각기 설계에도 활용 가능하여 냉각 성능 시험과 열 교환기 부품의 신뢰성 실험이 가능하다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예들에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치는 상술한 기술적 구성들을 통해 먼저, 본 발명에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치는 실제 연료전지의 연료로 사용되는 수소를 대신하여 불활성 가스를 사용하여 실제 연료를 사용하는 비용을 절감할 수 있고, 불활성 가스의 열용량을 사용되는 연료와 같게 등가 하여 연료전지와 같은 조건에서 실험을 실시할 수 있다.
또한, 박막히터를 실제 연료전지의 출력과 효율을 고려해서 설계함으로써, 다양한 출력을 갖는 연료전지와 같은 환경에서 실험이 가능하다.
아울러, 상기 박막히터의 출력을 실제 연료전지의 출력보다 높게 발열할 수 있도록 하여 실제 온도보다 높은 조건에서 부품의 내열성 실험을 실시할 수 있고 실험 시간을 단축할 수 있는 우수한 효과가 있다.
뿐만 아니라, 냉각기를 부착할 경우 내열성 실험 장치의 급속 냉각을 통한 열 충격 및 냉각기 자체의 열적 성능실험이 가능하고, 냉각기 부품들의 신뢰성 실험이 가능하다.
한편, 본 발명은 교육부 지원 '지역혁신인력양성사업'의 '자율주행 소형차량용 모듈형 연료전지 개발' 과제 일환으로 출원된 건이며, 주관기관은 전남대학교이고 연구관리 전문기관은 한국연구재단이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
100 : 본 발명의 일실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치
110 : 박막히터
111 : 전기 절연체 기판
112 : 저항도선
113 : 외부도선
120 : 연료전지부품부
121 : 발열모듈
121a : 제가스켓판
121b : 분리판
122 : 집전판
122a : 집전단자
123 : 제2가스켓판
124 : 그라포일판
125 : 엔드플레이트
125a : 가스이동홀
125b : 정렬봉 삽입홀
125c : 볼트바
125d : 체결홀
125e : 너트
125f : 절연체 와셔
125g : 절연체 수축튜브
130 : 전원공급부
140 : 가스공급부
141 : 유량계
142 : 밸브
143 : 센서부
144 : 레귤레이터
150 : 제어부
200 : 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치
210 : 엔트플레이트
211 : 클램프 체결홈
212 : 클램프
220 : 냉각부
221 : 냉각수 저장탱크
222 : 냉각패드
223 : 펌프
224 : 냉각수 유로

Claims (20)

  1. 고분자전해질연료전지에서 발생하는 열적 거동을 구현하기 위한 박막히터가 내부에 구비되며 내열성 실험의 대상이 되는 연료전지부품부;
    상기 연료전지부품부의 내부로 불활성 가스를 주입하기 위한 가스공급부;
    상기 박막히터에 전원을 공급하여 상기 박막히터를 발열시키기 위한 전원공급부; 및
    상기 박막히터에 공급되는 전원의 전류량을 조절하여 상기 박막히터의 발열량을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 질소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스공급부에는 상기 연료전지부품부의 내부로 주입되는 불활성 가스의 양을 확인하기 위한 유량계가 구비되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유량계와 연료전지부품부 사이에는 상기 불활성 가스의 주입 여부를 On/Off 하기 위한 밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브와 연료전지부품부 사이에는 주입되는 불활성 가스의 상태를 센싱하기 위한 센서부가 구비되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 센서부는 각각의 온도센서, 습도센서 및 압력센서로 이루어지거나, 온도센서, 습도센서 및 압력센서가 일체화된 통합센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 전압제어 또는 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 통해 상기 박막히터에 공급되는 전류량을 조절하는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 박막히터:는
    박막형태의 전기 절연체 기판;
    상기 전기 절연체 기판의 일면 또는 양면에 패턴화된 박막으로 구비되며 상기 전원공급부에 의해 공급된 전원에 의해 발열하는 저항도선; 및
    상기 저항도선과 접합되어 상기 전기 절연체 기판의 외부로 연장되며 상기 전원공급부와 연결되는 외부도선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 절연체 기판은 폴리아미드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료전지부품부:는
    상기 박막히터의 양면에 밀착되는 제1가스켓판 및 상기 제1가스켓판의 양면에 밀착되는 분리판으로 이루어진 발열모듈;
    하나 또는 복수 개가 밀착된 상기 발열모듈의 최 외측면에 각각 밀착되며 연장된 집전단자가 구비된 집전판;
    상기 집전판의 외측면에 각각 밀착되어 구비되는 제2가스켓판;
    상기 발열모듈과 발열모듈 및 상기 발열모듈과 집전판의 사이에 구비되는 그라포일판; 및
    상기 제2가스켓판의 외측면에 각각 구비되어 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판을 밀착시키는 한 쌍의 엔드플레이트를 포함하되,
    한 쌍의 상기 엔드플레이트는 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판이 상기 엔드플레이트의 사이에 서로 밀착되어 안치된 상태에서 결합되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1가스켓판 및 제2가스켓판은 테프론 또는 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판이 안치된 상태에서 결합된 상기 엔드플레이트에는 주입된 불활성 가스의 이동을 위한 적어도 하나 이상의 가스이동 홀이 타공되되,
    상기 가스이동 홀은 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판, 제2가스켓판 및 엔드플레이트를 동시에 관통하도록 타공되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판이 안치된 상태에서 결합된 상기 엔드플레이트에는 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판이 일방향으로 정렬되어 안치되도록 하기 위한 정렬봉 삽입홀이 타공되되,
    상기 정렬봉 삽입홀은 상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판, 제2가스켓판 및 엔드플레이트를 동시에 관통하도록 타공되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 엔드플레이트는 서로 대향되는 면에 소정길이를 갖는 볼트바 삽입을 위한 적어도 2개 이상의 체결홀이 형성되며, 상기 체결홀을 관통하여 돌출되는 상기 볼트바와 나사결합하는 너트에 의해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 볼트바 및 너트와 상기 엔드플레이트의 접촉면에는 누전방지를 위한 전기 절연체 와셔가 구비되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 볼트바는 누전방지를 위해 전기 절연체 수축튜브로 감싸지는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 엔드플레이트는 서로 대향되는 면의 측면에 소정의 깊이를 갖는 복수 개의 클램프 체결홈이 형성되며 상기 클램프 체결홈에 압입되는 클램프로 결합되되,
    상기 클램프는 소정의 길이를 갖고 양단이 상기 클램프 체결홈에 압입되도록 굴곡되어 있는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료전지부품부의 일 측면 및 일 측면의 대응면 중 적어도 어느 한 면에는 상기 박막히터에 의해 가열된 상기 연료전지부품부를 냉각시키기 위한 냉각부가 구비되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 냉각부:는
    냉각수 저장탱크;
    상기 발열모듈, 집전판, 그라포일판 및 제2가스켓판과 밀착되며 내부에 냉각수 유로가 형성된 냉각패드; 및
    상기 냉각수를 상기 냉각패드에 형성된 냉각수 유로로 주입하기 위한 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 제어부를 통해 상기 펌프의 구동여부 및 구동시간이 제어되는 것을 특징으로 하는 불활성 가스를 이용한 고분자전해질연료전지 부품용 내열성 실험장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107797072A (zh) * 2017-11-13 2018-03-13 绍兴俊吉能源科技有限公司 一种燃料电池测试治具
KR20230145803A (ko) * 2022-04-11 2023-10-18 울산대학교 산학협력단 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치 및 방법

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