KR101675343B1 - 연료전지 분절측정 모듈 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따른 연료전지 모듈이 개시되고, 더 구체적으로는 단위셀보드 및 감지보드가 독립 형성되어 유지보수가 용이한 연료전지 분절측정 모듈이 개시된다.
일 실시 예에 따른 연료전지 모듈은 전해질막 및 상기 전해질 막의 양 측에 촉매층이 구비된 전극를 포함하는 막전극접합체, 상기 막전극접합체의 일 측에 배치되는 전류집전체, 상기 막전극접합체의 타 측에 배치되고, 상기 막전극접합체와 접하는 단위셀보드, 상기 전류집전체 및 상기 단위셀보드에 각각 접하고, 서로 마주보도록 배치되는 복수의 엔드플레이트 및 상기 단위셀보드에서 감지되는 신호에 기초하여, 연료전지의 성능을 측정하는 감지보드를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 분절측정 모듈{FUEL CELL SEGMENTED MEASURING MODULE}
일 실시 예에 따른 연료전지 모듈이 개시되고, 더 구체적으로는 단위셀보드 및 감지보드가 독립 형성되어 유지보수가 용이한 연료전지 모듈이 개시된다.
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.
연료전지는 엔드플레이트를 포함할 수 있다. 엔드플레이트는 연료전지 스택에서, 스택 내에 고른 면압이 유지되도록 각 구성들을 지지하는 기능을 할 수 있다. 스택 내의 유체의 누설을 방지하고, 셀간 전기 접촉저항의 증가를 방지할 수 있다.
예를 들어 공개특허 제 10-2009-0106670호는 연료전지 스택용 엔드플레이트를 개시한다. 상기 공개특허는 연료전지 스택의 엔드플레이트를 샌드위치 구조로 적용하면서, 샌드위치 구조를 이루는 부재들을 막부재로 감싸줌으로써, 스택내의 열전달을 감소시켜 연료전지 냉시동 특성을 향상시킬 수 있고, 스택의 단열효과가 떨어지는 것을 방지할 수 있도록 한다.
일 실시 예에 따른 목적은 단위셀보드 및 감지보드가 독립 형성되어 연료전지 시스템 설계의 독립성을 확보할 수 있는 연료전지 분절측정 모듈을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 단위셀보드 및 감지보드가 독립 형성되어 유지보수가 용이한 연료전지 분절측정 모듈을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 단위셀보드 및 감지보드의 선택에 따라 전류, 온도, 압력의 측정을 할 수 있는 연료전지 분절측정 모듈을 제공하는 것이다.
상기와 같은 일 실시 예에 따른 목적은 하기와 같은 연료전지 분절측정 모듈을 제공함으로써 달성된다.
일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈은 전해질 막 및 상기 전해질 막의 양 측에 촉매층이 구비된 전극를 포함하는 막전극접합체, 상기 막전극접합체의 일 측에 배치되는 전류집전체, 상기 막전극접합체의 타 측에 배치되고, 상기 막전극접합체와 접하는 단위셀보드, 상기 전류집전체 및 상기 단위셀보드에 각각 접하고, 서로 마주보도록 배치되는 복수의 엔드플레이트 및 상기 단위셀보드에서 감지되는 신호에 기초하여, 연료전지의 성능을 측정하는 감지보드를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 단위셀보드는, 상기 막전극접합체의 각각의 영역들의 정보를 개별적으로 측정하기 위한 복수 개의 단위 셀을 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 단위 셀들은 서로 동일한 면적으로 제공되고, 격자 형태로 행 및 열을 지어 나란히 배치될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 감지보드는, 상기 단위셀보드로부터 이격되어 배치되고,상기 단위셀보드와 상기 감지보드를 연결하는 커넥터를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 감지보드는, 상기 복수의 엔드플레이트 중 하나의 엔드플레이트를 기준으로 상기 단위셀보드의 반대편에 배치될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 커넥터는 상기 감지보드의 개수에 대응하여 복수 개로 마련될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 단위셀보드 또는 상기 감지보드에 슬롯이 형성되고, 상기 커넥터는 상기 슬롯에 삽입되어 상기 단위셀보드 또는 상기 감지보드와 결합될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 감지보드 또는 상기 단위셀보드는 교체 가능하도록 형성될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 막전극접합체 및 상기 전류집전체의 사이에 기체확산층이 형성될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 막전극접합체 및 상기 단위셀보드의 사이에 기체확산층이 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따른 연료전지 모듈은 연료 전지의 일부 영역에서 생성되는 전류를 입력 받기 위한 단위셀을 포함하는 단위셀보드 및 상기 단위셀보드로부터 전달받은 정보에 기초하여, 상기 연료 전지의 일부 영역에서 생성되는 전류의 크기를 감지하는 감지보드를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 단위셀은 상기 단위셀보드 상에 복수 개 제공되고, 상기 복수 개의 단위셀은 서로 동일한 면적으로 제공될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 감지보드는, 상기 단위셀보드의 단위셀과 각각 대응하는 복수 개의 센서를 포함하고, 상기 단위셀보드의 단위셀과, 상기 감지보드의 센서를 각각 전기적으로 연결하는 커넥터를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈은 단위셀보드 및 감지보드가 독립 형성되어 연료전지 시스템 설계의 독립성을 확보할 수 있다.
일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈은 단위셀보드 및 감지보드가 독립 형성되어 유지보수가 용이할 수 있다.
일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈은 단위셀보드 및 감지보드의 선택에 따라 전류, 온도, 압력를 측정할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈의 형태를 도시하는 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 단위셀보드 및 감지보드를 도시하는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 전류의 측정결과를 도시한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시 예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 여러 태양 중 하나이며, 하기의 기술은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈(1)의 형태를 도시하는 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈(1)의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 연료전지 모듈(1)은 막전극접합체(110), 전류집전체(120), 단위셀보드(140) 및 엔드플레이트(130)를 포함할 수 있다.
막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA; 110)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.
전류집전체(Current Collector; 120)는 막전극접합체(110)의 일측에 배치될 수 있다. 전류집전체(120)는 막전극접합체(110)의 양극(Anode)과 인접하여 배치될 수 있다. 전류집전체(120)와 막전극접합체(110)의 사이에는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL; 170)이 형성될 수 있다.
단위셀보드(Segment cell board; 140)는 막전극접합체(110)의 타측에 배치될 수 있다. 단위셀보드(140)은 막전극접합체(110)를 중심으로 전류집전체(120)와 마주보도록 배치될 수 있다. 다시 말하면, 전류집전체(120), 막전극접합체(110), 단위셀보드(140)의 순서로 적층될 수 있다.
단위셀보드(140)는 막전극접합체(110)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.
엔드플레이트(130)는 복수개가 마련될 수 있다. 엔드플레이트(130)는 각각 전류집전체(120) 및 단위셀보드(140)에 면접하게 배치될 수 있다. 엔드플레이트(130)는 서로 마주보게 배치될 수 있다. 엔드플레이트(130)는 연료전지 모듈(1)의 외부면을 이룰 수 있다. 다시 말하면, 엔드플레이트(130), 전류집전체(120), 막전극접합체(110), 단위셀보드(140), 엔드플레이트(130)의 순서로 적층될 수 있다.
연료전지 분절측정 모듈(1)은 감지보드(150)를 더 포함할 수 있다. 감지보드(150)는 단위셀보드(140)과 분리되어 형성될 수 있다. 감지보드(150)는, 엔드플레이트(130)의 외측에 배치될 수 있다. 위와 같은 구조를 이용하면, 각각의 단위셀 별로 측정되는 측정값을 독립적으로 센싱하기 위한 전기적 연결구조를 용이하게 배치할 수 있다. 감지보드(150)와 단위셀보드(140)는 커넥터(160)로 연결될 수 있다. 감지보드(150)는 전류집전체(120)와 분리되어 형성될 수 있다. 감지보드(150)은 엔드플레이트(130)와 이격되어 배치될 수 있다.
커넥터(160)는 단위셀보드(140)과 감지보드(150)를 연결할 수 있다. 커넥터(160)는 도전성 재질로 형성될 수 있다. 또는 커넥터(160)는 회로가 인쇄된 PCB를 포함할 수 있다. 커넥터(160)의 재질은 한정되지 않는다.
커넥터(160)는 감지보드(150)의 개수에 대응하여 복수개로 마련될 수 있다. 단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)에 슬롯이 형성될 수 있다. 커넥터(160)는 상기 슬롯에 삽입되어 단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)과 결합될 수 있다.
단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)는 전류집전체(120)와 분리되어 형성될 수 있다. 다시 말하면, 연료전지의 성능을 측정하기 위한 단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)는 전류집전체(120)에 포함되지 않고 별개로 구성될 수 있다.
단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)은 분리 또는 교체 가능할 수 있다. 측정하고자 하는 대상에 따라 단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)가 선택될 수 있다. 측정하고자 하는 대상은 전류, 온도 또는 압력을 포함할 수 있다.
단위셀보드(140)는 독립적으로 분리 또는 교체 가능하므로, 쉽게 유지보수 될 수 있다. 연료전지의 성능 측정에 문제가 발생하면 단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)를 독립적으로 교체할 수 있다.
단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)가 전류집전체(120)에 포함되면 전류집전체(120) 전체를 교체해야 하지만, 단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)가 독립하여 구성되므로 단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)만 교체할 수 있다. 유지보수를 용이하게 할 수 있다.
단위셀보드(140) 또는 감지보드(150)를 교체하여 측정대상을 변경할 수 있다.예를 들어, 전류, 온도, 압력 등을 측정할 수 있다. 전류, 온도, 압력 등을 동시에 측정할 수도 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 단위셀보드(140) 및 감지보드(150)를 도시하는 도면이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 전류의 측정결과를 도시한다.
도 3을 참조하면, 단위셀보드(140)는 복수 개의 단위셀(segmented cell; 141)을 포함할 수 있다. 단위셀(141)은 단위셀보드(140)의 표면에 분할되어 각각 셀을 형성할 수 있다. 단위셀(141)들은 단위셀보드(140) 상에 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있다. 단위셀보드(140)의 각각의 단위셀(141)은, 막전극접합체(110)의 각각의 영역들의 정보를 개별적으로 측정할 수 있다. 여기서 정보는, 각각의 영역들에서 생성되는 전류의 크기, 각각의 영역들의 온도 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 각각의 단위셀(141)들은 서로 동일한 면적으로 제공되고, 격자 형태로 행 및 열을 지어 나란히 배치될 수 있다. 단위셀(141)들을 서로 동일한 면적으로 제공함으로써, 각각의 영역별로 측정되는 정보를 비교하여 이상 현상을 보이는 영역을 쉽게 발견할 수 있다.
한편, 연료전지에서 발생되는 전류는 막전극접합체(110)의 면적에 비례한다. 각각의 단위셀에서 측정된 전류의 총합은, 전체 연료전지에서 발생되는 전류라고 할 수 있다.
감지보드(150)는 단위셀보드(140)와 상응하게 형성될 수 있다. 예를 들어 감지보드(150)는 단위셀보드(140)와 동일한 형태의 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 단위셀(141) 및 감지보드(150)상의 센서는 서로 대응될 수 있다. 다시 말하면, 단위셀보드(140) 상의 단위셀은 이에 상응하는 위치에 배치되는 감지보드(150)상의 센서와 연결될 수 있다.
위와 같은 구조에 의하면, 연료 전지에서 생성되는 전류를 국부적으로, 특정한 영역별로 측정하는 것이 가능해진다. 따라서, 전류 생성 효율이 낮은 영역을 발견하고, 이를 수정하여 전체적으로 높은 효율을 갖는 연료 전지를 설계하기 위하여, 실시 예와 같은 연료전지 분절측정 모듈을 사용할 수 있다.
도 4를 참조하면, 단위셀 마다 전류값이 측정될 수 있다. 단위셀보드(140)의 특정 단위셀 위치에서의 전류값을 측정하고자 하는 경우, 이에 상응하는 감지보드(150)의 센서에서 전류값을 측정할 수 있다.
단위셀보드(140)의 단위셀 위치정보가 저장될 수 있다. 감지보드(150)의 센서에서 전류를 측정하여, 단위셀보드(140)의 단위셀에 흐르는 전류값을 측정할 수 있다.
상기 묘사된 일 실시 예에 따른 연료전지 분절측정 모듈은 단위셀보드 및 감지보드가 독립 형성되어 연료전지 시스템 설계의 독립성을 확보할 수 있고, 단위셀보드 및 감지보드가 독립 형성되어 유지보수가 용이하며, 단위셀보드 및 감지보드의 선택에 따라 전류, 온도, 압력를 측정할 수 있다.
일 실시 예가 첨부된 도면과 함께 설명 되었지만, 이러한 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 발명의 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아니다. 통상의 기술자는 일 실시 예에 따른 발명을 변형 또는 응용할 수 있을 것이고, 그러한 변형 또는 응용도 발명의 보호범위에 속할 것이다. 따라서, 발명의 범위는 여기에서 묘사된 특정한 실시 예에 한정되어서는 안된다.
110 막전극접합체
120 전류집전체
130 엔드플레이트
140 단위셀보드
141 단위셀
150 감지보드
160 커넥터
170 기체확산층

Claims (13)

  1. 전해질 막 및 상기 전해질 막의 양 측에 촉매층이 구비된 전극를 포함하는 막전극접합체;
    상기 막전극접합체의 일 측에 배치되는 전류집전체;
    상기 막전극접합체의 타 측에 배치되고, 상기 막전극접합체의 각각의 영역들의 정보를 개별적으로 측정하기 위한 복수 개의 단위셀을 포함하며, 상기 막전극접합체와 접하는 단위셀보드;
    상기 전류집전체 및 상기 단위셀보드에 각각 접하고, 서로 마주보도록 배치되는 복수의 엔드플레이트; 및
    상기 단위셀과 상응하는 위치에 배치되고 상응하는 위치의 단위셀과 각각 연결되는 센서를 포함하고, 상기 전류집전체 및 상기 단위셀보드와 분리되어 형성되는 감지보드를 포함하고,
    상기 단위셀보드 또는 상기 감지보드는 교체 가능하도록 구성되며,
    상기 단위셀보드는 상기 복수의 엔드플레이트 사이에 배치되고, 상기 감지보드는 상기 엔드플레이트의 외측에 배치되어, 상기 감지보드는 상기 단위셀보드에서 감지되는 신호에 기초하여 연료전지의 성능을 측정하는 연료전지 분절측정 모듈.
  2. 삭제
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1항에 있어서,
    상기 단위 셀들은 서로 동일한 면적으로 제공되고, 격자 형태로 행 및 열을 지어 나란히 배치되는 연료전지 분절측정 모듈.
  4. 제 1항에 있어서
    상기 단위셀보드와 상기 감지보드를 연결하는 커넥터를 더 포함하는 연료전지 분절측정 모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 감지보드는, 상기 복수의 엔드플레이트 중 하나의 엔드플레이트를 기준으로 상기 단위셀보드의 반대편에 배치되는 연료전지 분절측정 모듈.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 커넥터는 상기 감지보드의 개수에 대응하여 복수 개로 마련되는 연료전지 분절측정 모듈.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 단위셀보드 또는 상기 감지보드에 슬롯이 형성되고,
    상기 커넥터는 상기 슬롯에 삽입되어 상기 단위셀보드 또는 상기 감지보드와 결합되는 연료전지 분절측정 모듈.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 막전극접합체 및 상기 전류집전체의 사이에 기체확산층이 형성되는 연료전지 분절측정 모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 막전극접합체 및 상기 단위셀보드의 사이에 기체확산층이 형성되는 연료전지 분절측정 모듈.
  11. 엔드플레이트의 내측에 배치되고, 연료 전지의 일부 영역에서 생성되는 전류를 입력 받기 위한 복수 개의 단위셀을 포함하는 단위셀보드; 및
    상기 엔드플레이트의 외측에 배치되고, 상기 단위셀과 상응하는 위치에 배치되고 상응하는 위치의 단위셀과 각각 연결되는 복수 개의 센서를 포함하고, 상기 단위셀보드로부터 전달받은 정보에 기초하여, 상기 연료 전지의 일부 영역에서 생성되는 전류의 크기를 감지하는 감지보드를 포함하고,
    상기 단위셀보드 또는 상기 감지보드는 교체 가능하도록 구성되는 연료전지 분절측정 모듈.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 11항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위셀은 서로 동일한 면적으로 제공되는 연료전지 분절측정 모듈.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 단위셀보드의 단위셀과, 상기 감지보드의 센서를 각각 전기적으로 연결하는 커넥터를 더 포함하는 연료전지 분절측정 모듈.
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