KR101639528B1 - 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치 - Google Patents

대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101639528B1
KR101639528B1 KR1020150092372A KR20150092372A KR101639528B1 KR 101639528 B1 KR101639528 B1 KR 101639528B1 KR 1020150092372 A KR1020150092372 A KR 1020150092372A KR 20150092372 A KR20150092372 A KR 20150092372A KR 101639528 B1 KR101639528 B1 KR 101639528B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit cell
boosting
cell
current
board
Prior art date
Application number
KR1020150092372A
Other languages
English (en)
Inventor
김승곤
손영준
김민진
박구곤
배병찬
임성대
박석희
김창수
양태현
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020150092372A priority Critical patent/KR101639528B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101639528B1 publication Critical patent/KR101639528B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

실시 예에 따르면, 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치는, 불측정 대상 단위 전지의 일면에 접촉하여 상기 측정 대상 단위 전지의 전류를 집전하기 위한 제 1 전류 집전체; 상기 측정 대상 단위 전지의 타면에 접촉하여 상기 측정 대상 단위의 특정 영역별로 독립적으로 전류를 수집하기 위한 복수 개의 입력 단위 셀을 포함하는 단위 셀 보드; 상기 복수 개의 입력 단위 셀에 각각 연결되는 복수 개의 단위 셀 센서를 포함하는 감지 보드; 상기 단위 셀 보드 및 감지 보드에서 발생되는 전압 강하를 보상하기 위한 부스팅 전지; 상기 부스팅 전지의 일면에 접촉하여 상기 부스팅 전지의 전류를 집전하는 제 2 전류 집전체; 상기 부스팅 전지의 타면에 접촉하여 상기 부스팅 전지의 전류를 집전하기 위한 제 3 전류 집전체; 및 상기 제 1 전류 집전체 및 제 2 전류 집전체를 전기적으로 연결하며, 상기 부스팅 전지에 의해 승압된 전압을 상기 측정 대상 단위 전지로 전달하기 위한 승압 라인을 포함할 수 있다.

Description

대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치{A SEGMENTED MEASURING APPARATUS FOR A LARGE AREA FUEL CELL}
아래의 설명은 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시킬 수 있다. 연료전지는 수소와 산소를 결합시킬 때 발생되는 에너지를 전기 형태로 바꿀 수 있다. 연료전지는 전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극봉을 포함하고, 공기 중의 산소가 한 전극을 지나고 수소가 다른 전극을 지날 때 전기화학 반응을 통해 전기와 물, 열을 생성할 수 있다.
1개의 연료전지에 의해 발생되는 전압은 매우 낮으므로, 복수 개의 연료전지를 이용하여 스택(stack)을 형성함으로써 활용할 수 있다. 여기서 스택이란, 연료전지 스택(Fuel Cell Stack) 또는 셀 스택(Cell Stack)으로도 불리어지며, 여러 개의 셀들이 직렬연결(Series Connection)되어 있고, 수소 원료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 직류 전류를 생성하는 발전장치로 휴대형 장치의 구동, 가정용 전원 공급 또는 차량 주행에 필요한 전원을 공급하는 역할을 한다. 스택은 반응기체가 흐를 수 있도록 가공 혹은 몰딩된 두 개의 분리판과 그 사이에서 전기화학 반응을 일으키는 막 전극 접합체(MEA), 분리판과 막 전극 접합체 사이에서 기체의 흐름을 조절하는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과 밀봉을 위한 가스켓으로 구성되어 있다. 스택의 전압은 적층된 셀의 개수에 비례하며, 전류는 막 전극 접합체(MEA)의 면적에 비례한다. 또한 스택은 생산된 전류를 외부로 제공하기 위한 전류 집전체(Current Collector), 체결이나 단열, 절연 등의 역할을 하는 체결판(End Plate) 및 체결장치 등으로 구성될 수 있다. 예를 들어 공개특허 제 10-2009-0106670호는 연료전지 스택용 엔드 플레이트를 개시한다.
기존에는 단위 전지 또는 복수 개의 단위 전지로 이루어진 스택에 대한 정보만 측정하여 왔으며, 개별 단위 전지 또는 스택 중 일부 단위 전지의 국부적인 부분에 대한 정보를 측정하는 방법에 대한 연구가 부족하였다. 따라서, 단위 전지 중에서도 어떠한 부분에 문제가 있는지 알아내기 어려운 문제점이 있었다.
실시 예의 목적은 단위 셀 보드를 이용하여 연료 전지의 특정한 영역별로 국부적으로 성능을 측정할 수 있는 분절 측정 장치를 제공하는 것이며, 보다 구체적으로는 대면적 연료 전지에도 활용될 수 있는 분절 측정 장치를 제공하는 것이다.
실시 예에 따르면, 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치는, 불측정 대상 단위 전지의 일면에 접촉하여 상기 측정 대상 단위 전지의 전류를 집전하기 위한 제 1 전류 집전체; 상기 측정 대상 단위 전지의 타면에 접촉하여 상기 측정 대상 단위의 특정 영역별로 독립적으로 전류를 수집하기 위한 복수 개의 입력 단위 셀을 포함하는 단위 셀 보드; 상기 복수 개의 입력 단위 셀에 각각 연결되는 복수 개의 단위 셀 센서를 포함하는 감지 보드; 상기 단위 셀 보드 및 감지 보드에서 발생되는 전압 강하를 보상하기 위한 부스팅 전지; 상기 부스팅 전지의 일면에 접촉하여 상기 부스팅 전지의 전류를 집전하는 제 2 전류 집전체; 상기 부스팅 전지의 타면에 접촉하여 상기 부스팅 전지의 전류를 집전하기 위한 제 3 전류 집전체; 및 상기 제 1 전류 집전체 및 제 2 전류 집전체를 전기적으로 연결하며, 상기 부스팅 전지에 의해 승압된 전압을 상기 측정 대상 단위 전지로 전달하기 위한 승압 라인을 포함할 수 있다.
상기 부스팅 전지의 막 전극 접합체의 면적은, 상기 측정 대상 단위 전지의 막 전극 접합체의 면적과 동일할 수 있다.
상기 부스팅 전지는 상기 측정 대상 단위 전지와 동일한 것을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치는, 상기 제 2 전류 집전체 및 부스팅 전지 사이에 배치되어, 상기 부스팅 전지가 상기 측정 대상 단위 전지에 미치는 전기적 영향을 제거하기 위한 절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 절연체는, 단열 기능을 갖는 단열 재질을 포함할 수 있다.
실시 예에 의하면, 단위 셀 보드를 이용하여 연료 전지의 특정한 영역별로 국부적으로 성능을 측정할 수 있다.
또한, 저전압, 고전류의 특성을 갖는 연료 전지의 특성상 개별 단위 전지에 대하여 다양한 부하 실험이 어려웠던 문제를, 부스팅 단위 전지를 추가함으로써 극복하고, 대면적 연료 전지에도 활용할 수 있는 분절 측정 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 연료 전지용 분절 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 단위 셀 보드를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시 예에 따른 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 실시 예에 따른 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치를 이용한 경우와, 미이용한 경우에서 각각 측정한 전류 밀도당 전압변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시 예에 따른 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치를 이용하여 연료 전지의 전류 밀도 분포를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 연료 전지용 분절 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 측정 대상 단위 전지(C_M)는, 막 전극 접합체(11, Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 기체확산층(170, Gas Diffusion Layer: GDL)을 포함할 수 있다.
막 전극 접합체(11)는 전해질 막을 포함할 수 있다. 전해질 막의 양 측에는 촉매층이 구비된 전극이 포함될 수 있다. 상기 전극은 양극(Anode) 또는 음극(Cathode)을 포함할 수 있다.
측정 대상 단위 전지(C_M)의 정보를 측정하기 위한 연료 전지용 분절 측정 장치(1)는, 전류 집전체(12, Current collector), 엔드 플레이트(13, End plate), 단위 셀 보드(14, Segment Cell Board) 및 감지 보드(15, Sensing Board)를 포함할 수 있다.
전류 집전체(12)는 막 전극 접합체(11)의 일측에 배치될 수 있다. 전류 집전체(12)는 막 전극 접합체(11)의 양극(Anode)과 인접하여 배치될 수 있다. 전류 집전체(12)와 막 전극 접합체(11)의 사이에는 기체확산층(17)이 형성될 수 있다.
단위 셀 보드(14)는 막 전극 접합체(11)의 타측에 배치될 수 있다. 단위 셀 보드(14)는 막 전극 접합체(11)를 중심으로 전류 집전체(12)와 마주보도록 배치될 수 있다. 다시 말하면, 전류 집전체(12), 측정 대상 단위 전지(C_M), 단위 셀 보드(14)의 순서로 적층될 수 있다.
단위 셀 보드(14)는 측정 대상 단위 전지(C_M)와 접하게 배치될 수 있다. 따라서 연료전지 성능의 정보를 획득할 수 있다. 상기 정보는 전류, 온도 또는 압력을 포함할 수 있다. 상기 정보의 종류는 한정되지 않는다.
단위 셀 보드(14)는 복수 개의 입력 단위 셀을 포함할 수 있다. 입력 단위 셀은 단위 셀 보드(14)의 표면에 분할되어 각각 셀을 형성할 수 있다. 입력 단위 셀들은 단위 셀 보드(14) 상에 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있다. 단위 셀 보드(14)의 각각의 입력 단위 셀은 상호간에 서로 절연되도록 설치됨으로써, 개막 전극 접합체(11)의 각각의 국부적인 영역들의 정보를 개별적으로 측정할 수 있다. 여기서 정보는, 각각의 영역들에서 생성되는 전류의 크기, 각각의 영역들의 온도 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 각각의 입력 단위 셀들은 서로 동일한 면적으로 제공되고, 격자 형태로 행 및 열을 지어 나란히 배치될 수 있다. 입력 단위 셀들을 서로 동일한 면적으로 제공함으로써, 각각의 영역별로 측정되는 정보를 비교하여 이상 현상을 보이는 영역을 쉽게 발견할 수 있다.
한편, 연료전지에서 발생되는 전류는 막 전극 접합체(11)의 면적에 비례한다. 각각의 단위 셀에서 측정된 전류의 총합은, 전체 연료전지에서 발생되는 전류라고 할 수 있다.
엔드 플레이트(13)는 복수개가 마련될 수 있다. 엔드 플레이트(13)는 각각 전류 집전체(12) 및 단위 셀 보드(14)에 면접하게 배치될 수 있다. 엔드 플레이트(13)는 서로 마주보게 배치될 수 있다. 복수 개의 엔드 플레이트(13)는 측정 대상 단위 전지(C_M)를 양측에서 가압할 수 있다. 다시 말하면, 엔드 플레이트(13), 전류 집전체(12), 측정 대상 단위 전지(C_M), 단위 셀 보드(14), 엔드 플레이트(13)의 순서로 적층될 수 있다.
감지 보드(15)는 단위 셀 보드(14)과 분리되어 형성될 수 있다. 감지 보드(15)는, 엔드 플레이트(13)의 외측에 배치될 수 있다. 감지 보드(15)는, 측정을 위한 복수 개의 단위 셀 센서를 포함할 수 있으며, 이 경우 각각의 단위 셀 센서 별로 측정 대상 단위 전지(C_M)에서 측정되는 국부적인 각 영역의 측정값을 독립적으로 센싱할 수 있다. 감지 보드(15)와 단위 셀 보드(14)는 소정의 커넥터로 연결될 수 있다. 감지 보드(15)는 전류 집전체(12)와 분리되어 형성될 수 있다. 감지 보드(15)는 엔드 플레이트(13)와 이격되어 배치될 수 있다.
단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)는 전류 집전체(12)와 분리되어 형성될 수 있다. 다시 말하면, 연료전지의 성능을 측정하기 위한 단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)는 전류 집전체(12)에 포함되지 않고 별개로 구성될 수 있다.
단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)은 분리 또는 교체 가능할 수 있다. 측정하고자 하는 대상에 따라 단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)가 선택될 수 있다. 측정하고자 하는 대상은 전류, 온도 또는 압력을 포함할 수 있다.
단위 셀 보드(14)는 독립적으로 분리 또는 교체 가능하므로, 쉽게 유지보수 될 수 있다. 연료전지의 성능 측정에 문제가 발생하면 단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)를 독립적으로 교체할 수 있다.
단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)가 전류 집전체(12)에 포함되면 전류 집전체(12) 전체를 교체해야 하지만, 단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)가 독립하여 구성되므로 단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)만 교체할 수 있다. 유지보수를 용이하게 할 수 있다.
단위 셀 보드(14) 또는 감지 보드(15)를 교체하여 측정대상을 변경할 수 있다. 예를 들어, 전류, 온도, 압력 등을 측정할 수 있다. 전류, 온도, 압력 등을 동시에 측정할 수도 있다.
감지 보드(15)는 단위 셀 보드(14)와 상응하게 형성될 수 있다. 예를 들어 감지 보드(15)는 단위 셀 보드(14)와 동일한 형태의 단위 셀 센서를 포함할 수 있다. 입력 단위 셀 및 단위 셀 센서는 서로 대응될 수 있다. 다시 말하면, 단위 셀 보드(14) 상의 특정 위치에 존재하는 입력 단위 셀은 이에 상응하는 위치에 배치되는 감지 보드(15)상의 단위 셀 센서와 연결될 수 있다.
위와 같은 구조에 의하면, 측정 대상 단위 전지(C_M)와 관련된 정보를 특정한 영역별로 국부적으로 측정하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 전류를 측정할 경우, 입력 단위 셀 마다 전류값이 측정될 수 있다. 그리고 단위 셀 보드(14)의 특정 입력 단위 셀 위치에 대응 하는 감지 보드(15)의 센서에서 전류값을 측정할 수 있다.
위와 같은 방법으로, 측정 대상 단위 전지(C_M) 내에서 전류 생성 효율이 낮은 영역을 발견하고, 이를 수정하여 전체적으로 높은 효율을 갖는 연료 전지를 설계하기 위하여, 실시 예와 같은 분절 측정 장치를 사용할 수 있다.
이상의 분절 측정 장치(1)는 단위 셀 보드(14) 및 감지 보드(15)가 독립 형성되어 연료전지 시스템 설계의 독립성을 확보할 수 있고, 단위 셀 보드(14) 및 감지 보드(15)가 독립 형성되어 유지보수가 용이하며, 단위 셀 보드(14) 및 감지 보드(15)의 선택에 따라 전류, 온도 또는 압력 등을 측정할 수 있다.
도 2는 실시 예에 따른 단위 셀 보드를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 단위 셀 보드(14)는, 베이스(141)와, 베이스(141) 상에 배치되는 복수 개의 입력 단위 셀(142)과, 복수 개의 입력 단위 셀(142)과 각각 연결되는 복수 개의 분절 회로(143)를 포함할 수 있다.
연료 전지에서 생성되는 전류는 막 전극 접합체의 면적에 비례하므로, 측정 대상 단위 전지가 대면적인 경우, 전류는 매우 높은 값을 갖게 된다. 반면, 개별 연료 전지의 전압은 실질적으로 1V 이하의 저전압으로 제공된다. 이러한 저전압, 고전류의 운전 특성상 분절 측정 장치의 내부 저항에 매우 민감하게 반응하게 된다. 또한, 분절 측정을 위한 입력 단위 셀(142)의 개수가 증가하면, 그와 각각 연결된 분절 회로(143)가 복잡해지고, 다시 말하면, 경로가 증가하게 되고, 그에 따라 하나의 분절 회로(143)의 경로에 따른 전기적 저항이 높아지게 된다.
예를 들어, 분절 회로(143)의 저항이 100mΩ이고 입력 단위 셀(142)의 개수가 100개이면, 아래의 식에 따라 전체 저항은 1mΩ이 된다.
[수학식 1]
Figure 112015062956479-pat00001

대면적 조건으로 인해 발전면적이 500cm2으로 가정하면, 100mA/cm2 조건에서 전체 전류가 500A의 값을 갖게 되고, 결과적으로 전압 강하는 0.5V에 이르게 된다. 단위 연료 전지의 경우 1000mA/cm2 발전 조건에서 출력 전압이 실질적으로 0.6V 내외이므로, 도 1의 단위 셀 보드(14) 및 감지 보드(15) 사이에서 손실되는 ΔV = 0.5V 이므로, 결과적으로, 도 1의 측정 대상 단위 전지(C_M)에 의해 외부 회로로 인가되는 이론적인 전압은 0.1V가 된다. 일반적으로 알려져 있듯이 단위 연료 전지의 고전류, 저전압 특성상 단위 연료 전지 기준으로 외부 회로로 인가되는 전압이 0.3V 이하일 경우, 전류가 흐르지 못하게 되므로, 운전 실패 상황이 되어, 외부 회로의 부하 변경에 따른 연료 전지 성능 실험은 불가능하게 된다. 또한, 수백A의 고전류를 제어하는 외부 회로의 전자 부하는 낮은 전압(예: 1V 미만)의 전력을 제어할 수 없으므로, 결과적으로 대면적을 갖는 단위 연료 전지에 있어서, 외부 회로의 전자 부하를 조절하면서 동시에 단위 연료 전지의 성능을 측정하는 것은 불가능하게 된다. 다시 말하면, 앞서 설명한 분절 측정 장치를 통하여, 외부 회로가 연결되지 않은 상태에서 대면적의 단위 연료 전지 자체의 성능을 측정하는 것은 가능하지만, 다른 외부 회로에 연결하여 운전 중인 상태에서 대면적의 단위 연료 전지의 성능 변화를 측정하는 것은 불가능하였다.
이하의 도면을 참조하여, 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치(10)를 설명하기로 한다. 앞서 도 1에서 서술한 연료 전지용 분절 측정 장치(1)와 중복되는 구성에 대하여는 동일한 명칭 또는 부호를 사용하며, 구체적인 내용은 생략하기로 한다.
도 3은 실시 예에 따른 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 실시 예에 따른 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치(10)는, 복수 개의 전류 집전체(12, 110, 120), 엔드 플레이트(13), 단위 셀 보드(14), 감지 보드(15), 부스팅 전지(C_B), 절연체(130) 및 승압 라인(140)을 포함할 수 있다.
제 1 전류 집전체(12)는, 측정 대상 단위 전지(C_M)의 일면에 접촉하여 측정 대상 단위 전지(C_M)의 전류를 집전할 수 있다.
단위 셀 보드(14)는, 측정 대상 단위 전지(C_M)의 타면에 접촉하여 특정 영역별로 독립적으로 전류를 수집하기 위한 복수 개의 입력 단위 셀을 포함할 수 있다.
감지 보드(15)는, 단위 셀 보드(14)의 복수 개의 입력 단위 셀에 각각 연결되는 복수 개의 단위 셀 센서에 연결되어, 각각의 단위 셀 센서 별로 측정 대상 단위 전지(C_M)에서 측정되는 국부적인 각 영역의 측정값을 독립적으로 센싱할 수 있다.
제 2 전류 집전체(110)는, 부스팅 전지(C_B)의 일면에 접촉하여 부스팅 전지(C_B)의 전류를 집전할 수 있다.
제 3 전류 집전체(120)는, 부스팅 전지(C_B)의 타면에 접촉하여 부스팅 전지(C_B)의 전류를 집전할 수 있다.
정리하면, 단위 셀 보드(14), 측정 대상 단위 전지(C_M), 제 1 전류 집전체(12), 절연체(130), 제 2 전류 집전체(110), 부스팅 전지(C_B), 제 3 전류 집전체(120)가 순차적으로 적층되어 적층체를 형성하고, 상기 적층체의 양 단을 2개의 엔드 플레이트(13)에 의해 가압할 수 있다.
부스팅 전지(C_B)는, 단위 셀 보드(14) 및 감지 보드(15) 등의 분절 측정 요소에서 발생하는 전압 강하를 보상하기 위한 것이며, 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 부스팅 전지(C_B)의 막 전극 접합체의 면적은, 측정 대상 단위 전지(C_M)의 막 전극 접합체의 면적과 동일하게 제공함으로써, 측정 대상 단위 전지(C_M)로부터 단위 셀 보드(14)로 흐르는 전류의 값에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다. 부스팅 전지(C_B)는 측정 대상 단위 전지(C_M)와 동일한 것을 사용할 수 있다. 부스팅 전지(C_B)는 필요에 따라서 복수 개를 사용할 수도 있다.
절연체(130)는, 부스팅 전지(C_B)의 전류 밀도 분포 등이 측정 대상 단위 전지(C_M)에 미치는 영향을 제거하기 위하여, 제 2 전류 집전체(110) 및 부스팅 전지(C_B) 사이에 배치될 수 있다. 절연체(130)는 부도체로써, 필요에 따라서 단열 기능을 갖는 재질을 포함하여 형성함으로써, 부스팅 전지(C_B)에 의해 발생하는 열이 측정 대상 단위 전지(C_M)에 미치는 영향을 제거하도록 할 수도 있다.
승압 라인(140)은, 부스팅 전지(C_B)에 의해 승압되는 전압을 측정 대상 단위 전지(C_B)로 전달하기 위하여 제 2 전류 집전체(110)는 제 1 전류 집전체(12)와 승압 라인(140)에 의해 연결될 수 있다. 여기서, 승압 라인(140)은 도전성 물질로써, 그 종류 및 형상은 제한되지 않는다.
위와 같은 구조에 의하면, 외부 회로를 단위 셀 보드(14) 및 제 3 집전판(120) 사이에 연결시킴으로써, 승압된 전압으로 외부 회로를 정상적으로 구동시킬 수 있다. 또한, 구동 중에 측정 대상 단위 전지(C_M)의 양단을 측정함으로써, 외부 조건의 변화에 따라 측정 대상 단위 전지(C_M)가 나타내는 특성을 측정할 수 있게 된다.
도 4는 실시 예에 따른 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치를 이용한 경우와, 미이용한 경우에서 각각 측정한 전류 밀도당 전압변화를 나타내는 그래프이다.
도 4의 Previous stoi 곡선은, 부스팅 전지를 사용하지 않은 상태에서 적정한 화학당량비를 공급하였을 때에, 전류 밀도 당 전압 변화를 나타내는 그래프이다. 해당 곡선에서 알 수 있듯이, 전류 밀도가 낮은 지점에서는 어느 정도 측정이 가능하지만, 전류 밀도가 높아질수록 급격하게 전압이 감소되어 정상적인 운전이 불가능함을 알 수 있다.
도 5의 Previous 1A 곡선은, 부스팅 전지를 사용하지 않은 상태에서 과도한 화학당량비를 공급하였을 때에, 전류 밀도 당 전압 변화를 나타내는 그래프이다. 해당 곡선에서 알 수 있듯이, 화학당량비를 과도하게 공급할 경우, 어느 정도 측정은 가능하지만, 역시 전류 밀도가 일정 이상 높아지면 전압이 0.3V 이하로 감소되어 정상적인 운전이 불가능함을 알 수 있다.
도 5의 Modified 곡선은, 실시 예에 따라 부스팅 전지를 사용한 상태에서, 적정한 화학당량비를 공급하였을 때에, 전류 밀도 당 전압 변화를 나타내는 그래프이다. 해당 곡선에서 알 수 있듯이, 화학당량비를 과도하게 공급하지 않더라도, 부스팅 전지를 이용하면, 높은 전류 밀도에서도 전압이 약 0.6V 이상을 유지할 수 있으므로, 정상적으로 운전이 가능함을 알 수 있다.
도 5는 실시 예에 따른 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치를 이용하여 실제로 연료 전지의 전류 밀도 분포를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5와 같이, 실시 예에 따른 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치를 이용하면, 고전류 밀도에서도 원활하게 대면적 연료 전지의 전류 밀도 분포를 측정할 수 있음을 알 수 있다.
실시 예에 의하면, 단위 셀 보드를 이용하여 연료 전지의 특정한 영역별로 국부적으로 성능을 측정할 수 있다. 또한, 저전압, 고전류의 특성을 갖는 연료 전지의 특성상 개별 단위 전지에 대하여 다양한 부하 실험이 어려웠던 문제를, 부스팅 단위 전지를 추가함으로써 극복하고, 대면적 연료 전지에도 활용할 수 있는 분절 측정 장치를 제공하는 것이다.
이상에서 설명된 실시예는 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (5)

  1. 측정 대상 단위 전지의 일면에 접촉하여 상기 측정 대상 단위 전지의 전류를 집전하기 위한 제 1 전류 집전체;
    상기 측정 대상 단위 전지의 타면에 접촉하여 상기 측정 대상 단위의 특정 영역별로 독립적으로 전류를 수집하기 위한 복수 개의 입력 단위 셀을 포함하는 단위 셀 보드;
    상기 복수 개의 입력 단위 셀에 각각 연결되는 복수 개의 단위 셀 센서를 포함하는 감지 보드;
    상기 단위 셀 보드 및 감지 보드에서 발생되는 전압 강하를 보상하기 위한 부스팅 전지;
    상기 부스팅 전지의 일면에 접촉하여 상기 부스팅 전지의 전류를 집전하는 제 2 전류 집전체;
    상기 부스팅 전지의 타면에 접촉하여 상기 부스팅 전지의 전류를 집전하기 위한 제 3 전류 집전체; 및
    상기 제 1 전류 집전체 및 제 2 전류 집전체를 전기적으로 연결하며, 상기 부스팅 전지에 의해 승압된 전압을 상기 측정 대상 단위 전지로 전달하기 위한 승압 라인을 포함하는 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스팅 전지의 막 전극 접합체의 면적은, 상기 측정 대상 단위 전지의 막 전극 접합체의 면적과 동일한 것을 특징으로 하는 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부스팅 전지는 상기 측정 대상 단위 전지와 동일한 것을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전류 집전체 및 부스팅 전지 사이에 배치되어, 상기 부스팅 전지가 상기 측정 대상 단위 전지에 미치는 전기적 영향을 제거하기 위한 절연체를 더 포함하는 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연체는, 단열 기능을 갖는 단열 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치.
KR1020150092372A 2015-06-29 2015-06-29 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치 KR101639528B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150092372A KR101639528B1 (ko) 2015-06-29 2015-06-29 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150092372A KR101639528B1 (ko) 2015-06-29 2015-06-29 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101639528B1 true KR101639528B1 (ko) 2016-07-13

Family

ID=56505811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150092372A KR101639528B1 (ko) 2015-06-29 2015-06-29 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101639528B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012113884A (ja) * 2010-11-22 2012-06-14 Denso Corp 電流測定装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012113884A (ja) * 2010-11-22 2012-06-14 Denso Corp 電流測定装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8288046B2 (en) Integrated current sensors for a fuel cell stack
CN104614680B (zh) 层叠电池的内阻测量装置
US6949920B2 (en) Apparatus for measuring current density of fuel cell
EP2389702B1 (en) Arrangement and method for monitoring galvanic isolation of fuel cell device
CN104617324B (zh) 一种具有测试功能的燃料电池组
JP2007087859A5 (ko)
Gerteisen et al. Spatially resolved voltage, current and electrochemical impedance spectroscopy measurements
JP4817962B2 (ja) 燃料電池電流分布測定装置、積層燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法
US8278002B2 (en) Fuel-cell and fuel cell system including the same
CN102208666A (zh) 用板嵌入测量单元测量和传输燃料电池堆电池电压的方法
US20110136029A1 (en) Fuel cell and temperature measurement method
JP6167800B2 (ja) 電流測定装置
KR102221208B1 (ko) 연료전지 셀 평균 전력 측정 장치 및 방법
KR101362740B1 (ko) 연료전지 스택 고장 진단 방법
JP6632611B2 (ja) 汚染物質を検出するための燃料電池
KR101639528B1 (ko) 대면적 연료 전지용 고해상도 분절 측정 장치
JP2006278246A (ja) 燃料電池スタックの制御方法
JP2009129847A (ja) 燃料電池システム
JP4428046B2 (ja) 燃料電池
US7416797B2 (en) Monitor device for fuel cell
JP2006140166A5 (ko)
JP5708219B2 (ja) 電流測定装置
JP4779205B2 (ja) 燃料電池用微短検出方法
JP2005019042A (ja) 燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの制御方法
KR101676752B1 (ko) 스택용 분절 측정 장치

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant